本文關鍵詞：基于Contourlet提取紋理建立早期AD的高斯過程預測模型

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【摘要】：背景癡呆(Dementia)是老年人的常見病之一。在全球范圍內(nèi)每7秒鐘新增1個癡呆病例,2010年估計全球3.56千萬人患癡呆,到2030年將增加到6.57千萬,到2050年將增加到11.4千萬。并且有2/3癡呆患者生活在中低收入國家。老年癡呆(AD)則是癡呆中常見的一種,在中國65歲以上老年人AD患病率4.8%(目前我國約600萬AD患者),從出現(xiàn)臨床癥狀至首次確診時間平均大于一年,所以確診時大多已錯過最佳治療階段。故研究早期診斷AD是國內(nèi)外的熱點和難點問題之一。對于AD的早期診斷,通常會尋找合適的生物標志物作為輔助診斷的依據(jù)。目前公認的的生物標志物有5種,其中包括腦萎縮這個特征,是通過核磁共振成像(MRI)所呈現(xiàn)的。國內(nèi)外已有學者采用腦萎縮這個生物標志物進行建模預測早期AD。紋理的引入模型預測雖有報道,但是提取紋理及模型均比較落后。本項目組前期分別應用第一、第二代小波變換以及灰度共生矩陣的方法建立肺癌預測模型(包括多水平模型,支持向量機,Lasso回歸,決策樹,隨機森林,人工神經(jīng)網(wǎng)絡,Gradient boosting以及最近鄰分類),其中支持向量機取得了較好的預測結果。目前國內(nèi)外對于提取紋理建立早期AD預測模型的研究有如下的局限性:所選取紋理值參數(shù)較少,并且一般未結合腦部形態(tài)學參數(shù)。預測模型多為人工神經(jīng)網(wǎng)絡等,較為落后,且樣本量很少。目的根據(jù)腦部MRI圖像的紋理值參數(shù)以及基于體素形態(tài)學參數(shù)建立早期預測模型,發(fā)現(xiàn)關鍵紋理值,以期提高早期AD以及輕度認知障礙(MCI)轉化的識別率。方法本次研究共收集299例腦部MRI圖像,包括AD患者58例,MCI患者147例,正常組94例,并且每一個病例都有超過兩年的隨訪。為了比較支持向量機、高斯過程回歸模型、偏最小二乘回歸模型等3種方法對早期AD的預測結果的優(yōu)劣,采用Bootstrap產(chǎn)生模擬數(shù)據(jù),比較納入不同紋理值的各種模型預測結果。采用區(qū)域增長法從冠狀位的腦部MRI圖像中分割得到海馬區(qū)域,對分割出的海馬區(qū)域用Contourlet變換處理并且通過灰度共生矩陣計算14個紋理值參數(shù)。采用147例MCI病人作為驗證數(shù)據(jù)集,分別建立AD與MCI轉化的預測模型,計算相應的評價指標。比較幾種模型對于MRI數(shù)據(jù)預測效果。通過網(wǎng)站及咨詢影像專家獲得AD組,MCI組以及正常組的人口學資料、生活環(huán)境因素及神經(jīng)量表評分,基于紋理值和人口學特征、患病史、并結合基于體素的形態(tài)學參數(shù)多維度數(shù)據(jù)集,建立預測模型。結果1.基于單因素分析發(fā)現(xiàn):病例年齡在AD組,MCI組合正常組3組病例中差異無統(tǒng)計學意義(Z=3.45,P=0.64)、病例受教育年數(shù)在3組之間差異沒有統(tǒng)計學意義(Z=6.45,P=0.85)。量表方面,MMSE,CDR-SB,ADAS在三組中的差異有統(tǒng)計學意義。病例患病史方面,4種患病史在3組之間差異有統(tǒng)計學意義;腦部形態(tài)體積參數(shù)方面,有184個形態(tài)體積參數(shù)差異有統(tǒng)計學意義。紋理方面,有379個紋理值參數(shù)在三組中差異有統(tǒng)計學意義。2.基于Contourlet變換建立支持向量機,高斯過程,偏最小二乘回歸模型通過各評價指標發(fā)現(xiàn),預測模型中高斯過程回歸模型的預測效果良好(敏度0.84,特異度0.75,ROC曲線下面積0.84,優(yōu)于支持向量機預測效果,不及偏最小二乘回歸模型。3.通過模擬研究以及單因素分析,顯示一下幾種紋理值參數(shù)對模型預測具有較大貢獻。分別為:Standard Deviation,Homogeneity,Energy,Inertia,Inverse Difference Moment,Correlation,Difference-Mean和Sum-Entropy。4.高斯過程模型對MCI轉化的預測精度達到82.2%,偏最小二乘為85.5%,支持向量機為80.3%。結論1.高斯過程回歸模型可以較準確預測早期AD以及MCI轉化,預測效果優(yōu)于支持向量機。2.紋理值參數(shù)的加入對早期AD的預測具有積極作用。
【關鍵詞】：Contourlet變換 支持向量機 高斯過程回歸模型 偏最小二乘回歸模型 MCI預測 預測模型
【學位授予單位】：首都醫(yī)科大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：R749.16
【目錄】：

• 中文摘要5-7
• 英文摘要7-10
• 引言10-15
• 1 研究目的與意義15
• 2 資料與方法15-29
• 2.1 資料描述15-17
• 2.2 圖像資料17
• 2.3 圖像分割17-18
• 2.4 紋理提取18-20
• 2.4.1 Contourlets變換18-20
• 2.5 患者信息20-21
• 2.6 預測模型21-25
• 2.6.1 支持向量機21-23
• 2.6.2 高斯過程回歸模型23-24
• 2.6.3 偏最小二乘回歸模型24-25
• 2.7 模擬研究25-26
• 2.8 評價方法26-29
• 2.8.1 交叉驗證26
• 2.8.2 ROC曲線26-27
• 2.8.3 Matthews相關系數(shù)27
• 2.8.4 F指數(shù)27-28
• 2.8.5 Youden指數(shù)28
• 2.8.6 Discriminant power（DP）28-29
• 3 研究結果29-81
• 3.1 模擬分析結果29-32
• 3.1.1 GPR模型中核函數(shù)的選定29-30
• 3.1.2 不同預測模型建模效果比較30
• 3.1.3 不同紋理值建模效果比較30-32
• 3.2 實例分析結果32-81
• 3.2.1 圖像分割32-34
• 3.2.2 變量單因素結果34-74
• 3.2.3 各模型預測結果74-81
• 4 討論81-83
• 5 結論83-84
• 6 創(chuàng)新性局限性84-85
• 論文參考文獻85-92
• 綜述92-105
• 參考文獻98-105
• 附錄一105-111
• 致謝111-112
• 個人簡介112

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