利用神经影像学和机器学习(ML)精神分裂症(深圳)患者与正常对照组(nc)和检测异常的大脑区域在精神分裂症有几个好处,可以为精神分裂症的临床诊断提供参考。在这项研究中,结构磁共振图像(sMRIs)从深圳病人和nc用于区别的分析。本研究提出了一个基于而且毫升框架特征选择。拟议的框架使用的两个示例<我t一个lic> t我t一个lic>首先测试提取组之间的差异,然后进一步消除nonrelevant和冗余特性与递归特性消除(RFE),最后利用支持向量机(SVM)学习所选择的决策模型与灰质(GM)和白质(WM)特性。先前的研究倾向于报告差异组级别而不是在个体层面,不能广泛应用。在这项研究中提出的方法诊断延伸到个人层面,比先前的方法识别率更高。本研究的实验结果表明,该框架区分SZ病人从nc,最高的分类精度达到85%以上。确定生物标志物也与之前的文献研究结果一致。作为一个通用方法,该框架可以扩展到诊断其他疾病。
精神分裂症(深圳)是一组主要精神疾病的病因不明。深圳所有精神疾病的患病率最高,极难治疗。在过去的几十年里,许多神经成像研究已经证明,精神分裂症是一种障碍涉及广泛的脑结构异常(
目前,深圳主要取决于医生的诊断和监测的判断通过病人的临床反应,历史,和神经系统检查。深圳的诊断和监测主要是依靠医生的临床经验和相关知识。换句话说,这种主观判断可能会增加风险,深圳的诊断和治疗。更准确的诊断,神经影像学方法已被广泛用于研究大脑形态,它提供了重要的信息关于可能的病理生理机制
由于其良好的对比度和空间分辨率高,结构磁共振成像(sMRI)已成为最流行的一种神经成像模式(
为了克服传统统计分析的缺点,机器学习(ML)技术已经应用于分析神经影像数据。这些技术可以提取稳定的结构或功能模式从神经影像数据和寻找重要neuroimaging-based生物标记的可能是有用的。目前,有前景的结果已经报道了深圳的分类患者和nc (
sMRI最常见的特点是所谓的脑组织体积(从分布形态测量学)。然而,太多的存在无关紧要的功能可以大大降低分类精度,特别是在神经影像学研究。预处理脑MRI可能包含> 100000非零像素点。相比之下,样本容量(或观察)的往往是小于1000 (
对于大多数监督毫升研究,相应的监督特征选择方法使用高维神经影像数据和所需的结果标签(例如,+ 1治疗反应和−1 nonresponders)选择相关特性和丢弃冗余特性和噪声(
最近的一项研究[
作为一个有效的特征选择算法,递归特性消除(RFE)评估每个特性的贡献,然后迭代特性消除了最小的贡献(
我们工作的贡献包括以下:
我们开发了一个机器学习框架,区分深圳nc的病人。拟议中的机器学习框架采用而且方法大致降低特征维数的两个示例<我t一个lic> t我t一个lic>测试与RFE,然后进一步。分层特征选择有利于保护和消除冗余的信息功能。此外,而且特征选择易于使用识别精神分裂症的生物标志物(异常的大脑区域)。该机器学习框架并不适用于精神分裂症。也可以推广到其他疾病对患者进行分类,并根据sMRI nc。
实验结果表明,该方法实现了比其他方法更好的分类性能。此外,确定了生物标志物的发现是一致的以前的相关研究工作。
以往的研究工作主要集中在灰质和白质很少调查在精神分裂症患者。本研究分析分别灰质和白质和发现白质有区别的能力比灰质,为临床诊断提供参考。
本研究中使用的成像数据和表型信息获得生物医学研究中心的卓越(图)的数据集,这是收集和共享的思想研究网络和新墨西哥大学的(
在这项研究中,我们选择34偏执型精神分裂症患者和34名正常对照组的数据集。选中的受试者右手20至60岁之间。所有受试者检查和排除,如果他们有一个神经错乱的历史,历史的精神发育迟滞,严重的头部外伤史超过5分钟的意识丧失,或物质滥用或依赖的历史在过去12个月。使用结构化的临床诊断信息收集面试DSM障碍(SCID)。报告的人口分布表
深圳和nc患者的人口统计信息。
| 深圳 | 数控 | |
|---|---|---|
| 性别(M / F) | 27/7 | 23/11 |
| 年龄 | 36.85±10.91 | 39.53±10.59 |
注:深圳,精神分裂症;数控,正常的控制;米,男;F,女性。
所有sMRI数据获得多次回声MPRAGE (MEMPR)序列。使用的参数是一个重复时间2530毫秒(TR);回波时间(te)的1.64,3.5,5.36,7.22,和9.08毫秒;900毫秒的时间反演(TI);一个视场(视野)256×256毫米;256×256×176的矩阵;一个翻转7°角;立体像素大小为1×1×1毫米;176毫米的板厚度;5的回声; and a total scan time of 6 min.
sMRI数据分析与统计参数映射(SPM)软件包SPM8 (Wellcome成像神经科学部门,伦敦,英国;
预处理步骤后,基于而且特征选择方法进行了减少维数的功能。首先,两个示例<我t一个lic>
t我t一个lic>测试进行了大致选择特性,然后,RFE被用来进一步消除nonrelevant和冗余功能。最后,一个线性SVM分类器训练分类深圳病人和nc。提出的工作流机器学习框架如图
提出的工作流图框架。框架包含了三个阶段:(1)预处理阶段,规范化的大脑不同学科标准MNI空间,段灰质(GM),白质(WM)和脑脊液(CSF),抚平压降低噪声的影响;(2)特征选择阶段,它使用两个示例<我t一个lic> t我t一个lic>测试和RFE选择区别的特性,而且方法;(3)功能分类阶段,采用线性SVM分类特性。
获得良好的分类性能,两个示例<我t一个lic> t我t一个lic>测试是用来执行一个粗略的初步选择。然后,RFE被用来进一步选择区别的特征。
由于大量的冗余信息在sMRI,两个示例<我t一个lic>
t我t一个lic>测试最初被用来屏幕体素。作为一个经典的统计分析方法,两个示例<我t一个lic>
t我t一个lic>测试可以通过计算提取组间显著差异统计学意义价值。假设<我nline-formula>
RFE [
目前,大多数研究[
以软边缘支持向量机为例,假设<我nline-formula>
自上述优化问题难以解决,可以写成一个对偶问题使用拉格朗日乘数方法如下:
评估每个特性的贡献,重量<我nline-formula>
随后,重复上述过程,直到达到终止条件或直到特性集<我nline-formula>
流程图的递归特性消除。整个流程包括三个阶段:获得观测样本的权重<我nline-formula>
评估方法的性能强劲,分析交叉验证(厕所)应用于本研究。假设有<我nline-formula>
验证的性能而且特征选择提出了在这项研究中,我们比较它与其他六个机器学习方法:(1)直接利用支持向量机(SVM)进行分类,(2)使用两个示例<我t一个lic> t我t一个lic>测试选择特征和支持向量机分类t + SVM(2),(3)使用RFE选择特征和支持向量机分类(RFE + SVM),(4)使用主成分分析(PCA)和支持向量机分类(PCA + SVM),(5)使用独立分量分析(ICA)和支持向量机分类(ICA + SVM),并使用基于树的特征选择(6)和支持向量机分类(TBFS + SVM)。此外,测试的性能提出了机器学习框架,我们将它与其他框架,选择特性大致基于2 t,执行PCA (ICA TBFS),然后应用SVM的分类(2 t + PCA +支持向量机,2 t + ICA +支持向量机,2 t + TBFS + SVM)。最后,我们分析了深圳的生物标志物使用而且功能选择。
一个线性支持向量机应用在这项研究中,和先前的研究
保留功能的数量使用RFE时对结果产生重大影响。我们测试了不同数量的保留特性的影响结果。实验结果显示,保留40%和14%的通用和WM的体素,分别使用一个消除体素每一轮的5%的比例达到最佳性能。
测试不同的性能<我nline-formula>
三两个示例<我t一个lic>
t我t一个lic>以及地图有不同的<我nline-formula>
三两个示例<我t一个lic>
t我t一个lic>以及地图有不同的<我nline-formula>
基于通用和WM不同方法的结果如表所示
基于通用的分类性能的不同的方法。
| 方法 | ACC | SN | SP | 通用汽车 | DM | F2M |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 支持向量机 | 0.6277 | 0.6923 | 0.5711 | 0.6288 | 0.6167 | 0.6339 |
| 2 t +支持向量机 | 0.6829 | 0.7226 | 0.6431 | 0.6817 | 0.6741 | 0.6812 |
| RFE +支持向量机 | 0.7326 | 0.8427 | 0.6533 | 0.7420 | 0.7321 | 0.7699 |
| PCA +支持向量机 | 0.7057 | 0.7712 | 0.6521 | 0.7092 | 0.7029 | 0.7103 |
| ICA +支持向量机 | 0.6806 | 0.7114 | 0.6862 | 0.6987 | 0.6571 | 0.6968 |
| TBFS +支持向量机 | 0.7118 | 0.8200 | 0.6267 | 0.7169 | 0.7155 | 0.7327 |
| 2 t + PCA + SVM | 0.7981 | 0.8193 | 0.7704 | 0.7945 | 0.7896 | 0.7922 |
| 2 t + ICA + SVM | 0.7504 | 0.7727 | 0.7111 | 0.7413 | 0.7359 | 0.7394 |
| 2 t + TBFS + SVM | 0.7794 | 0.8009 | 0.7484 | 0.7742 | 0.7658 | 0.7701 |
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基于WM分类性能的不同的方法。
| 方法 | ACC | SN | SP | 通用汽车 | DM | F2M |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 支持向量机 | 0.5689 | 0.5674 | 0.5716 | 0.5695 | 0.5621 | 0.5665 |
| 2 t +支持向量机 | 0.7832 | 0.7818 | 0.7871 | 0.7844 | 0.7798 | 0.7788 |
| RFE +支持向量机 | 0.6427 | 0.6700 | 0.6300 | 0.6497 | 0.6418 | 0.6469 |
| PCA +支持向量机 | 0.6172 | 0.5968 | 0.6370 | 0.6166 | 0.6101 | 0.5996 |
| ICA +支持向量机 | 0.5774 | 0.5796 | 0.5830 | 0.5813 | 0.5721 | 0.5740 |
| TBFS +支持向量机 | 0.5879 | 0.5547 | 0.6211 | 0.5867 | 0.5662 | 0.5593 |
| 2 t + PCA + SVM | 0.8372 | 0.8474 | 0.8323 | 0.8398 | 0.8338 | 0.8375 |
| 2 t + ICA + SVM | 0.7992 | 0.7992 | 0.8037 | 0.8014 | 0.7952 | 0.7978 |
| 2 t + TBFS + SVM | 0.8197 | 0.7926 | 0.8351 | 0.8136 | 0.8080 | 0.7965 |
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从表
从表
根据上面的实验中,我们可以看到,而且特征选择选择更有识别力的特性。使用相同的而且机器学习框架,RFE可以实现更好的性能比其他人,和接受者操作特征(ROC)曲线的WM和通用汽车提出了ML框架如图
ROC曲线使用四个而且毫升框架。auc的排名列表2 t + RFE +支持向量机,2 t + ICA +支持向量机,2 t + PCA +支持向量机,2 t + TBFS + SVM。拟议的框架,2 t + RFE +支持向量机,有最好的AUC超过97%。(一)通用。(b) WM。
有识别力的大脑区域(生物标记物)的通用和WM选择方法见图
异常的脑区定位的方法。选中的功能是显示为大脑的一个横截面,扫描每5毫米,红色的大脑区域被选中的地区。每个有识别力的大脑区域包含50多体素,<我nline-formula>
异常的脑区(生物标记物)的通用汽车。
| 位置 | 感兴趣的区域(ROI) | 集群的大小 | MNI坐标 |
|
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|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 光芒四射 | 英航 |
|
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| lCbe9 | 105年 | 5 | 167年 | −6 | −55.5 | −45 | 0.05 |
| rCbe9 | 106年 | - - - - - - | 88年 | 9 | −54 | −45 | 0.05 |
| FFG.R | 56 | 20. | 251年 | 31.5 | −8 | −41.5 | 0.05 |
| rCbeCru1 | 92年 | - - - - - - | 96年 | 34.5 | −63 | −39 | 0.05 |
| lCbeCrul | 91年 | - - - - - - | 168年 | −36 | −53.5 | −37 | 0.05 |
| lCbe6 | 99年 | - - - - - - | 87年 | −36 | −52 | −41.5 | 0.05 |
| lCbe4-5 | 97年 | - - - - - - | 61年 | −18 | −42 | −28.5 | 0.05 |
| ITG.R | 90年 | 20. | 63年 | 55.5 | −30 | −30 | 0.05 |
| MOG.L | 51 | 17 | 127年 | −26.5 | −96.5 | 0 | 0.05 |
| SOG.L | 49 | 17 | 62年 | −22 | −96.5 | 15.5 | 0.05 |
| MTG.R | 86年 | 37 | 311年 | 45.5 | −66 | 14.5 | 0.05 |
| MTG.L | 85年 | 37 | 69年 | −48 | −61.5 | 4.5 | 0.05 |
| IFGtriang.R | 14 | 48 | 60 | 40.5 | 19.5 | 21 | 0.05 |
| SMG.R | 64年 | 48 | 77年 | 51 | −48 | 27 | 0.05 |
| ANG.R | 66年 | 40 | 69年 | 36 | −56 | 37 | 0.05 |
| PoCG.L | 57 | 3 | 87年 | −21 | −34.5 | 58.5 | 0.05 |
异常的脑区(生物标记物)的WM。
| 位置 | 感兴趣的区域(ROI) | 集群的大小 | MNI坐标 |
|
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|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 光芒四射 | 英航 | JHU |
|
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| lCbe8 | 103年 | - - - - - - | - - - - - - | 76年 | −30 | −58.5 | −52.5 | 0.05 |
| rCbe8 | 104年 | - - - - - - | - - - - - - | 79年 | 37.5 | −50 | −40.5 | 0.05 |
| rCbe9 | 106年 | - - - - - - | - - - - - - | 53 | 7.5 | −50 | −45 | 0.05 |
| FFG.R | 56 | 20. | - - - - - - | 256年 | 36 | −12.5 | −34.5 | 0.05 |
| ITG.R | 90年 | 36 | - - - - - - | 78年 | 32.5 | −1 | −41.5 | 0.05 |
| lCbe9 | 105年 | - - - - - - | - - - - - - | 67年 | −9 | −57 | −43.5 | 0.05 |
| FFG.L | 55 | 20. | - - - - - - | 94年 | −32.5 | −10.5 | −30 | 0.05 |
| FFG.R | 56 | 18 | - - - - - - | 66年 | 30. | −81.5 | −10 | 0.05 |
| ORBinf.L | 15 | 47 | - - - - - - | 61年 | −37.5 | 39 | −15 | 0.05 |
| PUT.R | 74年 | 48 | 33 | 136年 | 31.5 | 9 | −6 | 0.05 |
| SOG.R | 50 | 17 | - - - - - - | 72年 | 18 | −102 | −4.5 | 0.05 |
| THA.R | 78年 | - - - - - - | - - - - - - | 239年 | 16.5 | −30 | −1.5 | 0.05 |
| PUT.L | 73年 | 48 | 34 | 127年 | −28.5 | 0 | 4 | 0.05 |
| SOG.L | 49 | 17 | - - - - - - | 92年 | −12 | −100 | 9 | 0.05 |
| IFGoperc.L | 11 | 48 | - - - - - - | 80年 | −48 | 13.5 | 15 | 0.05 |
| CcSum | - - - - - - | - - - - - - | 4 | 73年 | 1。5 | 15 | 16.5 | 0.05 |
| MFG.R | 8 | 48 | - - - - - - | 75年 | 37.5 | 34 | 21.5 | 0.05 |
| CUN.L | 45 | 18 | - - - - - - | 70年 | −7.5 | −79.5 | 22.5 | 0.05 |
| PoCG.R | 58 | 43 | - - - - - - | 86年 | 63年 | −13.5 | 24 | 0.05 |
| IPL.L | 61年 | 40 | - - - - - - | 70年 | −46.5 | −39 | 34.5 | 0.05 |
| Subgyral | - - - - - - | - - - - - - | 26 | 160年 | −21 | 6 | 37.5 | 0.05 |
| PoCG.L | 57 | - - - - - - | - - - - - - | 53 | −19.5 | −43.5 | 43.5 | 0.05 |
| PCUN.R | 68年 | - - - - - - | - - - - - - | 54 | 13.5 | −49.5 | 48 | 0.05 |
前一组级别神经影像数据的统计分析发现一些神经解剖学的深圳病人和nc和功能差异(
验证该方法的性能,我们进行了以下实验:(1)我们使用支持向量机直接在平滑体素。(2)我们使用单一特征选择和支持向量机,如2 t + SVM, RFE + SVM, PCA + SVM, ICA + SVM, TBFS + SVM。(3)我们使用而且为分类特征选择方法,如2 t + PCA +支持向量机,2 t + ICA +支持向量机,2 t + TBFS +支持向量机,2 t + RFE + SVM。实验说明如下:(1)SVM分类与特征选择比直接支持向量机分类,这意味着该特征选择方法可以丢弃冗余特性和提取有用的信息。(2)在单一特征选择框架,2 t + WM SVM取得了良好的结果,但是2 t +支持向量机需要先验知识群体,这可能会导致穷人学习模型的普遍性。此外,使用相同的框架(RFE + SVM, PCA + SVM等与2 t + RFE +支持向量机,2 t + PCA + SVM,等等),综合RFE的框架是更好的,这表明,特征提取的RFE更有效率。(3)而且框架的性能优于单一特征选择方法,这意味着更有效地选择功能等级可以过滤功能。
结构异常一再证明深圳患者相比,nc在之前的核磁共振成像研究
本研究也有一些局限性。首先,一个小样本大小是一个常见的陷阱在大多数类似的研究。提高机器学习方法的普遍性和临床适用性,需要在将来的研究中收集样品。第二,只有sMRI数据调查。多通道数据,如fMRI, DTI,大脑连接数据,仍有待探讨,提供为准确识别和偏侧优势互补或额外的信息在深圳。最后,我们确定了歧视地区基于光芒四射,英航和JHU阿特拉斯、阿特拉斯地区的潜在缺点可能太大或不具体的检测组的差异。
在这项研究中,而且毫升框架研究区分深圳病人从nc和检测生物标志物的深圳使用sMRI。实验表明,特征选择算法可以有效地提高分类的性能。的使用,而且提取的特征选择更有效的信息,大大提高了分类精度。实验也表明,WM的分类性能明显优于通用。因此,可以得出结论,深圳在WM影响更大。这个结论与先前的发现是一致的。此外,而且提出了特征选择有效地定位异常的脑区,它提供了一个有用的援助为深圳的临床诊断。作为一个通用方法,该框架可以扩展到诊断其他疾病。
在当前的研究中使用的数据集可以获得生物医学研究中心的卓越(图)
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
ZhiHong陈、严道和ErLei王本研究同样起到了推波助澜的作用。
这项工作是由中国国家自然科学基金(批准号61502059),中国博士后科学基金(批准号2016 m592656),四川科技项目(批准号2018 jy0272)。作者感谢重点实验室的其他成员的模式识别和智能信息处理在四川人在这项研究提供了援助。