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Enregistrement W3025729836 · doi:10.3389/fnins.2020.00259

Early Detection of Alzheimer’s Disease Using Magnetic Resonance Imaging: A Novel Approach Combining Convolutional Neural Networks and Ensemble Learning

2020· article· en· W3025729836 sur OpenAlexafffundabout
Dan Pan, An Zeng, Longfei Jia, Yin Huang, Tory O. Frizzell, Xiaowei Song

Notice bibliographique

RevueFrontiers in Neuroscience · 2020
Typearticle
Langueen
DomaineNeuroscience
ThématiqueBrain Tumor Detection and Classification
Établissements canadiensSurrey Memorial HospitalSimon Fraser UniversityFraser Health
Organismes subventionnairesNational Institute on AgingNational Institutes of HealthH. Lundbeck A/SServierNational Natural Science Foundation of ChinaEisaiGenentechIXICONorthern California Institute for Research and EducationPfizerBiogenBioClinicaF. Hoffmann-La RocheUniversity of Southern CaliforniaMeso Scale DiagnosticsEli Lilly and CompanyU.S. Department of DefenseAlzheimer's Disease Neuroimaging InitiativeNovartis Pharmaceuticals CorporationBristol-Myers SquibbNatural Science Foundation of Guangdong ProvinceAlzheimer's AssociationCanadian Institutes of Health ResearchNational Science Foundation
Mots-clésConvolutional neural networkComputer scienceMagnetic resonance imagingArtificial intelligenceEnsemble learningFunctional magnetic resonance imagingPattern recognition (psychology)NeuroscienceMedicinePsychologyRadiology

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Early detection is critical for effective management of Alzheimer's disease (AD) and screening for mild cognitive impairment (MCI) is common practice. Among several deep-learning techniques that have been applied to assessing structural brain changes on magnetic resonance imaging (MRI), convolutional neural network (CNN) has gained popularity due to its superb efficiency in automated feature learning with the use of a variety of multilayer perceptrons. Meanwhile, ensemble learning (EL) has shown to be beneficial in the robustness of learning-system performance via integrating multiple models. Here, we proposed a classifier ensemble developed by combining CNN and EL, i.e., the CNN-EL approach, to identify subjects with MCI or AD using MRI: i.e., classification between (1) AD and healthy cognition (HC), (2) MCIc (MCI patients who will convert to AD) and HC, and (3) MCIc and MCInc (MCI patients who will not convert to AD). For each binary classification task, a large number of CNN models were trained applying a set of sagittal, coronal, or transverse MRI slices; these CNN models were then integrated into a single ensemble. Performance of the ensemble was evaluated using stratified fivefold cross-validation method for 10 times. The number of the intersection points determined by the most discriminable slices separating two classes in a binary classification task among the sagittal, coronal, and transverse slice sets, transformed into the standard Montreal Neurological Institute (MNI) space, acted as an indicator to assess the ability of a brain region in which the points were located to classify AD. Thus, the brain regions with most intersection points were considered as those mostly contributing to the early diagnosis of AD. The result revealed an accuracy rate of 0.84 ± 0.05, 0.79 ± 0.04, and 0.62 ± 0.06, respectively, for classifying AD vs. HC, MCIc vs. HC, and MCIc vs. MCInc, comparable to previous reports and a 3D deep learning approach (3D-SENet) based on a more state-of-the-art and popular Squeeze-and-Excitation Networks model using channel attention mechanism. Notably, the intersection points accurately located the medial temporal lobe and several other structures of the limbic system, i.e., brain regions known to be struck early in AD. More interestingly, the classifiers disclosed multiple patterned MRI changes in the brain in AD and MCIc, involving these key regions. These results suggest that as a data-driven method, the combined CNN and EL approach can locate the most discriminable brain regions indicated by the trained ensemble model while the generalization ability of the ensemble model was maximized to successfully capture AD-related brain variations early in the disease process; it can also provide new insights into understanding the complex heterogeneity of whole-brain MRI changes in AD. Further research is needed to examine the clinical implication of the finding, capability of the advocated CNN-EL approach to help understand and evaluate an individual subject's disease status, symptom burden and progress, and the generalizability of the advocated CNN-EL approach to locate the most discriminable brain regions in the detection of other brain disorders such as schizophrenia, autism, and severe depression, in a data-driven way.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,002
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,002
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: aucune
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,006
Score d'incertitude au seuil0,012

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0020,002
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0020,001
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0010,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0000,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,050
Tête enseignante GPT0,246
Écart entre enseignants0,195 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations324
Publié2020
Routes d'admission3
Résumé présentoui

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