支持向量机宽度学习多模态磁共振早期诊断神经精神性狼疮研究

来源 :汕头大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:comeonlinli
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目的:研究基于机器学习(Machine learning)理论和方法的磁共振频谱(Magnetic resonance spectroscopy,MRS)、扩散峰度成像(Diffusional kurtosis imaging,DKI)、基于体素的形态学测量(Voxel based morphometry,VBM)等磁共振技术,提出一种有效的机器学习方法,结合多模态磁共振技术,找出一个无创、客观的智能诊断模型,早期诊断神经精神性狼疮(Neuropsychiatric systemic lupus erythematosus,NPSLE)。方法:所有被试分为NPSLE组和健康对照组(Healthy control,HC),均进行3T磁共振检查,包括常规磁共振扫描、MRS、DKI和三维脑容积成像(Three-dimensional brain volume imaging,3D-BRAVO)等序列。分析数据以获取所有被试的以下信息:双侧扣带回后部(Posterior cingulate gyrus,PCG)、双侧背侧丘脑(Dorsal thalamus,DT)、双侧豆状核(Lentiform nucleus,LN)、双侧侧脑室后角旁白质区(Posterior horn of the lateral ventricle paratrigonal white matter,PWM)以及右侧岛叶(Right insular,RI)的N-乙酰天门冬氨酸(N-acetylaspartate,NAA)、N-乙酰门冬氨酸谷氨酸(N-acetylaspartyl glutamate NAAG)、胆碱(Glycerophosphocholine,GPC/Cho)、磷酸胆碱(Phosphocholine,Pch)、肌酸(Creatine,Cr)、磷酸肌酸(Phosphocreatine,PCr),谷氨酸(Glutamate,Glu)、谷氨酰胺(Glutamine,Gln)、肌醇(Myo-inositol,m I/Ins)的绝对浓度,与代谢物浓度的比值。双侧PCG、双侧DT、双侧LN和双侧PWM的各向异性分布(Fractional anisotropy,FA)值,平均扩散张量(Mean diffusivity,MD)值,平均扩散峰度(Mean kurtosis,MK)值与经过VBM处理得到的脑灰质、脑白质和脑脊液体积等。提出一种机器学习模型,(1)结合MRS/DKI/VBM数据建立单模态机器学习模型检测对NPSLE的诊断效能。(2)结合MRS与DKI,或MRS与VBM,以及DKI与VBM,建立双模态机器学习模型;(3)结合MRS、DKI和VBM的数据,建立多模态机器学习模型。结果:本研究提出了一种机器学习模型:基于支持向量机的宽度学习系统(Support vector machine based on broad learning system,BL-SVM)。基于BL-SVM所建立的MRS单模态机器学习模型,区分健康志愿者和神经精神性狼疮,获得的准确率、敏感性和特异性分别为95%、100%和90%。DKI单模态机器学习模型准确率、敏感性和特异性分别为59%、78%和40%。VBM单模态机器学习模型准确率、敏感性和特异性分别为58%、78%和45%。双模态机器学习模型(MRS+DKI)-(BL-SVM)的准确率、敏感性和特异性分别为:95%、100%和90%。(MRS+VBM)-(BL-SVM)的双模态机器学习模型,准确率、敏感性和特异性分别为:85%、95%和75%。(DKI+VBM)-(BL-SVM)的双模态机器学习模型准确性、敏感性和特异性分别为:68%、81.7%和55%。而结合MRS、DKI与VBM的多模态磁共振数据作为输入特征,组成的多模态磁共振机器学习模型,区分健康志愿者和神经精神性狼疮,得到的准确率、敏感性和特异性分别是97.5%、100%和95%。结论:基于多模态磁共振数据建立的机器学习模型诊断效能最好;主要的贡献来源于MRS所代表的特征,DKI和VBM所代表的特征对诊断NPSLE敏感性和特异性较低。因此,基于BL-SVM的MRS是本研究所得出的最佳NPSLE诊断模型。该诊断模型为以后临床早期诊断NPSLE提供了一种无创、无辐射、便捷、客观的诊断手段。
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