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Enregistrement W3215207525 · doi:10.1186/s13195-021-00924-2

Improving 3D convolutional neural network comprehensibility via interactive visualization of relevance maps: evaluation in Alzheimer's disease.

2021· article· en· W3215207525 sur OpenAlexfundno aff
Martin Dyrba, Moritz Hanzig, Slawek Altenstein, Sebastian Bader, Tommaso Ballarini, Frederic Brosseron, Katharina Büerger, Daniel Cantré, Peter Dechent, Laura Dobisch, Emrah Düzel, Michael Ewers, Klaus Fließbach, Wenzel Glanz, John­–Dylan Haynes, Michael T. Heneka, Daniel Janowitz, Deniz Baris Keles, Ingo Kilimann, Christoph Laske, Franziska Maier, Coraline D. Metzger, Robert Perneczky, Oliver Peters, Lukas Preis, Josef Priller, Boris‐Stephan Rauchmann, Nina Roy, Klaus Scheffler, Anja Schneider, Björn H. Schott, Annika Spottke, Eike Spruth, Marc‐André Weber, Birgit Ertl‐Wagner, Michael Wagner, Jens Wiltfang, Frank Jessen, Stefan Teipel

Notice bibliographique

RevuePUBLISSO (German National Library of Medicine) · 2021
Typearticle
Langueen
DomaineMedicine
ThématiqueDementia and Cognitive Impairment Research
Établissements canadiensnon disponible
Organismes subventionnairesNational Institute on AgingCanadian Institutes of Health ResearchDeutsche Forschungsgemeinschaft
Mots-clésConvolutional neural networkRelevance (law)DementiaComputer scienceVisualizationDiscriminative modelMagnetic resonance imagingArtificial intelligenceAtrophyClinical significancePattern recognition (psychology)DiseaseMedicinePathologyRadiology

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Background!#!Although convolutional neural networks (CNNs) achieve high diagnostic accuracy for detecting Alzheimer's disease (AD) dementia based on magnetic resonance imaging (MRI) scans, they are not yet applied in clinical routine. One important reason for this is a lack of model comprehensibility. Recently developed visualization methods for deriving CNN relevance maps may help to fill this gap as they allow the visualization of key input image features that drive the decision of the model. We investigated whether models with higher accuracy also rely more on discriminative brain regions predefined by prior knowledge.!##!Methods!#!We trained a CNN for the detection of AD in N = 663 T1-weighted MRI scans of patients with dementia and amnestic mild cognitive impairment (MCI) and verified the accuracy of the models via cross-validation and in three independent samples including in total N = 1655 cases. We evaluated the association of relevance scores and hippocampus volume to validate the clinical utility of this approach. To improve model comprehensibility, we implemented an interactive visualization of 3D CNN relevance maps, thereby allowing intuitive model inspection.!##!Results!#!Across the three independent datasets, group separation showed high accuracy for AD dementia versus controls (AUC ≥ 0.91) and moderate accuracy for amnestic MCI versus controls (AUC ≈ 0.74). Relevance maps indicated that hippocampal atrophy was considered the most informative factor for AD detection, with additional contributions from atrophy in other cortical and subcortical regions. Relevance scores within the hippocampus were highly correlated with hippocampal volumes (Pearson's r ≈ -0.86, p < 0.001).!##!Conclusion!#!The relevance maps highlighted atrophy in regions that we had hypothesized a priori. This strengthens the comprehensibility of the CNN models, which were trained in a purely data-driven manner based on the scans and diagnosis labels. The high hippocampus relevance scores as well as the high performance achieved in independent samples support the validity of the CNN models in the detection of AD-related MRI abnormalities. The presented data-driven and hypothesis-free CNN modeling approach might provide a useful tool to automatically derive discriminative features for complex diagnostic tasks where clear clinical criteria are still missing, for instance for the differential diagnosis between various types of dementia.

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)0,004
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,016
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Expérimental (laboratoire) · Signal consensuel: aucune
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: Empirique
Score de désaccord entre enseignants0,009
Score d'incertitude au seuil0,024

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0040,016
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0030,001
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,002
Bibliométrie0,0020,001
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0020,001
Intégrité de la recherche0,0020,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,000

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 Opus0,033
Tête enseignante GPT0,350
Écart entre enseignants0,317 · 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'étudeExpérimental (laboratoire)
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

Citations65
Publié2021
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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