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Identifying autism spectrum disorder in resting-state fNIRS signals based on multiscale entropy and a two-branch deep learning network

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作者
Chang-Jiu Li,Tingzhen Zhang,Jun Li
出处
期刊:Journal of Neuroscience Methods [Elsevier]
卷期号:383: 109732-109732 被引量:7
标识
DOI:10.1016/j.jneumeth.2022.109732
摘要

The demand for early and precise identification of autism spectrum disorder (ASD) presented a challenge to the prediction of ASD with a non-invasive neuroimaging method. A deep learning model was proposed to identify children with ASD using the resting-state functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) signals. In this model, the input was the pattern of brain complexity represented by multiscale entropy of fNIRS time-series signals, with the purpose to solve the problem of deep learning analysis when the raw signals were limited by length and the number of subjects. The model consisted of a two-branch deep learning network, where one branch was a convolution neural network and the other was a long short-term memory neural network based on an attention mechanism. Our model could achieve an identification accuracy of 94%. Further analysis used the SHapley Additive exPlanations (SHAP) method to balance the accuracy and the number of optical channels, thus reducing the complexity of fNIRS experiment. in identification accuracy, our model was about 14% higher than previously used deep learning models with the same input and 4% higher than the same model but directly using fNIRS signals as input. We could obtain a discriminative accuracy of 90% with nearly half of the measurement channels by the SHAP method. Using the pattern of brain complexity as input was effective in the deep learning model when the fNIRS signals were insufficient. With the SHAP method, it was possible to reduce the number of optical channels, while maintaining high accuracy in ASD identification.

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