A multilayer multimodal detection and prediction model based on explainable artificial intelligence for Alzheimer’s disease
Notice bibliographique
Résumé
Alzheimer's disease (AD) is the most common type of dementia. Its diagnosis and progression detection have been intensively studied. Nevertheless, research studies often have little effect on clinical practice mainly due to the following reasons: (1) Most studies depend mainly on a single modality, especially neuroimaging; (2) diagnosis and progression detection are usually studied separately as two independent problems; and (3) current studies concentrate mainly on optimizing the performance of complex machine learning models, while disregarding their explainability. As a result, physicians struggle to interpret these models, and feel it is hard to trust them. In this paper, we carefully develop an accurate and interpretable AD diagnosis and progression detection model. This model provides physicians with accurate decisions along with a set of explanations for every decision. Specifically, the model integrates 11 modalities of 1048 subjects from the Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative (ADNI) real-world dataset: 294 cognitively normal, 254 stable mild cognitive impairment (MCI), 232 progressive MCI, and 268 AD. It is actually a two-layer model with random forest (RF) as classifier algorithm. In the first layer, the model carries out a multi-class classification for the early diagnosis of AD patients. In the second layer, the model applies binary classification to detect possible MCI-to-AD progression within three years from a baseline diagnosis. The performance of the model is optimized with key markers selected from a large set of biological and clinical measures. Regarding explainability, we provide, for each layer, global and instance-based explanations of the RF classifier by using the SHapley Additive exPlanations (SHAP) feature attribution framework. In addition, we implement 22 explainers based on decision trees and fuzzy rule-based systems to provide complementary justifications for every RF decision in each layer. Furthermore, these explanations are represented in natural language form to help physicians understand the predictions. The designed model achieves a cross-validation accuracy of 93.95% and an F1-score of 93.94% in the first layer, while it achieves a cross-validation accuracy of 87.08% and an F1-Score of 87.09% in the second layer. The resulting system is not only accurate, but also trustworthy, accountable, and medically applicable, thanks to the provided explanations which are broadly consistent with each other and with the AD medical literature. The proposed system can help to enhance the clinical understanding of AD diagnosis and progression processes by providing detailed insights into the effect of different modalities on the disease risk.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi 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.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,002 | 0,004 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,002 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,002 | 0,002 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,003 | 0,000 |
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.
score_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 découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».