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  • [Neural Netw.] Predicting progression of Alzheimer's disease using forward-to-backward bi-directional network with integrative imputation

    2022년 08월호
    [Neural Netw.] Predicting progression of Alzheimer's disease using forward-to-backward bi-directional network with integrative imputation

    전남대 / Ngoc-Huynh Ho, 양형정*

  • 출처
    Neural Netw.
  • 등재일
    2022 Jun
  • 저널이슈번호
    150:422-439. doi: 10.1016/j.neunet.2022.03.016. Epub 2022 Mar 17.
  • 내용

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    Abstract
    If left untreated, Alzheimer's disease (AD) is a leading cause of slowly progressive dementia. Therefore, it is critical to detect AD to prevent its progression. In this study, we propose a bidirectional progressive recurrent network with imputation (BiPro) that uses longitudinal data, including patient demographics and biomarkers of magnetic resonance imaging (MRI), to forecast clinical diagnoses and phenotypic measurements at multiple timepoints. To compensate for missing observations in the longitudinal data, we use an imputation module to inspect both temporal and multivariate relations associated with the mean and forward relations inherent in the time series data. To encode the imputed information, we define a modification of the long short-term memory (LSTM) cell by using a progressive module to compute the progression score of each biomarker between the given timepoint and the baseline through a negative exponential function. These features are used for the prediction task. The proposed system is an end-to-end deep recurrent network that can accomplish multiple tasks at the same time, including (1) imputing missing values, (2) forecasting phenotypic measurements, and (3) predicting the clinical status of a patient based on longitudinal data. We experimented on 1,335 participants from The Alzheimer's Disease Prediction of Longitudinal Evolution (TADPOLE) challenge cohort. The proposed method achieved a mean area under the receiver-operating characteristic curve (mAUC) of 78% for predicting the clinical status of patients, a mean absolute error (MAE) of 3.5ml for forecasting MRI biomarkers, and an MAE of 6.9ml for missing value imputation. The results confirm that our proposed model outperforms prevalent approaches, and can be used to minimize the progression of Alzheimer's disease.

     

     

    Affiliations

    Ngoc-Huynh Ho  1 , Hyung-Jeong Yang  2 , Jahae Kim  3 , Duy-Phuong Dao  4 , Hyuk-Ro Park  5 , Sudarshan Pant  6
    1 Department of AI Convergence, Chonnam National University, 61186, South Korea. Electronic address: nhho@chonnam.ac.kr.
    2 Department of AI Convergence, Chonnam National University, 61186, South Korea. Electronic address: hjyang@jnu.ac.kr.
    3 Department of AI Convergence, Chonnam National University, 61186, South Korea; Department of Nuclear Medicine, Chonnam National University Hospital, 61469, South Korea. Electronic address: jhbt0607@daum.net.
    4 Department of AI Convergence, Chonnam National University, 61186, South Korea. Electronic address: phuongdd.1997@gmail.com.
    5 Department of AI Convergence, Chonnam National University, 61186, South Korea. Electronic address: hyukro@jnu.ac.kr.
    6 Department of AI Convergence, Chonnam National University, 61186, South Korea. Electronic address: sudarshan.pant@gmail.com.

  • 키워드
    Alzheimer’s progression; Clinical status prediction; MRI biomarker forecasting; Missing value imputation; Progressive recurrent networks.
  • 연구소개
    본 연구에서는 알츠하이머병의 진행 예측을 위해 양방향의 전진순환네트워크를 제안합니다. 이 모델은 환자 인구통계 데이터와 자기공명영상(MRI)의 바이오마커를 포함한 종단 데이터를 사용하여 여러 시점에서 임상 진단 및 표현형 예측을 실행합니다. 종단 데이터에서 누락된 관측치를 생성하기 위해, 제안된 결측치 예측 모듈은 시계열 데이터에 내재된 평균 및 순방향 관계와 관련된 시간적 및 다변량 관계를 사용합니다. 제안하는 변형된 장단기 기억(LSTM) 셀은 음의 지수 함수를 통해 주어진 시점과 기준점 사이의 각 바이오마커의 진행 점수를 계산하기 위해 전진모듈을 사용합니다. 본 연구에서 사용된 종단간(End-to=End) 심층 순환 네트워크 모델은 (1) 결측값 대치, (2) 표현형 측정 예측, (3) 종단 데이터를 기반으로 한 환자의 임상 상태 예측 모듈을 포함합니다. 알츠하이머병 종적 진화 예측(TADPOLE) 챌린지 코호트에서 1,335명의 데이터로 실험을 진행하였고, mAUC(Receiver-Operating Characteristic Curve)지표로 환자의 임상 상태 예측에 78%를 달성하였으며, MRI 바이오마커예측에 3.5ml의 평균 절대 오차(MAE) 및 결측값 대치에 6.9ml의 MAE. 결과를 보였습니다. 제안된 모델은 기존의 방법에 비해 우수한 예측 성능으로 알츠하이머병의 진행을 예측하여 진단과 치료의 보조 자료로 사용될 수 있을 것으로 기대합니다.
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