4DfCF: 4D fMRI CrossFormer Vision Transformer

计算机科学 功能磁共振成像 神经影像学 人工智能 可扩展性 自闭症 机器学习 召回 计算模型 认知 过程(计算) 深度学习 水准点(测量) 模式识别(心理学) 数据建模 自闭症谱系障碍 磁共振成像 变压器 大脑活动与冥想 人工神经网络 精确性和召回率 成对比较 医学影像学 人脑 功能成像 大脑定位 编码(内存)
作者
Chensheng Zheng,Shaker El–Sappagh,Tamer Abuhmed
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:30 (6): 5114-5127 被引量:1
标识
DOI:10.1109/jbhi.2025.3631655
摘要

Investigating the spatiotemporal dynamics of the human brain is a complex challenge due to the intricate nature of brain networks, and the limitations of current analytical methods. Herein, we introduce the 4D functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) CrossFormer (4DfCF), a novel vision transformer architecture designed to process high-dimensional 4D fMRI data. This model integrates temporal and spatial dimensions to effectively learn and predict cognitive and clinical outcomes. We further evaluated the 4DfCF on three benchmark datasets: Attention Deficit Hyperactivity Disorder-200 (ADHD-200), Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative (ADNI), and Autism Brain Imaging Data Exchange (ABIDE). The results showed that our model consistently outperforms state-of-the-art baseline models, achieving an accuracy improvement of 5-10%, a precision increase of 4-8%, a recall enhancement of 6-9%, and an F1-score boost of 7-11% . Additionally, the 4D fMRI CrossFormer-Tiny variant demonstrated greater efficiency than existing methods, using 20% fewer computational resources and achieving 30% faster training times. Pre-training experiments further reveal that models pre-trained on one dataset and fine-tuned on another achieved faster convergence and higher accuracy, with the Autism Brain Imaging Data Exchange (ABIDE) pre-trained models showing the best performance. Additionally, we employed an explainable AI method to identify the brain regions associated with disease diagnosis. Overall, our findings highlight the potential of the 4DfCF to advance precision neuroscience through efficient and scalable analysis of complex fMRI data.
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