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Enregistrement W4390838230 · doi:10.1101/2024.01.11.24301179

Autoencoder-based Feature Extraction and Classification for fMRI-based Deep Brain Stimulation Parameter Optimization for Parkinson’s Disease Treatment: Towards a Rapid Semi-automated Stimulation Optimization

2024· preprint· en· W4390838230 sur OpenAlexafffund
Afis Ajala, Jianwei Qiu, John Karigiannis, Brendan Santyr, Aaron Loh, Jürgen Germann, Desmond Yeo, Luca Marinelli, Thomas Foo, Alexandre Boutet, Radhika Madhavan, Andrés M. Lozano

Notice bibliographique

RevuemedRxiv · 2024
Typepreprint
Langueen
DomaineMedicine
ThématiqueNeurological disorders and treatments
Établissements canadiensOntario Brain InstituteUniversity of TorontoUniversity Health Network
Organismes subventionnairesCanadian Institutes of Health ResearchMichael J. Fox Foundation for Parkinson's Research
Mots-clésDeep brain stimulationArtificial intelligenceAutoencoderSupport vector machineComputer scienceFeature extractionPattern recognition (psychology)Functional magnetic resonance imagingMultilayer perceptronMachine learningBrain stimulationParkinson's diseaseDeep learningArtificial neural networkStimulationMedicinePsychologyNeuroscienceDiseasePathology

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Abstract Optimized deep brain stimulation (DBS) is fast becoming a therapy of choice for the treatment of Parkinson’s disease (PD). However, the post-operative optimization (patient clinical benefits are maximized and adverse effects are minimized) of the large number of possible DBS parameter settings (signal frequency, voltage, pulse width and contact locations) using the current empirical protocol requires numerous clinical visits, which substantially increases the time to reach optimal DBS stimulation, patient cost burden and ultimately limits the number of patients who can undergo DBS treatment. These issues became even more problematic with the recent introduction of electrode models with stimulation directionality thereby enabling more complex stimulation paradigms. These difficulties have necessitated the search for a biomarker-based optimization method that will streamline the DBS optimization process. Our recently published functional magnetic resonance imaging (fMRI) and machine learning-assisted DBS parameter optimization for PD treatment has provided a way to rapidly classify DBS parameters using parcel-based features that were extracted from DBS-fMRI response maps. However, the parcel-based method had limited accuracy as the parcels are based on subjective literature review. Here, we propose an unsupervised autoencoder (AE) based extraction of features from the DBS-fMRI responses to improve this accuracy. We demonstrate the usage of the extracted features in classification methods such as multilayer perceptron (MLP), random forest (RF), support vector machine (SVM), k-nearest neighbors (KNN) and LDA. We trained and tested these five classification algorithms using 122 fMRI response maps of 39 PD patients with a priori clinically optimized DBS parameters. Further, we investigated the robustness of the AE-based feature extraction method to changes in the activation patterns of the DBS-fMRI responses, which may be caused by difference in stimulation side and disease condition. Changes in the locations of activated and deactivated brain regions was simulated using a left-right horizontal flipping of the original left-sided (or nominal) DBS-fMRI response maps. The visualization of AE-based features extracted from the nominal and flipped DBS-fMRI response maps formed optimal and non-optimal clusters in a neuro-functionally meaningful manner, which indicate robustness of the AE-based feature extraction to subtle differences in the activated regions of DBS-fMRI response maps. The MLP, RF, SVM and LDA methods gave an overall DBS parameter classification accuracy of 96%, 94%, 92% and 93% respectively when trained using the AE-extracted features from the nominal DBS-fMRI maps. The AE-based MLP, RF, SVM and LDA accuracies were higher than the overall accuracy (81%) of our initial parcel-based LDA method. The performance of an AE-MLP model trained using the nominal DBS-fMRI maps did not change significantly when the model was tested on the flipped DBS-fMRI responses. We showed that the MLP method combined with AE-based feature extraction is best suited for fMRI-based DBS parameter optimization and represents another step towards a proposed digital tool for rapid semi-automated biomarker-based DBS optimization.

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)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,001
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: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,003
Score d'incertitude au seuil0,005

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0000,000
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0000,000
Science ouverte0,0000,000
Intégrité de la recherche0,0010,001
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 Opus0,046
Tête enseignante GPT0,329
Écart entre enseignants0,283 · 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

Citations2
Publié2024
Routes d'admission2
Résumé présentoui

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