阿爾茲海默癥(Alzheimer’s Disease,AD)是一種最為常見的神經(jīng)退行性疾病,隨著老齡化的加深,患病人數(shù)逐年上升。AD一經(jīng)發(fā)現(xiàn)難以逆轉(zhuǎn),因此對AD的早期診斷尤為重要。輕度認(rèn)知障礙(Mild Cognitive Impairment,MCI)是介于正常老化與癡呆間的一種中間狀態(tài)。若能對AD、MCI和正常老化(Normal Control,NC)人群進(jìn)行區(qū)分,并對MCI可能轉(zhuǎn)化為AD的患者進(jìn)行早期識別,從而進(jìn)行一些早期的正向干預(yù),將有效延緩AD的發(fā)生。結(jié)構(gòu)磁共振圖像(structural Magnetic Resonance Imaging,sMRI)能以無創(chuàng)的形式捕捉大腦細(xì)微結(jié)構(gòu)異常變化,但用于AD的早期檢測存在著影像數(shù)據(jù)維度高、受試者異質(zhì)性高等現(xiàn)象。深度學(xué)習(xí)算法能從大量高維數(shù)據(jù)中自動(dòng)學(xué)習(xí)特征,減小人工選擇的主觀性,在醫(yī)學(xué)圖像疾病分類和預(yù)測中得到了越來越多的關(guān)注。本文采用深度學(xué)習(xí)中卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,旨在基于sMRI,實(shí)現(xiàn)AD、MCI及NC分類,并對MCI進(jìn)行轉(zhuǎn)化預(yù)測。本文主要研究內(nèi)容包括:1.數(shù)據(jù)選擇和深度學(xué)習(xí)平臺搭建。大數(shù)據(jù)是深度學(xué)習(xí)的基礎(chǔ),自“阿爾茲海默癥神經(jīng)影像學(xué)計(jì)劃”即ADNI(Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative)數(shù)據(jù)庫建立以來,為深度學(xué)習(xí)在AD相關(guān)疾病的發(fā)展應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)素材,但也存在著數(shù)據(jù)庫過于龐大與復(fù)雜等問題,所以本文首先對ADNI進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹以及各個(gè)階段的sMRI數(shù)據(jù)篩選步驟說明。深度學(xué)習(xí)框架及平臺搭建是運(yùn)用深度學(xué)習(xí)算法解決實(shí)際問題中不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié),本文中考慮到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、要求等原因,選擇了在Linux系統(tǒng)下搭建CAFFE框架,并配置了完整的CUDA環(huán)境。2.基于sMRI和深度卷積模型建立AD、LMCI、NC的分類模型研究。雖然深度卷積網(wǎng)絡(luò)的模型在自然圖像的分類中已經(jīng)取得了很高的準(zhǔn)確率,遷移學(xué)習(xí)的方法能將已經(jīng)訓(xùn)練好的模型高效的用在新的數(shù)據(jù)集,從而克服深度學(xué)習(xí)用于醫(yī)學(xué)圖像的個(gè)體差異性與數(shù)量小等問題。本章運(yùn)用遷移學(xué)習(xí)的方法,結(jié)合圖像識別領(lǐng)域著名的深度卷積網(wǎng)絡(luò)AlexNet模型對三種不同的大腦老化階段進(jìn)行分類研究,建立一套完整的AD各病程分類模型。結(jié)果顯示,此分類模型可以對AD、LMCI、NC達(dá)到較好的分類效果。3.MCI轉(zhuǎn)化預(yù)測的研究。本章將MCI患者分為轉(zhuǎn)化型MCI(MCI converters,MCIc)和非轉(zhuǎn)化型MCI(MCI non-converters,MCInc),從而實(shí)現(xiàn)MCI的轉(zhuǎn)化風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測研究,從中篩選出AD患病的高危人群,能夠?qū)D起到積極地防御作用。本章將以上一章的模型為基礎(chǔ),對MCInc與MCIc進(jìn)行轉(zhuǎn)化預(yù)測,并將早期MCI(Early MCI)和晚期MCI(Late MCI)分類。結(jié)果顯示,再次構(gòu)建的MCI轉(zhuǎn)化預(yù)測模型能夠達(dá)到比較理想的效果。本研究基于sMRI數(shù)據(jù),運(yùn)用深度卷積網(wǎng)絡(luò)模型,將AD、MCI、NC各階段的圖像特征進(jìn)行提取,再結(jié)合多種算法將這些特征降維、選擇、分類,從而建立一套完整的模型,以達(dá)到實(shí)現(xiàn)AD各病程分類,以及篩選出MCI階段具有向AD轉(zhuǎn)化的高危人群的目的。
【學(xué)位單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：R445.2;R749.16
【部分圖文】：

絡(luò)（Convolutional Neural Network，CNN）[10-12]，結(jié)構(gòu)示例如圖1-1所示；以及自下而上的非監(jiān)督學(xué)習(xí)，如堆棧自動(dòng)編碼器（StackedAuto Encoder，SAE）[13-17]等，結(jié)構(gòu)示例如圖1-2所示。這兩類學(xué)習(xí)模式都可用于MCI的轉(zhuǎn)換預(yù)測與AD、MCI、NC的分類中。圖 1-1 深度卷積網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu)示例Figure 1-1 Example for CNN model framework圖1-2 深度堆棧自編碼器模型架構(gòu)示例Figure 1-2 Example for SAE model framework

[13-17]等，結(jié)構(gòu)示例如圖1-2所示。這兩類學(xué)習(xí)模式都可用于MCI的轉(zhuǎn)換預(yù)測與AD、MCI、NC的分類中。圖 1-1 深度卷積網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu)示例Figure 1-1 Example for CNN model framework圖1-2 深度堆棧自編碼器模型架構(gòu)示例Figure 1-2 Example for SAE model framework

參數(shù)調(diào)優(yōu)也是一項(xiàng)巨大的工程，這些問題都為直接使用醫(yī)練新的 CNN 模型帶來了困難。在眾多如何將已有的深度學(xué)習(xí)知識運(yùn)用域的解決方案中，遷移學(xué)習(xí)是將已有知識運(yùn)用至未知但相似領(lǐng)域的機(jī)器，目前被廣泛的認(rèn)可。所謂的遷移學(xué)習(xí)來源于機(jī)器學(xué)習(xí)，主要是為了解決傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)無法通過半監(jiān)督算法用少量已標(biāo)注的數(shù)據(jù)建立一個(gè)好的分類器來應(yīng)對注的數(shù)據(jù)的問題[33-34]。大量算法幾乎建立在訓(xùn)練和測試數(shù)據(jù)均滿足相同間和分布�？稍诂F(xiàn)實(shí)運(yùn)用中，重新收集數(shù)據(jù)與訓(xùn)練模型非常不實(shí)際。所決分類、回歸等任務(wù)中的知識遷移就成為了當(dāng)務(wù)之急。早在 1995 nowledge transfer’、‘meta learning’等方法已經(jīng)出現(xiàn)，試圖解決任務(wù)、訓(xùn)試集[35]分布不同。在 2005 年，研究開始致力于解決從一個(gè)或多個(gè)原任息，并將其用于目標(biāo)任務(wù)[36]。這種方式更加注重目標(biāo)任務(wù)，打破了原有中原任務(wù)與目標(biāo)任務(wù)對等的情況，對比示例如圖 1-3 所示。Torrey 等[37遷移學(xué)習(xí)的過程中往往會(huì)比原模型帶來更高的初始準(zhǔn)確率、更大的速率好的收斂性。
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本文編號：2892534