Published April 28, 2022 | Version v1
Publication Open

Fusing Multimodal and Anatomical Volumes of Interest Features Using Convolutional Auto-Encoder and Convolutional Neural Networks for Alzheimer's Disease Diagnosis

  • 1. Shenzhen University Health Science Center
  • 2. Higher Institute of Engineering

Description

Alzheimer's disease (AD) is an age-related disease that affects a large proportion of the elderly. Currently, the neuroimaging techniques [e.g., magnetic resonance imaging (MRI) and positron emission tomography (PET)] are promising modalities for AD diagnosis. Since not all brain regions are affected by AD, a common technique is to study some region-of-interests (ROIs) that are believed to be closely related to AD. Conventional methods used ROIs, identified by the handcrafted features through Automated Anatomical Labeling (AAL) atlas rather than utilizing the original images which may induce missing informative features. In addition, they learned their framework based on the discriminative patches instead of full images for AD diagnosis in multistage learning scheme. In this paper, we integrate the original image features from MRI and PET with their ROIs features in one learning process. Furthermore, we use the ROIs features for forcing the network to focus on the regions that is highly related to AD and hence, the performance of the AD diagnosis can be improved. Specifically, we first obtain the ROIs features from the AAL, then we register every ROI with its corresponding region of the original image to get a synthetic image for each modality of every subject. Then, we employ the convolutional auto-encoder network for learning the synthetic image features and the convolutional neural network (CNN) for learning the original image features. Meanwhile, we concatenate the features from both networks after each convolution layer. Finally, the highly learned features from the MRI and PET are concatenated for brain disease classification. Experiments are carried out on the ADNI datasets including ADNI-1 and ADNI-2 to evaluate our method performance. Our method demonstrates a higher performance in brain disease classification than the recent studies.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

مرض الزهايمر (AD) هو مرض مرتبط بالعمر يصيب نسبة كبيرة من كبار السن. في الوقت الحالي، تعد تقنيات التصوير العصبي [على سبيل المثال، التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)] طرائق واعدة لتشخيص مرض الزهايمر. نظرًا لعدم تأثر جميع مناطق الدماغ بمرض الزهايمر، فإن التقنية الشائعة هي دراسة بعض مناطق الاهتمام (ROIs) التي يُعتقد أنها مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بمرض الزهايمر. تستخدم الطرق التقليدية العائد على الاستثمار، التي تحددها الميزات المصنوعة يدويًا من خلال أطلس الوسم التشريحي الآلي (AAL) بدلاً من استخدام الصور الأصلية التي قد تحفز ميزات إعلامية مفقودة. بالإضافة إلى ذلك، تعلموا إطار عملهم بناءً على التصحيحات التمييزية بدلاً من الصور الكاملة لتشخيص مرض الزهايمر في مخطط التعلم متعدد المراحل. في هذه الورقة، ندمج ميزات الصورة الأصلية من التصوير بالرنين المغناطيسي والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني مع ميزات عائد الاستثمار في عملية تعلم واحدة. علاوة على ذلك، نستخدم ميزات عائد الاستثمار لإجبار الشبكة على التركيز على المناطق ذات الصلة الوثيقة بمرض الزهايمر، وبالتالي، يمكن تحسين أداء تشخيص مرض الزهايمر. على وجه التحديد، نحصل أولاً على ميزات عائد الاستثمار من AAL، ثم نسجل كل عائد استثمار مع المنطقة المقابلة له من الصورة الأصلية للحصول على صورة اصطناعية لكل طريقة لكل موضوع. بعد ذلك، نستخدم شبكة الترميز التلقائي التلافيفية لتعلم ميزات الصورة الاصطناعية والشبكة العصبية التلافيفية (CNN) لتعلم ميزات الصورة الأصلية. وفي الوقت نفسه، نقوم بتسلسل الميزات من كلتا الشبكتين بعد كل طبقة التفاف. أخيرًا، يتم ربط الميزات المستفادة للغاية من التصوير بالرنين المغناطيسي والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني لتصنيف أمراض الدماغ. يتم إجراء التجارب على مجموعات بيانات ADNI بما في ذلك ADNI -1 و ADNI -2 لتقييم أداء طريقتنا. توضح طريقتنا أداءً أعلى في تصنيف أمراض الدماغ من الدراسات الحديثة.

Translated Description (French)

La maladie d'Alzheimer (MA) est une maladie liée à l'âge qui touche une grande partie des personnes âgées. Actuellement, les techniques de neuroimagerie [par exemple, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et la tomographie par émission de positons (TEP)] sont des modalités prometteuses pour le diagnostic de la MA. Étant donné que toutes les régions du cerveau ne sont pas affectées par la MA, une technique courante consiste à étudier certaines régions d'intérêt (ROI) qui seraient étroitement liées à la MA. Les méthodes conventionnelles utilisaient des roi, identifiés par les caractéristiques artisanales via un atlas d'étiquetage anatomique automatisé (AAL) plutôt que d'utiliser les images originales qui peuvent induire des caractéristiques informatives manquantes. En outre, ils ont appris leur cadre basé sur les correctifs discriminants au lieu d'images complètes pour le diagnostic de la MA dans un schéma d'apprentissage en plusieurs étapes. Dans cet article, nous intégrons les caractéristiques d'image d'origine de l'IRM et de la TEP avec leurs caractéristiques de retour sur investissement dans un seul processus d'apprentissage. En outre, nous utilisons les fonctionnalités roi pour forcer le réseau à se concentrer sur les régions fortement liées à la MA et, par conséquent, les performances du diagnostic de la MA peuvent être améliorées. Plus précisément, nous obtenons d'abord les fonctionnalités roi de l'AAL, puis nous enregistrons chaque roi avec sa région correspondante de l'image originale pour obtenir une image synthétique pour chaque modalité de chaque sujet. Ensuite, nous utilisons le réseau d'auto-encodeur convolutionnel pour apprendre les caractéristiques de l'image synthétique et le réseau neuronal convolutionnel (CNN) pour apprendre les caractéristiques de l'image originale. Pendant ce temps, nous concaténons les caractéristiques des deux réseaux après chaque couche de convolution. Enfin, les caractéristiques hautement apprises de l'IRM et de la TEP sont concaténées pour la classification des maladies du cerveau. Des expériences sont menées sur les ensembles de données ADNI, y compris ADNI-1 et ADNI-2, pour évaluer les performances de notre méthode. Notre méthode démontre une performance plus élevée dans la classification des maladies du cerveau que les études récentes.

Translated Description (Spanish)

La enfermedad de Alzheimer (EA) es una enfermedad relacionada con la edad que afecta a una gran proporción de las personas mayores. Actualmente, las técnicas de neuroimagen [por ejemplo, resonancia magnética (IRM) y tomografía por emisión de positrones (PET)] son modalidades prometedoras para el diagnóstico de la EA. Dado que no todas las regiones del cerebro se ven afectadas por la EA, una técnica común es estudiar algunas regiones de interés (ROI) que se cree que están estrechamente relacionadas con la EA. Los métodos convencionales utilizaron ROI, identificados por las características artesanales a través del Atlas de Etiquetado Anatómico Automatizado (AAL) en lugar de utilizar las imágenes originales que pueden inducir la falta de características informativas. Además, aprendieron su marco basado en los parches discriminatorios en lugar de imágenes completas para el diagnóstico de la EA en un esquema de aprendizaje de varias etapas. En este documento, integramos las características de la imagen original de MRI y PET con sus características de ROI en un solo proceso de aprendizaje. Además, utilizamos las funciones de ROI para obligar a la red a centrarse en las regiones que están altamente relacionadas con la EA y, por lo tanto, se puede mejorar el rendimiento del diagnóstico de EA. Específicamente, primero obtenemos las características de ROI de la AAL, luego registramos cada ROI con su región correspondiente de la imagen original para obtener una imagen sintética para cada modalidad de cada tema. Luego, empleamos la red de autocodificador convolucional para aprender las características de la imagen sintética y la red neuronal convolucional (CNN) para aprender las características de la imagen original. Mientras tanto, concatenamos las características de ambas redes después de cada capa de convolución. Finalmente, las características altamente aprendidas de la resonancia magnética y la PET se concatenan para la clasificación de enfermedades cerebrales. Los experimentos se llevan a cabo en los conjuntos de datos de ADNI, incluidos ADNI-1 y ADNI-2, para evaluar el rendimiento de nuestro método. Nuestro método demuestra un mayor rendimiento en la clasificación de enfermedades cerebrales que los estudios recientes.

Files

pdf.pdf

Files (6.5 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:bf2ee2fe6002c6889b8cf0cf4ad17ee2
6.5 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
دمج الأحجام المتعددة الوسائط والتشريحية ذات الأهمية باستخدام الترميز التلقائي التلافي والشبكات العصبية التلافيفية لتشخيص مرض الزهايمر
Translated title (French)
Fusion des caractéristiques multimodales et anatomiques des volumes d'intérêt à l'aide d'un encodeur automatique convolutif et de réseaux neuronaux convolutifs pour le diagnostic de la maladie d'Alzheimer
Translated title (Spanish)
Fusión de Volúmenes Multimodales y Anatómicos de Interés Utilizando Auto-Encodificador Convolucional y Redes Neuronales Convolucionales para el Diagnóstico de la Enfermedad de Alzheimer

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4224986648
DOI
10.3389/fnagi.2022.812870

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Egypt

References

  • https://openalex.org/W1521781547
  • https://openalex.org/W1892035143
  • https://openalex.org/W1992117549
  • https://openalex.org/W2000292092
  • https://openalex.org/W2054540100
  • https://openalex.org/W2058046532
  • https://openalex.org/W2085885728
  • https://openalex.org/W2126598020
  • https://openalex.org/W2136573752
  • https://openalex.org/W2146089088
  • https://openalex.org/W2147800946
  • https://openalex.org/W2169366712
  • https://openalex.org/W2171405125
  • https://openalex.org/W2179914359
  • https://openalex.org/W2345678177
  • https://openalex.org/W2527896982
  • https://openalex.org/W2577040328
  • https://openalex.org/W2737584517
  • https://openalex.org/W2743129437
  • https://openalex.org/W2765741717
  • https://openalex.org/W2783188875
  • https://openalex.org/W2788043421
  • https://openalex.org/W2791282053
  • https://openalex.org/W2899335103
  • https://openalex.org/W2905035821
  • https://openalex.org/W2942489367
  • https://openalex.org/W2942882625
  • https://openalex.org/W2944541202
  • https://openalex.org/W2957099944
  • https://openalex.org/W2991909137
  • https://openalex.org/W3097518530
  • https://openalex.org/W3112381424
  • https://openalex.org/W3118857593
  • https://openalex.org/W3120990036
  • https://openalex.org/W3127167602
  • https://openalex.org/W3137199127
  • https://openalex.org/W3154068005
  • https://openalex.org/W3172546465
  • https://openalex.org/W3178350790
  • https://openalex.org/W4301027851