Brain extraction on MRI scans in presence of diffuse glioma: Multi-institutional performance evaluation of deep learning methods and robust modality-agnostic training

Brain extraction, or skull-stripping, is an essential pre-processing step in neuro-imaging that has a direct impact on the quality of all subsequent processing and analyses steps. It is also a key requirement in multi-institutional collaborations to comply with privacy-preserving regulations. Existing automated methods, including Deep Learning (DL) based methods that have obtained state-of-the-art results in recent years, have primarily targeted brain extraction without considering pathologically-affected brains. Accordingly, they perform sub-optimally when applied on magnetic resonance imaging (MRI) brain scans with apparent pathologies such as brain tumors. Furthermore, existing methods focus on using only T1-weighted MRI scans, even though multi-parametric MRI (mpMRI) scans are routinely acquired for patients with suspected brain tumors. In this study, we present a comprehensive performance evaluation of recent deep learning architectures for brain extraction, training models on mpMRI scans of pathologically-affected brains, with a particular focus on seeking a practically-applicable, low computational footprint approach, generalizable across multiple institutions, further facilitating collaborations. We identified a large retrospective multi-institutional dataset of n=3340 mpMRI brain tumor scans, with manually-inspected and approved gold-standard segmentations, acquired during standard clinical practice under varying acquisition protocols, both from private institutional data and public (TCIA) collections. To facilitate optimal utilization of rich mpMRI data, we further introduce and evaluate a novel ‘‘modality-agnostic training’’ technique that can be applied using any available modality, without need for model retraining. Our results indicate that the modality-agnostic approach1 obtains accurate results, providing a generic and practical tool for brain extraction on scans with brain tumors

ДЕЯКІ ПРЕДИКТОРИ ПЕРВИННОГО ЕПІЗОДУ БІПОЛЯРНОГО АФЕКТИВНОГО РОЗЛАДУ

Problem of bipolar affective disorder is one of the actual problems in modern psychiatry. The aim of the study – to learn the features of heredity of patients with bipolar affective disorder (BAD) and initial factors, taking into account the gender factor and the variant of the primary episode of the BAD. Materials and Methods. We studied medical records of 180 men and 222 women with initial BAD episode. Three main variants of the course of the primary episode of BAD are distinguished: with predominance of depressive symptoms (depressive variant) – 79.4 %, with predominance of manic or hypomanic symptoms (manic variant) – 15.7 %, with both depressive and manic symptoms or with fast phase change (mixed variant) – 4.9 %. Results and Discussion. In patients with a manic variant of the initial episode, the burden of heredity on all mental disorders and alcoholism (47.6 %) was more often than in patients with depressive variant (35.1 %, p<0.05) and mixed (40.0 %, p>0.05) variant of the initial episode. Most often, an unintentional start occurred in the manic variant (61.9 %, p<0.01), less frequently in mixed cases (55.0 %, p<0.01), and most often in depressed (21.4 %) variant. In the depressive variant of the initial episode, the connection between the onset of the disease and the psycho-emotional stress was more frequently detected – in 70.8 % of the subjects compared with 31.7 % of the manic and 35.0 % of the mixed variant of the initial episode (p<0.01). Conclusions. In patients with BAD we revealed insignificant burdens of heredity for BAD with a significant burden of heredity for mental disorders and addicts in general, and in patients with a manic variant of the initial episode, significantly more frequent manifested heredity for all mental disorders and alcoholism. In patients with a depressive variant, the primary episode is significantly more associated with the effect of psycho-emotional stress, and in patients with a manic and mixed variant is more often not associated with the action of external factors. These features should be taken into account when developing diagnostic, therapeutic, rehabilitation and preventive measures.Проблема биполярного аффективного расстройства является одной из наиболее актуальных проблем в современной психиатрии. Цель исследования – изучить особенности наследственности больных с биполярным эффективным расстройством (БАР) и инициальных факторов с учетом гендерного фактора и варианта первичного эпизода заболевания. Материалы и методы. Проанализированы особенности течения первичного эпизода БАР на основании медицинской документации 180 мужчин и 222 женщин с этим диагнозом. Выделены три основных варианта течения первичного эпизода БАР: с преобладанием депрессивной симптоматики (депрессивный вариант) – 79,4 % обследованных, с преобладанием маниакальной или гипоманиакальной симптоматики (маниакальный вариант) – 15,7 %, и с одновременным наличием депрессивной и маниакальной симптоматики или с быстрой сменой фаз (смешанный вариант) – 4,9 %. Результаты исследований и их обсуждение. У больных с маниакальным вариантом первичного эпизода чаще обнаруживалась отягощенная наследственность по всем психическим расстройствам и алкоголизму (47,6 %) по сравнению с больными с депрессивным (35,1 %, р<0,05) и смешанным (40,0 %, р>0,05) вариантами первичного эпизода. Чаще всего беспричинное начало имело место при маниакальном варианте (61,9 %, р<0,01), реже при смешанном (55,0 %, р<0,01), и еще реже при депрессивном (21,4 %) варианте. При депрессивном варианте первичного эпизода чаще обнаруживалась связь начала заболевания с психоэмоциональным стрессом – у 70,8 % обследованных против 31,7 % с маниакальным и 35,0 % смешанным вариантами первичного эпизода (р<0,01). Выводы. У больных с БАР выявлено незначительную отягощенность наследственности по психическим расстройствам и аддикциям в целом, причем у пациентов с маниакальным вариантом первичного эпизода значимо чаще выявлялась наследственность по всем психическими расстройствами и алкоголизмом. У больных с депрессивным вариантом первичный эпизод значимо чаще связан с воздействием психоэмоционального стресса, а в лиц с маниакальным и смешанным вариантами чаще не связан с действием внешних факторов. Эти особенности должны учитываться при разработке диагностических, лечебных, реабилитационных и профилактических мероприятий.Проблема біполярного афективного розладу є однією з найактуальніших проблем у сучасній психіатрії. Мета дослідження – вивчити особливості спадковості хворих із біполярним ефективним розладом (БАР) та ініціальних факторів з урахуванням гендерного чинника та варіанта первинного епізоду захворювання. Матеріали і методи. Проаналізовано особливості перебігу первинного епізоду БАР на основі медичної документації 180 чоловіків і 222 жінок із цим діагнозом. Виділено три основні варіанти перебігу первинного епізоду БАР: із переважанням депресивної симптоматики (депресивний варіант) – 79,4 % обстежених, з переважанням маніакальної або гіпоманіакальної симптоматики (маніакальний варіант) – 15,7 % та з одночасною наявністю депресивної та маніакальної симптоматики або зі швидкою зміною фаз (змішаний варіант) – 4,9 %. Результати досліджень та їх обговорення. У хворих із маніакальним варіантом первинного епізоду частіше виявлялася обтяжена спадковість за усіма психічними розладами та алкоголізмом (47,6 %) порівняно з хворими з депресивним (35,1 %, р<0,05) та змішаним (40,0 %, р>0,05) варіантами первинного епізоду. Найчастіше безпричинний початок мав місце при маніакальному варіанті (61,9 %, р<0,01), рідше при змішаному (55,0 %, р<0,01), і найрідше при депресивному (21,4 %) варіанті. При депресивному варіанті первинного епізоду частіше виявлявся зв’язок між початком захворювання і психоемоційним стресом – у 70,8 % обстежених проти 31,7 % з маніакальним та 35,0 % змішаним варіантами первинного епізоду (р<0,01). Висновки. У хворих із БАР виявлено незначну обтяженість спадковості за психічними розладами та адикціями загалом, причому в пацієнтів із маніакальним варіантом первинного епізоду значуще частіше виявлялася обтяжена спадковість за усіма психічними розладами й алкоголізмом. У хворих із депресивним варіантом первинний епізод значуще частіше пов’язаний з дією психоемоційного стресу, а в осіб із маніакальним та змішаним варіантами частіше не пов’язаний із дією зовнішніх факторів. Ці особливості повинні враховувати при розробці діагностичних, лікувальних, реабілітаційних та профілактичних заходів