Source Free Semi-Supervised Transfer Learning for Diagnosis of Mental Disorders on fMRI Scans

学习迁移 计算机科学 人工智能 机器学习 深度学习 神经影像学 一般化 领域(数学分析) 半监督学习 特征(语言学) 模式识别(心理学) 精神科 哲学 数学分析 心理学 语言学 数学
作者
Yao Hu,Zhi-An Huang,Rui Liu,Xiaoming Xue,Xiaoyan Sun,Linqi Song,Kay Chen Tan
出处
期刊:IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence [IEEE Computer Society]
卷期号:45 (11): 1-18 被引量:30
标识
DOI:10.1109/tpami.2023.3298332
摘要

The high prevalence of mental disorders gradually poses a huge pressure on the public healthcare services. Deep learning-based computer-aided diagnosis (CAD) has emerged to relieve the tension in healthcare institutions by detecting abnormal neuroimaging-derived phenotypes. However, training deep learning models relies on sufficient annotated datasets, which can be costly and laborious. Semi-supervised learning (SSL) and transfer learning (TL) can mitigate this challenge by leveraging unlabeled data within the same institution and advantageous information from source domain, respectively. This work is the first attempt to propose an effective semi-supervised transfer learning (SSTL) framework dubbed S3TL for CAD of mental disorders on fMRI data. Within S3TL, a secure cross-domain feature alignment method is developed to generate target-related source model in SSL. Subsequently, we propose an enhanced dual-stage pseudo-labeling approach to assign pseudo-labels for unlabeled samples in target domain. Finally, an advantageous knowledge transfer method is conducted to improve the generalization capability of the target model. Comprehensive experimental results demonstrate that S3TL achieves competitive accuracies of 69.14%, 69.65%, and 72.62% on ABIDE-I, ABIDE-II, and ADHD-200 datasets, respectively. Furthermore, the simulation experiments also demonstrate the application potential of S3TL through model interpretation analysis and federated learning extension.
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