We propose Deep Kronecker Network (DKN), a novel framework designed for analyzing medical imaging data, such as MRI, fMRI, CT, etc. Medical imaging data is different from general images in at least two aspects: i) sample size is usually much more limited, ii) model interpretation is more of a concern compared to outcome prediction. Due to its unique nature, general methods, such as convolutional neural network (CNN), are difficult to be directly applied. As such, we propose DKN, that is able to i) adapt to low sample size limitation, ii) provide desired model interpretation, and iii) achieve the prediction power as CNN. The DKN is general in the sense that it not only works for both matrix and (high-order) tensor represented image data, but also could be applied to both discrete and continuous outcomes. The DKN is built on a Kronecker product structure and implicitly imposes a piecewise smooth property on coefficients. Moreover, the Kronecker structure can be written into a convolutional form, so DKN also resembles a CNN, particularly, a fully convolutional network (FCN). Furthermore, we prove that with an alternating minimization algorithm, the solutions of DKN are guaranteed to converge to the truth geometrically even if the objective function is highly nonconvex. Interestingly, the DKN is also highly connected to the tensor regression framework proposed by Zhou et al. (2010), where a CANDECOMP/PARAFAC (CP) low-rank structure is imposed on tensor coefficients. Finally, we conduct both classification and regression analyses using real MRI data from the Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative (ADNI) to demonstrate the effectiveness of DKN.


翻译:我们提议“Deep Kronecker Network”(DKN),这是一个用于分析医学成像数据的新框架,如MRI、FMRI、CT等。医学成像数据至少与一般图像在两个方面不同:抽样规模通常有限得多,二)模型解释与结果预测相比更令人担忧。由于其独特性质,一般方法,如神经神经神经网络(CNN)很难直接应用。因此,我们提议DKN,它能够i)适应低样本规模限制,二)提供理想的模型解释,三)达到CNN的预测能力。DKN是一般性的,因为它不仅适用于矩阵和(高阶)变压图像数据,而且可以适用于离散和连续的结果。DKN建在Kronecker产品结构上,隐含蓄地给系数带来一种小巧的平稳属性。此外,Kroncerental 和Cal-K-Calalalal 结构也可以写成一个CNN,甚至类似于CNN, 特别是,不断变压的DNA和高度变压的内,也证明一个极的轨道数据网络。

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