Normative modelling is an emerging method for understanding the underlying heterogeneity within brain disorders like Alzheimer Disease (AD) by quantifying how each patient deviates from the expected normative pattern that has been learned from a healthy control distribution. Since AD is a multifactorial disease with more than one biological pathways, multimodal magnetic resonance imaging (MRI) neuroimaging data can provide complementary information about the disease heterogeneity. However, existing deep learning based normative models on multimodal MRI data use unimodal autoencoders with a single encoder and decoder that may fail to capture the relationship between brain measurements extracted from different MRI modalities. In this work, we propose multi-modal variational autoencoder (mmVAE) based normative modelling framework that can capture the joint distribution between different modalities to identify abnormal brain structural patterns in AD. Our multi-modal framework takes as input Freesurfer processed brain region volumes from T1-weighted (cortical and subcortical) and T2-weighed (hippocampal) scans of cognitively normal participants to learn the morphological characteristics of the healthy brain. The estimated normative model is then applied on Alzheimer Disease (AD) patients to quantify the deviation in brain volumes and identify the abnormal brain structural patterns due to the effect of the different AD stages. Our experimental results show that modeling joint distribution between the multiple MRI modalities generates deviation maps that are more sensitive to disease staging within AD, have a better correlation with patient cognition and result in higher number of brain regions with statistically significant deviations compared to a unimodal baseline model with all modalities concatenated as a single input.


翻译:通过量化每个病人如何偏离从健康控制分布中汲取的预期规范性模式,从而了解像阿尔茨海默氏病(AD)这样的脑疾病中的基本异质性。由于AD是一种多因子疾病,生物路径不止一个,因此,MRI神经成像数据可以提供疾病异质性的补充信息。然而,基于多式联运MRI数据的现有深度学习模式使用单单单单单单单单单项单项自动解密器和解密器,可能无法捕捉从不同MRI模式中提取的大脑测量结果之间的关系。在这项工作中,我们提议基于多模式的多模式变异自动编码(mmVAE)基于的规范性建模框架,可以捕捉不同模式之间的联合分布,以识别异常的大脑结构结构模式。我们的多模式框架可以作为投入,Freeurfer处理过的大脑区域从T1加权(模型和亚质分级)和T2-级(直线)的单项自动解分解器数量,然后对认知正常的参与者进行扫描,以学习与结构变正态特征特征特征特征特征特征特征特征特征特征特征特征特征,从而显示大脑结构变化的分解。

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