Purpose: Hard-to-interpret Black-box Machine Learning (ML) were often used for early Alzheimer's Disease (AD) detection. Methods: To interpret eXtreme Gradient Boosting (XGBoost), Random Forest (RF), and Support Vector Machine (SVM) black-box models a workflow based on Shapley values was developed. All models were trained on the Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative (ADNI) dataset and evaluated for an independent ADNI test set, as well as the external Australian Imaging and Lifestyle flagship study of Ageing (AIBL), and Open Access Series of Imaging Studies (OASIS) datasets. Shapley values were compared to intuitively interpretable Decision Trees (DTs), and Logistic Regression (LR), as well as natural and permutation feature importances. To avoid the reduction of the explanation validity caused by correlated features, forward selection and aspect consolidation were implemented. Results: Some black-box models outperformed DTs and LR. The forward-selected features correspond to brain areas previously associated with AD. Shapley values identified biologically plausible associations with moderate to strong correlations with feature importances. The most important RF features to predict AD conversion were the volume of the amygdalae, and a cognitive test score. Good cognitive test performances and large brain volumes decreased the AD risk. The models trained using cognitive test scores significantly outperformed brain volumetric models ($p<0.05$). Cognitive Normal (CN) vs. AD models were successfully transferred to external datasets. Conclusion: In comparison to previous work, improved performances for ADNI and AIBL were achieved for CN vs. Mild Cognitive Impairment (MCI) classification using brain volumes. The Shapley values and the feature importances showed moderate to strong correlations.


翻译:目的: 难以解释的黑盒机器学习(ML) 经常用于早期阿尔茨海默氏氏症(AD) 的检测。 方法: 解释 eXreme Gradient 推进( XGBoost)、 随机森林( Rands Forest ) 和支持矢量机( SVM ) 黑盒模型, 开发了一个基于 Shapley 值的工作流程。 所有模型都接受了关于阿尔茨海默氏病神经成像倡议(ADNI) 数据集的培训, 以及用于独立的 ADNI 测试集, 以及用于 ASDNI 的外部正常智能成像体化研究( AIBLLL) 和 Lifeformain 旗舰长研究( OAGISIS) 数据集的开放存取读取序列。 将光值与直径可解释的决定树( DTS) 以及物流回归( LRR) 以及自然和变异特性的特性。 避免因关联性、 前前期选择和后大脑变形变型模型而导致的解释性变现的数值。 已经明显的货币变化的货币变数 与前测试模型显示了。 AL值与ADRVIF 与前性变式的体化的货币与前性变异性能与前变式的体化变形变式。

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