Early and accurate diagnosis of Alzheimer's disease (AD) and its prodromal period mild cognitive impairment (MCI) is essential for the delayed disease progression and the improved quality of patients'life. The emerging computer-aided diagnostic methods that combine deep learning with structural magnetic resonance imaging (sMRI) have achieved encouraging results, but some of them are limit of issues such as data leakage and unexplainable diagnosis. In this research, we propose a novel end-to-end deep learning approach for automated diagnosis of AD and localization of important brain regions related to the disease from sMRI data. This approach is based on a 2D single model strategy and has the following differences from the current approaches: 1) Convolutional Neural Network (CNN) models of different structures and capacities are evaluated systemically and the most suitable model is adopted for AD diagnosis; 2) a data augmentation strategy named Two-stage Random RandAugment (TRRA) is proposed to alleviate the overfitting issue caused by limited training data and to improve the classification performance in AD diagnosis; 3) an explainable method of Grad-CAM++ is introduced to generate the visually explainable heatmaps that localize and highlight the brain regions that our model focuses on and to make our model more transparent. Our approach has been evaluated on two publicly accessible datasets for two classification tasks of AD vs. cognitively normal (CN) and progressive MCI (pMCI) vs. stable MCI (sMCI). The experimental results indicate that our approach outperforms the state-of-the-art approaches, including those using multi-model and 3D CNN methods. The resultant localization heatmaps from our approach also highlight the lateral ventricle and some disease-relevant regions of cortex, coincident with the commonly affected regions during the development of AD.


翻译:对阿尔茨海默氏病(AD)的早期和准确诊断及其发病期轻微认知缺陷的早期和准确诊断(MCI)对于推迟疾病进展和提高患者生活质量至关重要。新出现的计算机辅助诊断方法,将深度学习与结构磁共振成像(sMRI)相结合,取得了令人鼓舞的结果,但其中一些是数据泄漏和无法解释的诊断等问题的局限性。在这项研究中,我们建议采用新的端至端深学习方法,对与该疾病有关的重要大脑区域进行自动诊断和本地化。这一方法基于2D的单一模型战略,并且与当前方法有以下差异:1) 系统化地评估不同结构和能力的 Convolual Neal网络(CNN)模型,并采用最合适的模型进行自动诊断;2) 名为两阶段随机随机随机诊断(TRA)的数据增强战略,以缓解因培训数据有限而导致的问题,并改进AD诊断的渐进状态;3) 格拉德-CARC+G的可解释方法,是采用与当前方法的以下方法:1)对不同结构和能力结构进行更透明的MIC网络分析;2个区域进行视觉解释,包括我们内部数据分析的常规数据分析。我们对当地数据分析期间的当地数据进行更透明性分析,对当地数据分析,对当地数据进行更透明性分析。

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