Diagnosis of Alzheimer's disease via optimized lightweight convolution-attention and structural MRI

神经影像学 计算机科学 机器学习 认知 认知障碍 人工智能 深度学习 神经科学 心理学
作者
Uttam Khatri,Goo‐Rak Kwon
出处
期刊:Computers in Biology and Medicine [Elsevier BV]
卷期号:171: 108116-108116 被引量:8
标识
DOI:10.1016/j.compbiomed.2024.108116
摘要

Alzheimer's disease (AD) poses a substantial public health challenge, demanding accurate screening and diagnosis. Identifying AD in its early stages, including mild cognitive impairment (MCI) and healthy control (HC), is crucial given the global aging population. Structural magnetic resonance imaging (sMRI) is essential for understanding the brain's structural changes due to atrophy. While current deep learning networks overlook voxel long-term dependencies, vision transformers (ViT) excel at recognizing such dependencies in images, making them valuable in AD diagnosis. Our proposed method integrates convolution-attention mechanisms in transformer-based classifiers for AD brain datasets, enhancing performance without excessive computing resources. Replacing multi-head attention with lightweight multi-head self-attention (LMHSA), employing inverted residual (IRU) blocks, and introducing local feed-forward networks (LFFN) yields exceptional results. Training on AD datasets with a gradient-centralized optimizer and Adam achieves an impressive accuracy rate of 94.31% for multi-class classification, rising to 95.37% for binary classification (AD vs. HC) and 92.15% for HC vs. MCI. These outcomes surpass existing AD diagnosis approaches, showcasing the model's efficacy. Identifying key brain regions aids future clinical solutions for AD and neurodegenerative diseases. However, this study focused exclusively on the AD Neuroimaging Initiative (ADNI) cohort, emphasizing the need for a more robust, generalizable approach incorporating diverse databases beyond ADNI in future research.
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