基于大脑混合功能网络拓扑参数与机器学习的阿尔茨海默症分类模型构建及优化
Construction and Optimization of Alzheimer's Disease Classification Model Based on Brain Mixed Function Network Topology Parameters and Machine Learning
摘要目的:探究阿尔茨海默病(AD)患者功能磁共振成像(fMRI)中大脑功能网络与特征之间的相互关系,构建混合功能网络(MFN),并将其应用于机器学习分类模型中,提高对AD分类的准确率.方法:回顾性分析阿尔茨海默症神经影像学倡议(ADNI)数据集中AD患者102例、健康受试者227例的临床资料,计算血氧水平依赖(BOLD)信号的偏相关脑网络并与低频波动振幅(ALFF)、分数低频波动振幅(fALFF)和局部一致性(ReHo)特征进行融合,构建MFN.提取网络拓扑参数,并基于MFN的拓扑参数构建多种机器学习分类模型,采用准确率、精确率、召回率及曲线下面积(AUC)评估模型的预测效能.结果:通过构建MFN、计算组内-组间比(IIGR),可以从ALFF、fALFF和ReHo特征拓扑参数分析中得到35个特征,经过秩和检验与FDR校正,共有28个特征之间存在统计学差异(P<0.05).分类结果表明,5种分类器在测试数据集上均展现出较高的分类性能.其中随机森林(RF)、自适应提升算法(AdaBoost)、引导聚集算法(Bagging)、支持向量机(SVM)四类模型的准确率、精确率及召回率均达到99.7%,且AUC值分别高达100%、99.5%、99.1%和99.5%.多层感知机(MLP)的准确率(98.5%)、精确率(98.5%)、召回率(98.5%)及AUC(99.1%)略低于其他模型,但仍保持优异水平.值得注意的是,RF的AUC值达到100.0%,为所有模型中最高,而Bagging的AUC值(99.1%)在集成方法中相对最低.性能比较结果显示,MFN分类模型与传统方法相比,能够显著改善对AD疾病识别和分类的效果,并且大幅度提高分类器各项指标的表现能力.结果显示,MFN分类模型在准确度(99.13%)、AUC(99.42%)、召回率(99.46%)和特异度(99.42%)等关键指标均优于基于智能分类的融合、基于DBN的多任务学习、HPT-TSVM、无监督学习和聚类、3次多项式核函数的SVM、SVM与血浆蛋白、机器学习算法.进一步证明了 MFN分类模型在AD疾病分类中具有较好的泛化能力和鲁棒性.结论:基于MFN的拓扑参数与机器学习构建的AD分类模型可以提高对AD分类的准确率.
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