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Pediatric Leukodystrophy Classification from 3D MRI: A Comparative Study of Radiomics-Based Machine Learning, Deep Transfer Learning, and Hybrid Models - 28/10/26

Doi : 10.1016/j.neurad.2026.101617 
Zahra Saraji a , Morteza Heidari 1, b , Saeid Rashidi ⁎, a , Mahmoudreza Ashrafi b
a Department of Biomedical Engineering, SR.C., Islamic Azad University, Tehran, Iran 
b Myelin Disorders Clinic, Department of Pediatric Neurology, Children’s Medical Center, Pediatrics Center of Excellence, Tehran University of Medical Sciences, Tehran, Iran 

⁎ Corresponding author.
Sous presse. Manuscrit accepté. Disponible en ligne depuis le Wednesday 28 October 2026

Highlights

•
Developed an MRI-based classification framework for five pediatric leukodystrophy subtypes using anatomical ROI segmentation.
•
Compared radiomics-based machine learning, hybrid strategies, and end-to-end 3D CNN architectures for leukodystrophy classification.
•
Fine-tuned end-to-end 3D CNNs generally outperformed traditional machine learning and hybrid approaches.
•
DenseNet121 achieved the highest classification accuracy in internal patient-level cross-validation, outperforming ResNet architectures.
•
AI-driven MRI analysis may support early differential diagnosis and serve as a complementary clinical decision-support tool for pediatric leukodystrophies.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Graphical abstract




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Abstract

Background: Pediatric leukodystrophies are rare inherited white matter disorders characterized by heterogeneous neuroimaging patterns that complicate accurate and early subtype classification. Despite their clinical importance for treatment planning, genetic counseling, and prognosis assessment, automated artificial intelligence-based diagnostic tools remain limited for these disorders.

Methods : In this study, we propose a comprehensive machine learning and deep learning framework for the classification of five clinically relevant leukodystrophy subtypes using multimodal axial brain MRI, including T1, T2, and FLAIR sequences acquired from 115 pediatric patients. Following image pre-processing and atlas-based segmentation, region-level representations were extracted and three complementary classification strategies were investigated: (i) radiomics-based machine learning models using handcrafted imaging features; (ii) an end-to-end 3D transfer-learning approach employing pre-trained CNN architectures, including ResNet18, ResNet50, and DenseNet121; and (iii) hybrid models in which CNN-derived deep features were used either independently or in combination with radiomic descriptors for supervised classification.

Results : The results demonstrated that fine-tuned transfer learning models outperformed radiomics-based and hybrid approaches across all evaluation metrics. Among the evaluated architectures, the best-performing end-to-end model, DenseNet121, achieved an accuracy of 95.50%, a precision of 89.62%, a recall of 89.19%, an F1-score of 88.88%, and a specificity of 97.12%.

Conclusion : These findings indicate that 3D transfer learning can effectively capture complex spatial and hierarchical volumetric MRI patterns for multiclass pediatric leukodystrophy classification and may serve as a promising decision-support tool in clinical settings with limited data availability.

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Keywords : Brain MRI, Deep Transfer Learning, Machine Learning, Pediatric Leukodystrophy


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