Using deep Siamese neural networks for detection of brain asymmetries associated with Alzheimer's Disease and Mild Cognitive Impairment

判别式 计算机科学 人工智能 痴呆 阿尔茨海默病 认知障碍 模式识别(心理学) 神经影像学 认知 机器学习 疾病 神经科学 心理学 医学 病理
作者
Chin-Fu Liu,Shreyas Padhy,Sandhya Ramachandran,Victor X. Wang,A.Yu. Efimov,Alonso Bernal,Linyuan Shi,Marc Vaillant,J. Tilak Ratnanather,Andréia V. Faria,Brian Caffo,Marilyn Albert,Michael I. Miller
出处
期刊:Magnetic Resonance Imaging [Elsevier BV]
卷期号:64: 190-199 被引量:73
标识
DOI:10.1016/j.mri.2019.07.003
摘要

In recent studies, neuroanatomical volume and shape asymmetries have been seen during the course of Alzheimer's Disease (AD) and could potentially be used as preclinical imaging biomarkers for the prediction of Mild Cognitive Impairment (MCI) and AD dementia. In this study, a deep learning framework utilizing Siamese neural networks trained on paired lateral inter-hemispheric regions is used to harness the discriminative power of whole-brain volumetric asymmetry. The method uses the MRICloud pipeline to yield low-dimensional volumetric features of pre-defined atlas brain structures, and a novel non-linear kernel trick to normalize these features to reduce batch effects across datasets and populations. By working with the low-dimensional features, Siamese networks were shown to yield comparable performance to studies that utilize whole-brain MR images, with the advantage of reduced complexity and computational time, while preserving the biological information density. Experimental results also show that Siamese networks perform better in certain metrics by explicitly encoding the asymmetry in brain volumes, compared to traditional prediction methods that do not use the asymmetry, on the ADNI and BIOCARD datasets.
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