KR102599756B1 - Providing method of diagnostic information on alzheimer's disease using structural, diffusion, and functional neuroimaging data and the APOE genotype - Google Patents

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Abstract

본 발명은 정상인으로부터 알츠하이머병 또는 경도인지장애 분류를 위한 진단정보 제공방법에 관한 것으로, 알츠하이머병 구별을 위한 다중 모드 시스템을 형성하고 분류 정확도를 높이기 위해 다양한 신경 영상 기법(sMRI, FDG-PET, AV45-PET, DTI 및 rs-fMRI)을 아포지단백-E 유전자형과 결합하는 진단정보 제공방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of providing diagnostic information for classifying Alzheimer's disease or mild cognitive impairment from normal people. To form a multi-modal system for distinguishing Alzheimer's disease and to increase classification accuracy, various neuroimaging techniques (sMRI, FDG-PET, AV45, -PET, DTI, and rs-fMRI) relates to a method of providing diagnostic information by combining apolipoprotein-E genotype.

Description

구조적, 확산 및 기능적 신경영상과 APOE 유전형을 포함하는 다중모드 특징을 이용하여 알츠하이머병에 대한 진단정보 제공방법 {Providing method of diagnostic information on alzheimer's disease using structural, diffusion, and functional neuroimaging data and the APOE genotype}{Providing method of diagnostic information on Alzheimer's disease using structural, diffusion, and functional neuroimaging data and the APOE genotype}

본 발명은 구조적, 확산 및 기능적 신경영상과 APOE 유전형을 포함하는 다중모드 특징을 이용하여 알츠하이머병에 대한 진단정보 제공방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of providing diagnostic information for Alzheimer's disease using multimodal features including structural, diffusion, and functional neuroimaging and APOE genotype.

알츠하이머병(Alzheimer's disease, AD)은 만성 대뇌 피질 위축 (예 : 후방 대상물 위축 및 내측 측두위 위축)과 인지 기능의 점진적인 감소를 특징으로 하는 신경 퇴행성 장애이다. 알츠하이머병은 일반적으로 65세 이상에서 진단된다. 인구의 수명이 증가함에 따라 알츠하이머병의 유병률과 사회에 대한 비용도 증가하고 있다. 따라서 알츠하이머병 또는 그 전구체 형태, 즉 경도인지장애(mild cognitive impairment, MCI)의 검출은 알츠하이머병의 진행을 늦추는데 도움이 되는 새로운 치료제를 제공하기 위한 생물 의학 연구의 중요한 목표이다. 경도인지장애는 과도기(정상 노화 및 치매 환자의 기능 및 인지기능 저하의 중간 단계를 의미함)로 치매가 없을 때 기억 장애가 뒤 따르는 광범위한 단계이다. 장애 임계값에 도달할 때까지 여러 영역의 인지장애로서 경도인지장애는 전 구성 알츠하이머병이라고 한다; 피험자는 계속해서 알츠하이머병으로 발달한다(이 유형의 환자는 MCI-전환 (MCI-coverting, MCIc) 그룹에 속함). 증상은 평균적으로 2 ~ 3 년 이내에 나타난다 (Lopez et al., 2012). 노인을 대상으로 한 전향적 인구 기반 연구에 따르면 MCIc 환자의 AD 또는 다른 형태의 치매로의 전환율은 연간 약 10-15 %이다 (Lopez et al., 2012; Mitchell and Shiri-Feshki, 2009; Wei et al., 2016). MCIc에 대한 상당한 지식에도 불구하고 정상 또는 치매로 전환되지 않는 MCI로 진단된 피험자의 47 % ~ 67 % (Clem et al., 2017; Ganguli et al., 2004; Lopez et al., 2012)에 대해서는 거의 이해가 없다. 대규모 지역 사회 표본에서 10 년 동안 MCI로 확인된 연구에서 치매로 전환될 위험이 더 큰 것으로 의심되는 사람들의 21 % (Dubois and Albert, 2004; Jicha et al., 2006)는 MCI의 진단된다 (Clem et al., 2017; Ganguli et al., 2004). 상기 연구들은 특정 피험자가 AD로 전환되지 않고 일정 기간 동안 진단적으로 안정적으로 유지될 수 있음을 시사한다 (이 유형의 환자는 MCI-안정 그룹 또는 MCI 그룹에 속함). 신경 영상 연구의 최근 결과는 AD가 초기에도 MCI의 초기 단계 또는 AD로 전환하기 전 여러 뇌 영역의 조직화된 구조 및 기능적 연결 (functional connectivity, FC)의 붕괴로 생성된 단절 증후군 (disconnection syndrome, 국소 구조 변화로 인한 네트워크 전반의 기능적 변화를 의미함)을 포함한다는 가설을 뒷받침한다 (Bishop et al., 2010; Clem et al., 2017; Daianu et al., 2013; de Vos et al., 2018; Dubois and Albert, 2004).Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative disorder characterized by chronic cortical atrophy (e.g. posterior cingulate atrophy and medial temporal atrophy) and progressive decline in cognitive function. Alzheimer's disease is usually diagnosed in people over 65 years of age. As the population lives longer, the prevalence of Alzheimer's disease and its cost to society are also increasing. Therefore, detection of Alzheimer's disease or its precursor form, mild cognitive impairment (MCI), is an important goal of biomedical research to provide new treatments to help slow the progression of Alzheimer's disease. Mild cognitive impairment is a transitional stage (meaning an intermediate stage of functional and cognitive decline between normal aging and dementia patients), a broad stage followed by memory impairment in the absence of dementia. Mild cognitive impairment, which is cognitive impairment in multiple domains until the disability threshold is reached, is called systemic Alzheimer's disease; The subject goes on to develop Alzheimer's disease (this type of patient belongs to the MCI-coverting (MCIc) group). Symptoms appear, on average, within 2 to 3 years (Lopez et al., 2012). Prospective population-based studies in older adults have shown that the conversion rate of MCIc patients to AD or other forms of dementia is approximately 10–15% per year (Lopez et al., 2012; Mitchell and Shiri-Feshki, 2009; Wei et al., 2009). al., 2016). Despite considerable knowledge about MCIc, between 47% and 67% of subjects diagnosed with MCI do not convert to normal or dementia (Clem et al., 2017; Ganguli et al., 2004; Lopez et al., 2012). There is little understanding. In a study of people identified with MCI over a 10-year period in a large community sample, 21% of those suspected to be at greater risk of converting to dementia (Dubois and Albert, 2004; Jicha et al., 2006) were diagnosed with MCI (Clem et al., 2017; Ganguli et al., 2004). The above studies suggest that certain subjects may remain diagnostically stable for a period of time without converting to AD (this type of patient belongs to the MCI-stable group or MCI group). Recent results from neuroimaging studies have shown that AD, even in the early stages of MCI or prior to the transition to AD, is a disconnection syndrome (FIG. This supports the hypothesis that changes involve functional changes throughout the network (Bishop et al., 2010; Clem et al., 2017; Daianu et al., 2013; de Vos et al., 2018; Dubois). and Albert, 2004).

이전 연구는 MCI에서 AD 치매로의 전환을 예측하는 침습적 및 비침습적 바이오 마커의 잠재력을 보여주었다. 침습성 마커의 경우 APOE-ε4 유전자형 (APOE-ε4 대립 유전자의 경우 AD와 관련된 뇌 변화가 조기에 시작될 수 있음) (Dean et al., 2014; Liu et al., 2013) 및 아밀로이드-베타 (amyloid-beta, Aβ) 축적과 신경 섬유 병변은 AD에 대한 가장 중요한 바이오 마커로 간주된다 (Murphy and LeVine, 2010). Apolipoprotein-E (APOE) 유전자형 다형성은 신경 퇴행성 질환에서 가장 흔한 다형성으로 간주되며 AD 및 MCI 환자의 정상적인 인지 저하와 지속적으로 연관되어 있다. APOE-ε4는 가장 강력한 유전적 위험 인자이며 AD 위험을 2 ~ 3 배 증가시킨다. 또한 AD 발병 연령을 낮춘다 (Michaelson, 2014). 기능적 및 구조적 이미징을 포함한 비침습적 신경 이미징 기술의 최근 개발은 AD에 대해 일반적으로 사용되는 다양한 신경 이미징 바이오 마커를 발생 시켰다. 여러 신경 영상 기법 중에서 구조적 자기 공명 영상 (structural magnetic resonance imaging, sMRI)은 경증 증상이 있는 환자를 위한 준비된 가용성과 높은 공간 해상도로 인해 상당한 관심을 끌었다 (Cuingnet et al., 2011; Gupta et al., 2019b, 2019c; Long et al. al., 2017; Salvatore et al., 2015; Sun et al., 2019; Wei et al., 2016). sMRI는 또한 내 측두엽의 회백질 (gray matter, GM) 위축 및 해마/내 후각 피질을 포함하여 광범위한 뇌 영역의 이상을 나타낼 수 있으며, 이는 AD 환자의 구별 또는 분류를 위한 중요한 AD 특이 바이오 마커로 식별된다 (Cuingnet et al., 2011). 확산 텐서 영상 (diffusion tensor imaging, DTI 또는 diffusion MRI)에서 뇌의 수분 확산은 MR 신호 손실로 해석된다. 신경 퇴행성 과정은 물 분자의 움직임을 제한하는 장애물의 손실을 동반하기 때문에 (Acosta-Cabronero and Nestor, 2014), DTI는 AD 및 MCI 환자에서 미세 구조 백질 (white matter, WM) 손상의 유망한 마커를 나타낼 수 있다. 그래프 이론을 DTI 데이터에 적용한 연결 기반 분석은 AD에서 구조적 뇌 네트워크의 토폴로지 특성을 방해하여 연결 해제 이론을 지원한다. 특히, 뇌궁 (fornix), 후방 cingulum 및 parahippocampal gyrus의 변연 WM에 대한 지역 확산 메트릭은 MCI 변환을 예측하는 GM의 체적 측정보다 더 나은 성능을 보여주었다 (Sun et al., 2019). 임상 연구에서 fluorodeoxyglucose-positron 방출 단층 촬영 (FDG-PET), florbetapir-PET AV45 (아밀로이드 단백질 영상) 및 휴식 상태 fMRI (rs-fMRI)는 AD 진단을 위해 가장 일반적으로 사용되는 기능성 신경 영상 방법이다 (Gupta et al ., 2019a; Hojjati et al., 2018, 2017; Pan et al., 2019b, 2019a). FDG-PET는 뇌에서 18F-FDG를 통해 대뇌 포도당 대사를 측정하고, AD 환자의 뇌에서 신경 기능 장애를 반영하는 AD 환자의 특징적인 지역 대사 저하를 감지하는데 도움을 준다 (Mosconi et al., 2008). 대조적으로, florbetapir-PET AV45는 AD 뇌 균질 물에서 아밀로이드 단백질의 축적을 측정하고 더 빠른 생체 내 동역학을 갖는다. 아밀로이드 영상에서 florbetapir의 사용은 최근 부검 연구에서 검증되었으며, 그 안전성 프로필은 뇌영상에 대한 임상 적용을 가능하게 한다 (Camus et al., 2012). 또한 rs-fMRI 영상은 뇌의 고유 활동을 매핑하고 지역 간 FC의 동기화를 묘사하기위한 도구로 개발되었다 (Bi et al., 2018; de Vos et al., 2018). 최근 rs-fMRI 연구에 따르면 AD 및 MCI 환자의 일부 특정 기능 네트워크 (기본 모드 네트워크)에서 FC 패턴이 변경 될 수 있습니다. 저자는 대뇌 피질 전체에서 해마와 여러 영역 사이의 FC 감소, 즉 기본 모드 네트워크 내의 FC 감소 및 정면 네트워크 내의 FC 증가를 발견했다 (de Vos et al., 2018).Previous studies have shown the potential of invasive and non-invasive biomarkers to predict conversion from MCI to AD dementia. For invasive markers, APOE-ε4 genotype (for the APOE-ε4 allele, brain changes associated with AD may occur at an early age) (Dean et al., 2014; Liu et al., 2013) and amyloid-beta (amyloid-β). beta, Aβ) accumulation and neurofibrillary lesions are considered the most important biomarkers for AD (Murphy and LeVine, 2010). Apolipoprotein-E (APOE) genotype polymorphism is considered the most common polymorphism in neurodegenerative diseases and is consistently associated with normal cognitive decline in AD and MCI patients. APOE-ε4 is the strongest genetic risk factor and increases AD risk by 2- to 3-fold. It also lowers the age of onset of AD (Michaelson, 2014). Recent developments in non-invasive neuroimaging techniques, including functional and structural imaging, have resulted in a variety of commonly used neuroimaging biomarkers for AD. Among several neuroimaging modalities, structural magnetic resonance imaging (sMRI) has attracted considerable attention due to its ready availability and high spatial resolution for patients with mild symptoms (Cuingnet et al., 2011; Gupta et al., 2011). 2019b, 2019c; Long et al., 2017; Salvatore et al., 2015; Sun et al., 2019; Wei et al., 2016). sMRI can also reveal abnormalities in a wide range of brain regions, including gray matter (GM) atrophy in the medial temporal lobe and the hippocampus/entorhinal cortex, which has been identified as an important AD-specific biomarker for differentiation or classification of AD patients. (Cuingnet et al., 2011). In diffusion tensor imaging (DTI or diffusion MRI), water diffusion in the brain is interpreted as MR signal loss. Because neurodegenerative processes are accompanied by the loss of barriers that restrict the movement of water molecules (Acosta-Cabronero and Nestor, 2014), DTI may represent a promising marker of ultrastructural white matter (WM) damage in AD and MCI patients. You can. Connectivity-based analysis applying graph theory to DTI data disrupts the topological properties of structural brain networks in AD, supporting disconnection theory. In particular, regional diffusion metrics over the limbic WM of the fornix, posterior cingulum, and parahippocampal gyrus showed better performance than volumetric measures of GM in predicting MCI transformation (Sun et al., 2019). In clinical studies, fluorodeoxyglucose-positron emission tomography (FDG-PET), florbetapir-PET AV45 (amyloid protein imaging), and resting-state fMRI (rs-fMRI) are the most commonly used functional neuroimaging methods for AD diagnosis (Gupta et al., 2019a; Hojjati et al., 2018, 2017; Pan et al., 2019b, 2019a). FDG-PET measures cerebral glucose metabolism via 18F-FDG in the brain and helps detect the characteristic regional hypometabolism in AD patients, which reflects neuronal dysfunction in the brain of AD patients (Mosconi et al., 2008 ). In contrast, florbetapir-PET AV45 measures accumulation of amyloid protein in AD brain homogenates and has faster in vivo kinetics. The use of florbetapir in amyloid imaging was recently validated in an autopsy study, and its safety profile allows for clinical application in brain imaging (Camus et al., 2012). Additionally, rs-fMRI imaging has been developed as a tool to map brain intrinsic activity and depict synchronization of FC between regions (Bi et al., 2018; de Vos et al., 2018). Recent rs-fMRI studies have shown that FC patterns may be altered in some specific functional networks (default mode networks) in AD and MCI patients. The authors found decreased FC between the hippocampus and several regions throughout the cerebral cortex, namely decreased FC within the default mode network and increased FC within the frontal network (de Vos et al., 2018).

위의 연구에서 알츠하이머 병 진단 평가를 위한 다른 바이오 마커 (CSF vs. APOE-ε4 vs. 영상)의 우월성을 뒷받침하는 명확한 증거가 없었다. 바이오 마커의 선택은 주로 가격과 가용성에 달려 있다. 그럼에도 불구하고 일부 저자는 이미징 방식이 해부학적 및 시간적으로 질병의 여러 단계를 구별할 수 있다는 점을 고려할 때 유체 바이오 마커보다 이미징의 완벽성을 주장한다 (Khoury and Ghossoub, 2019; Marquez and Yassa, 2019). 위에서 언급한 연구는 MCI에서 AD로의 전환을 검출용 바이오 마커를 검출하기 위해 단일 양식만을 사용했다. 제안된 알고리즘 성능은 약 80-90 %로 최근 발표된 다중 모드 연구의 성능에 비해 낮다 (Fayao Liu et al., 2014; Gupta et al., 2019a; Ritter et al., 2015; Xu et al., 2016; Zhang et al., 2011). 현재까지 바이오 마커에 대한 단일 영상화 방식이 이전 연구 (Hyman et al., 2012; Jack et al., 2018, 2016)에서 설정한 모든 진단 요구 사항을 충족하지 않는 것은 사실이고 (각 바이오 마커가 다른 바이오 마커에 비해 고유 한 이점을 가지고 있기 때문임), 단일 (유전형이든 유체이든 영상이든) 바이오 마커는 그 자체로 AD의 이질적인 장애를 높은 정확도로 정확하게 구별할 수 없지만, 여러 방법이 보완 정보를 제공할 수 있으며, 이는 신경 영상 바이오 마커로서 진단 정확도를 향상시키기 위해 질병 방식에 대한 정보를 병합하는 CSF 데이터 또는 영상과 APOE의 조합을 포함하는 패널을 개발해야하는 요구로 이어질 수 있다 (Marquez and Yassa, 2019). sMRI, AV45-PET, FDG-PET, DTI 및 rs-fMRI처럼 다양한 유형의 신경 영상 (구조 및 기능)에서 얻은 정보 (다중 모드)를 유전자형 (APOE) 또는 생화학적 (CSF) 정보와 결합하면 단일 양식 방법과 비교한 AD 또는 MCI의 진단 성능 개선에 도움이 될 수 있다 (Gupta et al., 2019a; Schouten et al., 2016; Wei et al., 2016; Young et al., 2013; Zhang et al., 2011). 더욱이 최근에 바이오 마커의 조합은 AD 그룹을 인지적으로 건강한 피험자로 분류하는 강력한 진단 기술을 산출하며 특이성 및 민감도 점수가 90 % 이상에 이른다 (Bloudek et al., 2011; Khoury and Ghossoub, 2019; Rathore et al., 2017).In the above studies, there was no clear evidence supporting the superiority of other biomarkers (CSF vs. APOE-ε4 vs. imaging) for diagnostic assessment of Alzheimer's disease. The choice of biomarker largely depends on price and availability. Nevertheless, some authors argue for the perfection of imaging over fluid biomarkers, considering that the imaging modality can distinguish between different stages of the disease anatomically and temporally (Khoury and Ghossoub, 2019; Marquez and Yassa, 2019 ). The studies mentioned above used only a single modality to detect biomarkers for detecting conversion from MCI to AD. The performance of the proposed algorithm is around 80-90%, which is lower compared to the performance of recently published multimodal studies (Fayao Liu et al., 2014; Gupta et al., 2019a; Ritter et al., 2015; Xu et al., 2016; Zhang et al., 2011). It is true that no single imaging modality for biomarkers to date meets all the diagnostic requirements established by previous studies (Hyman et al., 2012; Jack et al., 2018, 2016) and that each biomarker Although no single biomarker (whether genotypic, fluid, or imaging) can by itself accurately distinguish the heterogeneous disorders of AD with high accuracy, multiple methods can provide complementary information. This may lead to the need to develop panels containing CSF data or a combination of imaging and APOE that merge information about disease mode to improve diagnostic accuracy as neuroimaging biomarkers (Marquez and Yassa, 2019) . Combining information (multimodal) from different types of neuroimaging (structural and functional) with genotypic (APOE) or biochemical (CSF) information, such as sMRI, AV45-PET, FDG-PET, DTI, and rs-fMRI, results in a single modality. It may help improve the diagnostic performance of AD or MCI compared to methods (Gupta et al., 2019a; Schouten et al., 2016; Wei et al., 2016; Young et al., 2013; Zhang et al. , 2011). Moreover, recent combinations of biomarkers yield powerful diagnostic techniques to classify AD groups into cognitively healthy subjects, with specificity and sensitivity scores reaching over 90% (Bloudek et al., 2011; Khoury and Ghossoub, 2019; Rathore et al., 2017).

여러 연구에서 AD 또는 MCI를 조사하기 위한 다양한 신경 영상 기법의 조합이 보고되었다. Dai와 협력자들 (Dai et al., 2012)은 지역 GM 체적 측정과 기능 측정 (저주파 변동의 진폭, 지역 동질성 및 지역 FC 강도)을 특징으로 사용했다. 그들은 기능적 및 구조적 특성에 대해 뚜렷한 최대 불확실성 LDA 분류기를 훈련시키고 가중치 투표를 통해 분류자의 출력을 병합했다. Zhang과 공동 연구자 (Zhang et al., 2011)는 AD 환자에 대한 건강한 대조군 (healthy control, HC)을 구별하기 위해 다중 모드 방법을 사용했다. 그들은 분류를 위해 커널 기반 서포트 벡터 머신 (support vector machine, SVM) 분류기를 사용했으며 볼륨 지역 기능을 지역 FDG-PET 및 CSF 바이오 마커와 결합했다. Young과 공동 연구자들 (Young et al., 2013)은 HC와 AD를 구별하기 위해 sMRI, FDG-PET 및 APOE 유전자형 데이터를 결합하는 방법을 제안했다. 이 저자들은 Gaussian 프로세스를 다중 모드 커널 방법으로 사용했으며 MCI 대 MCIc 그룹의 분류를 위해 SVM 분류기를 적용했다. 그러나 진단 정확도는 낮았다. 또 다른 연구에서는 가우스 커널의 푸리에 변환을 사용하는 다중 커널 학습 (multiple kernel learning, MKL)이 sMRI 및 rs-fMRI (Fayao Liu et al., 2014) 신경 이미지를 모두 사용하여 AD 분류에 적용되는 시스템을 제안했다. Moradi와 공동 연구자들 (Moradi et al., 2015)은 GM 밀도 맵, 연령 및 인지 테스트를 기능으로 사용하고 AD 변환 차별을 위해 저밀도 분리 및 랜덤 포레스트와 같은 분류 알고리즘을 사용했다. 또 다른 연구에서는 SVM 분류기를 사용하여 다중 기능 기술 (지역 두께, 두께 측정에서 계산된 지역 상관 관계 및 APOE 유전자형)을 사용하여 AD를 분류하는 새로운 방법을 제안했다 (Zheng et al., 2015). Schouten과 공동 연구자들 (Schouten et al., 2016)은 기능적 MRI에서 계산된 모든 뇌 영역 간의 지역 체적 측정, 확산 측정 및 상관 측정을 결합했다. 그들은 분류를 위해 물류 탄성 망을 사용했다. 또한 Liu와 공동 작업자 (Liu et al., 2017)는 MCI와 MCIc를 구별하기 위해 독립적인 구성 요소 분석과 COX 모델을 사용했다. 연구에서 그들은 APOE 데이터 및 일부 인지측정과 함께 sMRI 및 FDG-PET 스캔을 사용했다. Hojjati와 공동 연구자들 (Hojjati et al., 2018)은 AD 검출을 위해 sMRI (피질 두께)와 rs-fMRI (그래프 측정)에서 추출한 특징을 결합하여 분류에 SVM을 사용했다. 위에 제시된 대부분의 다중 모드 방법은 여러 그룹 간의 AD 검출을 위해 sMRI 및 PET 이미지의 특징으로 수동으로 추출한 몇 가지 영역의 뇌 위축을 사용했다는 점은 주목할 가치가 있다. 그러나 어떤 영상 방식의 특징으로 적은 수의 뇌 영역 만 사용하면 구조적 및 생리적 이상의 시공간적 패턴을 전체적으로 정확하게 반영하지 못할 수 있다 (Fan et al., 2008). 또한 단순히 양식의 수를 늘리는 것만으로 양식을 결합해도 예측력이 증가하지 않는다.Several studies have reported combinations of various neuroimaging techniques to investigate AD or MCI. Dai and collaborators (Dai et al., 2012) used regional GM volumetric measurements and functional measures (amplitude of low-frequency fluctuations, regional homogeneity, and regional FC intensity) as features. They trained distinct maximum uncertainty LDA classifiers on functional and structural features and merged the outputs of the classifiers through weighted voting. Zhang and collaborators (Zhang et al., 2011) used a multimodal method to distinguish healthy controls (HC) from AD patients. They used a kernel-based support vector machine (SVM) classifier for classification and combined volumetric features with regional FDG-PET and CSF biomarkers. Young and collaborators (Young et al., 2013) proposed a method to combine sMRI, FDG-PET, and APOE genotyping data to distinguish HC from AD. These authors used Gaussian process as a multi-mode kernel method and applied SVM classifier for classification of MCI vs. MCIc groups. However, diagnostic accuracy was low. In another study, multiple kernel learning (MKL) using the Fourier transform of the Gaussian kernel was applied to AD classification using both sMRI and rs-fMRI (Fayao Liu et al., 2014) neural images. suggested. Moradi and co-workers (Moradi et al., 2015) used GM density maps, age and cognitive tests as features and used classification algorithms such as low-density separation and random forest for AD transformation discrimination. Another study proposed a new method to classify AD using multi-feature techniques (regional thickness, regional correlation calculated from thickness measurements, and APOE genotype) using an SVM classifier (Zheng et al., 2015). Schouten and collaborators (Schouten et al., 2016) combined regional volumetric measurements, diffusion measurements, and correlation measurements between all brain regions calculated from functional MRI. They used a logistic elastic net for classification. Additionally, Liu and collaborators (Liu et al., 2017) used independent component analysis and COX model to distinguish between MCI and MCIc. In the study, they used sMRI and FDG-PET scans along with APOE data and some cognitive measures. Hojjati and co-workers (Hojjati et al., 2018) used SVM for classification by combining features extracted from sMRI (cortical thickness) and rs-fMRI (graph measurements) for AD detection. It is worth noting that most of the multimodal methods presented above used brain atrophy in several regions manually extracted as features of sMRI and PET images for AD detection among different groups. However, the use of only a small number of brain regions as a feature of any imaging modality may not accurately reflect the overall spatiotemporal pattern of structural and physiological abnormalities (Fan et al., 2008). Additionally, combining modalities simply by increasing the number of modalities does not increase predictive power.

따라서, 본 발명의 주요 목표는 AD 검출을 위한 다중 모드 시스템을 구축하기 위해 5 가지 다른 이미징 양식 (sMRI, AV45, FDG-PET, DTI 및 rs-fMRI)을 APOE 유전자형과 결합하는 것이었다. 또한, AD를 다른 그룹과 구별하기 위해 세 가지 방법 (서로 완전히 다른)을 사용했다. 또한, 어떤 단일 방식의 뉴로 이미징이 고성능을 달성하거나 6 개 이진 분류 그룹 (AD vs. HC, MCI vs. MCIc, AD vs. MCIc, AD vs. MCI, HC vs. MCIc, HC vs. MCI)를 기반으로 하며 분류 단계 (전뇌 또는 복셀 분석)에서 어떤 결합된 방법이 잘 수행되는지 알고 싶었다. 또한 관심 복셀 (voxel of interest, VOI) 및 그래프 방법을 사용하여 상기 6 개의 이진 그룹이 서로 크게 다른 영역을 발견하는 것을 목표로 했다. 6 개의 이진 분류 그룹 모두에서 지역 및 복셀 차이를 연구하기 위해 전체 뇌 분할 및 복셀 방식이 사용되었다. NiftyReg (Gupta et al., 2019a; Young et al., 2013), pyClusterROI 스크립트 (Craddock et al., 2012), PANDA (Cui et al., 2013), DPRASF (Yan, 2010) 및 SPM12 (Ashburner and Friston, 2001)가 통합된 CAT12 도구 상자는 구조 및 기능 신경 영상 데이터에서 특징을 추출하였다. 또한 그래프 기반 분석 (John et al., 2017; Peraza et al., 2019)은 해부학적 특징 (GM 체적, 피질 두께 및 GM 영역 간 WM 경로 포함)을 사용하여 네트워크 연결의 구성을 연구하기 위해 수행되었고, Craddock 아틀라스에 포함된 200 개 뇌 영역의 지역 시계열을 사용하였다. 이 그래프 기반 분석을 위해 BRAPH 도구 상자를 사용했다 (Mijalkov et al., 2017). 나중에 분류 및 데이터 융합을 위해 EasyMKL (Aiolli and Donini, 2015; Donini et al., 2019) 분류기를 기반으로하는 MKL 알고리즘을 적용했다. 이 분류기는 예측 변수와 커널 조합 가중치를 동시에 학습하는 방식으로 작동한다. 또한 MKL 분류기에 대한 최적의 하이퍼 미터를 찾는데 도움이 되는 일회성 교차 검증 기술을 적용했다. 이 연구에서는 방사형 기저 함수 (radial basis function, RBF)-SVM 분류기를 적용하여 그 결과를 EasyMKL에서 얻은 결과와 비교했다. 본 발명의 결과는 6 개의 서로 다른 양식에서 서로 다른 측정 (또는 보완 정보)을 그룹화하면 최고의 개별 양식을 갖는 두 분류기를 함께 사용하는 것보다 6 개의 이진 분류 그룹 모두 (결합된 ROI 또는 결합된 VOI 또는 모두의 조합 사용)에서 훨씬 더 나은 성능을 나타냄을 보여주었다. Therefore, the main goal of the present invention was to combine five different imaging modalities (sMRI, AV45, FDG-PET, DTI and rs-fMRI) with APOE genotyping to build a multimodal system for AD detection. Additionally, three methods (completely different from each other) were used to distinguish AD from other groups. Additionally, no single modality of neuroimaging can achieve high performance or classify six binary classification groups (AD vs. HC, MCI vs. MCIc, AD vs. MCIc, AD vs. MCI, HC vs. MCIc, HC vs. MCI). Based on this, we wanted to know which combined methods performed well in the classification step (whole brain or voxel analysis). We also aimed to use voxel of interest (VOI) and graph methods to discover areas where the above six binary groups differ significantly from each other. Whole brain segmentation and voxel approach were used to study regional and voxel differences in all six binary classification groups. NiftyReg (Gupta et al., 2019a; Young et al., 2013), pyClusterROI script (Craddock et al., 2012), PANDA (Cui et al., 2013), DPRASF (Yan, 2010) and SPM12 (Ashburner and Friston , 2001), the integrated CAT12 toolbox extracted features from structural and functional neuroimaging data. Additionally, graph-based analyzes (John et al., 2017; Peraza et al., 2019) were performed to study the organization of network connectivity using anatomical features (including GM volume, cortical thickness, and WM pathways between GM regions). , regional time series of 200 brain regions included in the Craddock atlas were used. For this graph-based analysis, we used the BRAPH toolbox (Mijalkov et al., 2017). Later, the MKL algorithm based on the EasyMKL (Aiolli and Donini, 2015; Donini et al., 2019) classifier was applied for classification and data fusion. This classifier works by simultaneously learning predictor variables and kernel combination weights. We also applied a one-time cross-validation technique to help find the optimal hypermeter for the MKL classifier. In this study, a radial basis function (RBF)-SVM classifier was applied and the results were compared with those obtained from EasyMKL. Our results show that grouping different measurements (or complementary information) from six different modalities results in better results for all six binary classification groups (combined ROI or combined VOI or (using a combination of all) showed much better performance.

한국등록특허 제1929965호Korean Patent No. 1929965 한국등록특허 제2241357호Korean Patent No. 2241357 한국공개특허 제2143940호Korean Patent Publication No. 2143940

본 발명의 목적은 신경 영상 방식(sMRI, AV45, FDG, rs-fMRI 및 DTI)을 유전자 바이오 마커(APOE)와 결합하여 전뇌, 복셀 방식, 및 그래픽 분석 방법을 사용하여 정상인으로부터 알츠하이머병 또는 경도인지장애 분류를 위한 진단정보 제공방법을 제공하는 것이다. The purpose of the present invention is to combine neuroimaging methods (sMRI, AV45, FDG, rs-fMRI, and DTI) with genetic biomarkers (APOE) to detect Alzheimer's disease or mild cognitive impairment in normal subjects using whole-brain, voxel-wise, and graphical analysis methods. It provides a method of providing diagnostic information for classification of disorders.

본 발명은 1) 커널 매트릭스(kernel matrix) 계산 단계; 2) 커널 매트릭스 조합 단계; 3) 커널 매트릭스 정규화 단계; 4) 커널 매트릭스 선택 및 분류 단계; 5) 교차 검증하는 단계; 및 6) 알츠하이머병의 단계를 분류하는 단계를 포함하고, 상기 1) 커널 매트릭스(kernel matrix) 계산 단계는, 1-1) 전체 뇌 분할 분석(whole-brain parcellation analysis)으로 커널 매트릭스를 계산하는 단계; 1-2) 복셀 기반 형태 측정법(voxel-based morphometry)으로 커널 매트릭스를 계산하는 단계; 및 1-3) 그래프 이론 방법(graph theory method)로 커널 매트릭스를 계산하는 단계;로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 단계를 포함하는 알츠하이머병의 진행 단계 분류를 위한 진단정보 제공방법을 제공한다.The present invention includes 1) calculating a kernel matrix; 2) Kernel matrix combination step; 3) Kernel matrix normalization step; 4) Kernel matrix selection and classification step; 5) Cross-validation step; and 6) classifying the stage of Alzheimer's disease, wherein the 1) kernel matrix calculation step includes 1-1) calculating the kernel matrix through whole-brain parcellation analysis. ; 1-2) Calculating a kernel matrix using voxel-based morphometry; and 1-3) calculating a kernel matrix using a graph theory method.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 커널 매트릭스(kernel matrix)는 sMRI, FDG-PET, AV45-PET, DTI 및 rs-fMRI을 포함하는 것이고, 상기 커널 매트릭스(kernel matrix)는 아포지단백 E 유전형(apolipoprotein E genotype)을 포함하는 것이다.According to one embodiment of the present invention, the kernel matrix includes sMRI, FDG-PET, AV45-PET, DTI, and rs-fMRI, and the kernel matrix includes apolipoprotein E genotype ( apolipoprotein E genotype).

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 1-1) 단계는 니프티레그(NiftyReg), 파이클러스터알오아이(pyClusterROI) 및 판다(PANDA) 도구상자를 이용하여 커널 매트릭스를 계산하는 것이고, 상기 1-2) 단계는 SPM12, DPARSF 및 FSL 도구상자를 이용하여 커널 매트릭스를 계산하는 것이다.According to another embodiment of the present invention, step 1-1) calculates the kernel matrix using NiftyReg, pyClusterROI, and PANDA toolboxes, and the 1-1) Step 2) is to calculate the kernel matrix using SPM12, DPARSF and FSL toolbox.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 rs-fMRI 특징은 REHO, ALFF 및 FALFF를 포함하는 것이다.According to another embodiment of the present invention, the rs-fMRI features include REHO, ALFF, and FALFF.

또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 4) 단계는 다중커널학습(multiple kernel learning)으로 분류하는 것이고, 다중커널학습은 하기 [수학식 12]를 사용하는 것이다.In addition, according to one implementation of the present invention, step 4) is classified as multiple kernel learning, and multiple kernel learning uses the following [Equation 12].

[수학식 12][Equation 12]

상기 [수학식 12]에서, K(x,y)로 sMRI, FDG, AV45, DTI, rs-fMRI 및 APOE를 정규화하는 것이고, 변수는 커널의 정규화된 값이며, w는 그에 따른 가중치임. 정규화된 각각의 값에 6개의 합이 1이 되도록 w 값을 각각 부여함. In [Equation 12] above, sMRI, FDG, AV45, DTI, rs-fMRI, and APOE are normalized by K(x,y), the variable is the normalized value of the kernel, and w is the corresponding weight. A w value is assigned to each normalized value so that the sum of the six values is 1.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 5) 단계는 leave-one-out 교차 검증을 사용하는 것이다.According to another implementation of the present invention, step 5) uses leave-one-out cross-validation.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 알츠하이머병의 진행 단계는 건강한 대조군, 경도 인지 장애, 전환성 인지 장애 및 알츠하이머병으로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것이다. According to another embodiment of the present invention, the progression stage of Alzheimer's disease is one selected from the group consisting of healthy control group, mild cognitive impairment, conversion cognitive disorder, and Alzheimer's disease.

본 발명의 알츠하이머병의 진행 단계 분류를 위한 진단정보 제공방법으로 특정 지표만으로 수행되는 검사와 비교하여 다양한 임상 지표에 관한 특징 및 그 추출과정의 변화에 따른 알츠하이머병 진행 단계를 분류할 수 있는 최적의 진단 수단을 제공하는 효과를 가질 수 있다. The method of providing diagnostic information for classifying the progression stage of Alzheimer's disease according to the present invention is the optimal method for classifying the progression stage of Alzheimer's disease according to the characteristics of various clinical indicators and changes in the extraction process compared to tests performed only with specific indicators. It can have the effect of providing a diagnostic tool.

도 1은 다중모드 프레임 워크(multimodal framework)의 개요를 나타낸 것이다.
도 2는 rs-fMRI 영상에 대한 특징 추출 과정을 보여주는 파이프라인을 나타낸 것이다.
도 3은 MKL 분류 과정을 나타낸 것이다.
도 4는 whole-brain parcellation 분석을 사용한 (A) AD vs. HC, (B) MCIs vs. MCIc, (C) AD vs. MCIs, (D) AD vs. MCIc, (E) HC vs. MCIs, and (F) HC vs. MCIc에 대한 ROC 커브를 나타낸 것이다.
도 5는 whole-brain parcellation 분석을 사용한 Cohen's kappa plot을 나타낸 것이다.
도 6은 관심영역(ROI) 특징(EasyMKL)을 사용한 분류 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 voxel-wise(VOI) 특징(EasyMKL)을 사용하여 사용한 분류 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 voxel-wise 분석을 사용한 Cohen's kappa plot을 나타낸 것이다.
도 9는 AV45-PET 영상을 사용하여 (A) AD vs. HC, 및 (B) MCIs vs. MCIc에 영향 받는 영역을 나타낸 것이다.
도 10은 DTI 영상을 사용하여 (A) AD vs. HC, 및 (B) MCIs vs. MCIc 분류를 위해 선택된 WM voxels를 나타낸 것이다.
도 11은 voxel-wise 분석을 사용한 (A) AD vs. HC, (B) MCIs vs. MCIc, (C) AD vs. MCIs, (D) AD vs. MCIc, (E) HC vs. MCIs, and (F) HC vs. MCIc에 대한 ROC 커브를 나타낸 것이다.
도 12는 whole-brain 및 voxel-wise 특징(EasyMKL)을 갖는 combined-(VOI+ROI) 특징을 사용한 분류 결과를 나타낸 것이다.
도 13은 combined-(VOI+ROI)을 사용한 (A) AD vs. HC, (B) MCIs vs. MCIc, (C) AD vs. MCIs, (D) AD vs. MCIc, (E) HC vs. MCIs, and (F) HC vs. MCIc에 대한 ROC 커브를 나타낸 것이다.
도 14는 sMRI 바이오 마커에 대한 AD, HC, MCIs 및 MCIc의 384 영역의 가중 상관 매트릭스 그래프를 나타낸 것이다.
도 15는 글로벌 구조 토폴로지(global structural topology)에서 AD vs. HC 군 사이의 차이를 나타낸 것이다.
도 16은 글로벌 구조 토폴로지(global structural topology)에서 MCIs vs. MCIc 군 사이의 차이를 나타낸 것이다.
도 17은 AD vs. HC 및 MCIs vs. MCIc 군의 차이를 구별할 수 있는 가장 예상되는 영역을 나타내는 뇌 지도를 나타낸 것이다.
도 18은 EasyMKL 및 RBF-SVM 분류기 사이의 분류결과 비교를 나타낸 것이다.
도 19는 voxel-wise 및 그래프 분석을 사용하여 모든 6개의 이진 분류 그룹에서 발견된 가장 의미있는 뇌 영역을 나타낸 것이다.
Figure 1 shows an overview of a multimodal framework.
Figure 2 shows a pipeline showing the feature extraction process for rs-fMRI images.
Figure 3 shows the MKL classification process.
Figure 4 shows (A) AD vs. whole-brain parcellation analysis. HC, (B)MCIs vs. MCIc, (C) AD vs. MCIs, (D) AD vs. MCIc, (E)HC vs. MCIs, and (F) HC vs. This shows the ROC curve for MCIc.
Figure 5 shows Cohen's kappa plot using whole-brain parcellation analysis.
Figure 6 shows the classification results using region of interest (ROI) features (EasyMKL).
Figure 7 shows the classification results using voxel-wise (VOI) features (EasyMKL).
Figure 8 shows Cohen's kappa plot using voxel-wise analysis.
Figure 9 shows (A) AD vs. AD using AV45-PET images. HC, and (B) MCIs vs. This shows the area affected by MCIc.
Figure 10 shows (A) AD vs. AD using DTI images. HC, and (B) MCIs vs. This shows the WM voxels selected for MCIc classification.
Figure 11 shows (A) AD vs. voxel-wise analysis. HC, (B)MCIs vs. MCIc, (C) AD vs. MCIs, (D) AD vs. MCIc, (E)HC vs. MCIs, and (F) HC vs. This shows the ROC curve for MCIc.
Figure 12 shows classification results using combined-(VOI+ROI) features with whole-brain and voxel-wise features (EasyMKL).
Figure 13 shows (A) AD vs. AD using combined-(VOI+ROI). HC, (B) MCIs vs. MCIc, (C) AD vs. MCIs, (D) AD vs. MCIc, (E)HC vs. MCIs, and (F) HC vs. This shows the ROC curve for MCIc.
Figure 14 shows a weighted correlation matrix graph of 384 regions of AD, HC, MCIs, and MCIc for sMRI biomarkers.
15 shows AD vs. AD in global structural topology. This shows the difference between the HC group.
Figure 16 shows MCIs vs. MCIs in global structural topology. This shows the difference between the MCIc group.
17 shows AD vs. HCs and MCIs vs. This is a brain map showing the most expected area to distinguish between the MCIc group.
Figure 18 shows a comparison of classification results between EasyMKL and RBF-SVM classifiers.
Figure 19 shows the most significant brain regions found in all six binary classification groups using voxel-wise and graph analysis.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 제한되는 것으로 해석되지는 않는다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. Since these examples are merely for illustrating the present invention, the scope of the present invention is not to be construed as limited to these examples.

<실시예 1> Participants<Example 1> Participants

본 발명을 위해 ADNI 홈페이지에서 APOE 유전자형과 함께 5 가지 이미지 양식(sMRI, rs-fMRI, FDG-PET, AV45-PET 및 DTI)을 모두 사용할 수 있는 모든 대상의 데이터를 다운로드했다. 총 129 명의 피험자가 건강한 대조군 (healthy control, HC, n = 35), MCIc (n = 31), MCI (n = 30) 또는 AD (n = 33)로 분류되었으며 성별과 연령 비율이 일치한다. HC 그룹에서 참가자는 글로벌 임상 치매 등급 (clinical dementia rating, CDR) 점수가 0점, 미니 정신 상태 검사 (mini-mental state examination, MMSE) 점수가 27~30점, 기능 활동 설문지 (functional activities questionnaire, FAQ) 점수가 0~4점, 노인 우울증 척도 (geriatric depression scale, GDS) 점수는 0~4이다. MCI 그룹에서 MMSE 점수는 25~30점, FAQ 점수는 0~16점, GDS 점수는 0~13점이다. MCIc 그룹에서는 MMSE 점수가 19~30점, FAQ 점수는 0~18점, GDS 점수는 0~10점이다. AD 그룹에서 환자는 전체 CDR 점수 1점, MMSE 점수 14~24점, FAQ 점수 3~28점, GDS 점수 0~7점이다.For this study, we downloaded the data of all subjects for whom all five imaging modalities (sMRI, rs-fMRI, FDG-PET, AV45-PET, and DTI) along with APOE genotype were available from the ADNI website. A total of 129 subjects were classified as healthy control (HC; n = 35), MCIc (n = 31), MCI (n = 30), or AD (n = 33) and matched in gender and age ratio. In the HC group, participants had a global clinical dementia rating (CDR) score of 0, a mini-mental state examination (MMSE) score of 27 to 30, and a functional activities questionnaire (FAQ). ) score is 0 to 4, and geriatric depression scale (GDS) score is 0 to 4. In the MCI group, the MMSE score is 25 to 30 points, the FAQ score is 0 to 16 points, and the GDS score is 0 to 13 points. In the MCIc group, the MMSE score was 19 to 30 points, the FAQ score was 0 to 18 points, and the GDS score was 0 to 10 points. In the AD group, patients had an overall CDR score of 1, MMSE score of 14 to 24, FAQ score of 3 to 28, and GDS score of 0 to 7.

추적된 지 18 개월 미만이고 이 기간 내에 전환하지 않은 MCI 피험자는 고려하지 않았다. 표 1은 평균 연령과 그룹 별 성별 비율을 포함한 참가자 인구 통계 정보를 보여준다. MCI subjects who were followed for less than 18 months and did not convert within this period were not considered. Table 1 shows participant demographic information, including mean age and gender ratio by group.

GroupGroup AD (n = 33)AD (n = 33) MCIc (n = 31)MCIc (n = 31) MCIs (n = 30)MCIs (n = 30) HC (n = 35)HC (n = 35) Sex (M/F)Sex (M/F) 21/1221/12 16/1516/15 17/1317/13 14/2114/21 AgeAge 75.65± 8.6175.65± 8.61 72.27± 7.4072.27± 7.40 72.90± 7.8672.90± 7.86 77.83± 6.1777.83±6.17 Body Weight (kg)Body Weight (kg) 75.81±13.6075.81±13.60 80.71±17.4380.71±17.43 82.14±15.0382.14±15.03 75.76±18.6275.76±18.62 FAQ scoreFAQ score 19.34± 6.5319.34±6.53 6.16± 7.38 6.16± 7.38 1.86± 2.99 1.86± 2.99 0.13± 0.48 0.13± 0.48 NPI-Q scoreNPI-Q score 4.46± 4.01 4.46± 4.01 2.64± 3.32 2.64±3.32 1.66± 1.61 1.66± 1.61 0.33± 0.78 0.33± 0.78 GDS scoreGDS score 2.37± 2.59 2.37± 2.59 2.03± 2.02 2.03± 2.02 1.26± 0.96 1.26± 0.96 1.13± 1.79 1.13± 1.79 MMSE scoreMMSE score 19.59± 4.5619.59± 4.56 26.32± 3.8526.32± 3.85 28.03± 1.2528.03± 1.25 29.13± 1.2029.13± 1.20

이 그룹 간의 인구 통계 및 임상 특징에서 통계적으로 유의미한 변화를 평가하기 위해 유의 수준을 0.05로 설정하여 Student 's t-test를 사용 했다. 연령 또는 성별 비율에 있어서 그룹 간에 유의미한 차이(p-value> 0.05)는 발견되지 않았다.To assess statistically significant changes in demographic and clinical characteristics between these groups, Student's t-test was used with the significance level set at 0.05. No significant differences (p-value > 0.05) were found between groups in age or gender ratio.

편향되지 않은 성능 추정치를 얻기 위해 분류 그룹을 훈련 및 테스트 세트에 대해 70:30의 비율로 두 개의 클러스터로 무작위로 분할했다. 모델은 훈련 세트에서 훈련되었고, 진단 특이성과 민감도의 성능 측정은 별도의 테스트 세트에서 수행되었다. 분할 단계에서 연령과 성별 분포를 유지했다.To obtain unbiased performance estimates, the classification group was randomly split into two clusters in a 70:30 ratio for the training and test sets. The model was trained on the training set, and performance measurements of diagnostic specificity and sensitivity were performed on a separate test set. Age and gender distribution were maintained during the segmentation stage.

<실시예 2> Three Features <Example 2> Three Features

2-1. sMRI acquisition2-1. sMRI acquisition

ADNI 홈페이지에서 1.5T T1 강조 MR 영상을 획득하였다. MRI 이미지는 Philips, GE 또는 Siemens Medical 시스템 스캐너를 사용하여 데이터 센터에서 얻었다. 스캐너마다 획득 프로토콜이 다르기 때문에 이미지 정규화 단계는 ADNI에서 수행했다. 이미지 보정에는 보정, 그래디언트 비선형성(grad-warp)으로 인한 이미지 기하학 왜곡, 파동으로 인한 강도 불균일성 감소 또는 ADNI에 의해 각 이미지에 사용된 1.5T 스캔의 잔류 강도 불균일성이 포함되었다. sMRI 영상에 대한 자세한 내용은 ADNI 웹사이트(http://adni.loni.usc.edu/methods/mri-tool/mri-analysis/)에서 확인할 수 있다. 모든 스캔은 각 스캔 사이에 간격이 있는 해상도를 가졌다. 본 발명에서는 FMRIB 소프트웨어 라이브러리(FSL, v.6.0)(Smith, 2002) 도구 상자를 사용하여 얻은 sMRI 이미지를 다시 전처리했다. 해부학적 sMRI 이미지의 경우, 여기에는 BET 기능을 사용하여 각 이미지에서 비뇌 조직 추출이 포함된다. 그런 다음 각 이미지의 불균일한 인공물을 수정하기 위해 N4 바이어스 필드 수정을 위해 두개골이 벗겨진 이미지를 ANT(Tustison et al., 2010) 도구 상자에 전달했다. 표준 Montreal Neurological Institute(MNI) 152 템플릿(Grabner et al., 2006)에 공동 등록을 위해 FSL 도구 상자(Jenkinson et al., 2012)도 사용했다.1.5T T1-weighted MR images were obtained from the ADNI website. MRI images were obtained in a data center using Philips, GE, or Siemens Medical system scanners. Because each scanner has different acquisition protocols, the image normalization step was performed by ADNI. Image correction included correction, distortion of image geometry due to gradient nonlinearity (grad-warp), reduction of intensity non-uniformity due to undulation, or residual intensity non-uniformity of the 1.5T scan used for each image by ADNI. Detailed information about sMRI imaging can be found on the ADNI website (http://adni.loni.usc.edu/methods/mri-tool/mri-analysis/). All scans had resolution with intervals between each scan. In the present invention, the obtained sMRI images were preprocessed again using the toolbox of the FMRIB software library (FSL, v.6.0) ( Smith, 2002 ). For anatomical sMRI images, this involves extracting non-brain tissue from each image using the BET function. We then passed the skull-stripped images into the ANT (Tustison et al., 2010) toolbox for N4 bias field correction to correct for non-uniform artifacts in each image. We also used the FSL toolbox (Jenkinson et al., 2012) for coregistration to the standard Montreal Neurological Institute (MNI) 152 template (Grabner et al., 2006).

2-2. FDG-PET image acquisition2-2. FDG-PET image acquisition

ADNI는 4가지 유형의 FDG-PET 샘플을 제공하며, 이는 1) Co-registered Dynamic; 2) 공동 등록, 평균; 3) 공동 등록, 평균, 표준화된 이미지 및 복셀 크기 및 4) Co-reg, Avg, Std Img 및 Vox Siz, 균일 해상도로 명명된다. 유형 (3) 기준 FDG-PET 이미지는 ADNI 홈페이지에서 다운로드했다.ADNI offers four types of FDG-PET samples: 1) Co-registered Dynamic; 2) co-registration, average; 3) Co-registration, average, normalized image and voxel size and 4) Co-reg, Avg, Std Img and Vox Siz, named Uniform Resolution. Type (3) standard FDG-PET images were downloaded from the ADNI website.

다운로드한 기준선 FDG-PET 샘플은 DICOM 형식이었다. 첫 번째 단계에서 dcm2nii(Li et al., 2016) 도구 상자를 사용하여 이러한 DICOM 형식 이미지를 Nifty 형식으로 변환했다. 나중에 이러한 이미지는 복셀 크기가 2 x 2 x 2 mm3 인 표준 91 x 109 x 91 텐서 차원 이미지 그리드와 함께 SPM12 도구 상자(MATLAB 2019b에 통합됨)를 사용하여 MNI 152 템플릿으로 공간적으로 정규화되었다. 이 이미지 그리드는 환자의 후방(AC-PC) 축이 AC-PC 라인과 평행한 것으로부터 유래되었다. 위의 정규화 단계는 두 가지 수준, 즉 비강체 공간 변환이 뒤따르는 전역 아핀 변환으로 수행된다. 일반적인 아핀 변환에는 12개 매개변수 설계가 필요하지만 비강체 공간 변환은 3차원 코사인 변환의 가장 낮은 주파수 요소 시퀀스를 사용한다. 또한, 강도 정규화 단계는 AAL 템플릿 이미지의 도움으로 얻은 전역 GM의 평균 점수로 각 복셀을 깊이별로 분할하여 수행되었다. FDG-PET 이미징에 대한 자세한 내용은 ADNI 홈페이지(http://adni.loni.usc.edu/methods/pet-analysis-method/pet-analysis/)에서 확인할 수 있다. 또한 이러한 전처리 단계를 완료한 후 SPM12 도구 상자를 사용하여 FDG-PET 이미지를 해당 sMRI T1 강조 이미지에 공동 등록했다.The downloaded baseline FDG-PET sample was in DICOM format. In the first step, these DICOM format images were converted to Nifty format using the dcm2nii (Li et al., 2016) toolbox. Later, these images were spatially normalized to the MNI 152 template using the SPM12 toolbox (integrated in MATLAB 2019b) with a standard 91 x 109 x 91 tensor dimension image grid with voxel size of 2 x 2 x 2 mm3 . This image grid was derived from the patient's posterior (AC-PC) axis being parallel to the AC-PC line. The above regularization step is performed at two levels: a global affine transformation followed by a non-rigid spatial transformation. A typical affine transform requires a 12-parameter design, whereas a non-rigid space transform uses a sequence of the lowest frequency elements of a three-dimensional cosine transform. Additionally, an intensity normalization step was performed by segmenting each voxel by depth with the average score of the global GM obtained with the help of the AAL template image. Detailed information about FDG-PET imaging can be found on the ADNI website (http://adni.loni.usc.edu/methods/pet-analysis-method/pet-analysis/). Additionally, after completing these preprocessing steps, the FDG-PET images were coregistered to the corresponding sMRI T1-weighted images using the SPM12 toolbox.

2-3. AV45-PET image acquisition2-3. AV45-PET image acquisition

ADNI는 다음과 같은 네 가지 유형의 AV45-PET 샘플을 제공하고, 이는 1) AV45 공동 등록, dynamic; 2) AV45 공동 등록, 평균; 3) AV45 Co-reg, Avg, 표준화된 이미지 및 복셀 크기 및 4) AV45 Co-reg, Avg, Std Img 및 Vox Siz, 균일한 해상도이다. 유형 (3) 기준 AV45-PET 이미지는 ADNI 홈페이지에서 다운로드했다. 각 스캔에 대해 NeuroStat "mcoreg" 루틴(ADNI 조직이 뒤따름)을 사용하여 5분 프레임(플로베타피르의 경우 4개, 주입 후 50-70분 획득)을 프레임(강체 번역/회전, 6개의 자유도)에 공동 등록했다 (Jagust et al., 2015). 다운로드한 기준 AV45-PET 샘플은 DICOM 및 ECAT 형식이었다. 첫 번째 단계에서 dcm2nii(Li et al., 2016) 도구 상자를 사용하여 이 DICOM 및 ECAT 형식 이미지를 Nifty 형식으로 변환했다. 나중에 이 이미지는 FDG-PET 이미지에 대해 섹션 2.2에서 도입한 것과 동일한 프로세스를 사용하여 복셀 크기가 2 x 2 x 2 mm3 인 표준 91 x 109 x 91 텐서 차원 이미지 그리드와 함께 SPM12 도구 상자(MATLAB 2019b에 통합됨)를 사용하여 MNI 152 템플릿으로 공간적으로 정규화되었다. AV45-PET 이미징에 대해 더욱 자세한 내용은 ADNI 웹사이트(http://adni.loni.usc.edu/methods/pet-analysis-method/pet-analysis/)에서 확인할 수 있다. 또한 위에서 언급한 전처리 단계를 완료한 후 SPM12 도구 상자를 사용하여 AV45-PET 이미지를 해당 sMRI T1 강조 이미지에 공동 등록했다.ADNI offers four types of AV45-PET samples: 1) AV45 co-registered, dynamic; 2) AV45 co-registration, average; 3) AV45 Co-reg, Avg, standardized image and voxel size and 4) AV45 Co-reg, Avg, Std Img and Vox Siz, uniform resolution. Type (3) standard AV45-PET image was downloaded from the ADNI website. For each scan, 5-min frames (4 for flobetapyr, acquired 50–70 min post-injection) were captured using the NeuroStat “mcoreg” routine (followed by ADNI histology) (rigid-body translation/rotation, 6 free). (Jagust et al., 2015). The downloaded baseline AV45-PET samples were in DICOM and ECAT format. In the first step, these DICOM and ECAT format images were converted to Nifty format using the dcm2nii (Li et al., 2016) toolbox. Later, these images were scanned into the SPM12 toolbox (MATLAB 2019b ) with a standard 91 was spatially normalized to the MNI 152 template using (incorporated in). More detailed information about AV45-PET imaging can be found on the ADNI website (http://adni.loni.usc.edu/methods/pet-analysis-method/pet-analysis/). Additionally, after completing the preprocessing steps mentioned above, AV45-PET images were coregistered to the corresponding sMRI T1-weighted images using the SPM12 toolbox.

2-4. Resting-state functional MR image (rs-fMRI) acquisition2-4. Resting-state functional MR image (rs-fMRI) acquisition

3.0-T Philips Medical sMRI 스캐너를 사용하여 fMRI 이미지를 획득했다. 모든 rs-fMRI 이미지는 ADNI 홈페이지에서 가져왔다. 각 주제에 대한 샘플은 6720개의 DICOM 이미지로 구성되었다. 환자는 스캔 과정에서 생각하지 않고 긴장을 풀고 스캐너에 누워 있어야 했다. 시퀀스 매개변수는 다음과 같다: 펄스 시퀀스 = GR, TR = 3000 ms, TE = 30 ms, 플립 각도 = 80°, 데이터 매트릭스 = 64 x 64, 픽셀 간격 X, Y = 3.31 mm 및 3.31 mm, 슬라이스 두께 = 3.33 mm, 축 슬라이스 = 48, 슬라이스 갭 없음, 시점 = 140. rs-fMRI 영상의 신호대잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)가 제한적이기 때문에 수집된 데이터는 fMRI 영상에 대한 잡음의 영향을 줄이기 위해 전처리되었다. rs-fMRI 이미지의 사전 처리를 위해 Data Processing Assistant for Resting-state fMRI(DPARSF)(Yan, 2010) 소프트웨어를 사용했고, 소프트웨어는 (http://d.rnet.co/DPABI/DPABI_V2.3_170105.zip)에서 다운로드할 수 있다. 각 피사체에 대해 전체 전처리는 9단계로 나누어진다: DICOM 형식을 NIFTY 형식으로 변환, 처음 10개 시점 제거, 슬라이싱 타이밍, 이미지의 시계열을 조정하기 위한 머리 움직임 보정, 뇌는 모든 이미지에서 동일한 방향에 위치, 정규화, 반값 전폭으로 평활화(FWHM), 선형 경향을 제거하여 시간이 지남에 따라 체계적으로 증가하거나 감소하는 잔류 노이즈를 제거(Smith et al., 1999), 0.01-0.08 Hz 변동을 유지하기 위한 시간적 필터링, 및 생리학적 인공물(Fransson, 2005), 비뉴런 혈액 산소 수준 의존(BOLD) 변동 및 머리 움직임을 제거하기 위한 공변량 제거.fMRI images were acquired using a 3.0-T Philips Medical sMRI scanner. All rs-fMRI images were retrieved from the ADNI website. The sample for each subject consisted of 6720 DICOM images. Patients were asked to lie in the scanner, relaxed and without thinking during the scanning process. Sequence parameters are as follows: pulse sequence = GR, TR = 3000 ms, TE = 30 ms, flip angle = 80°, data matrix = 64 x 64, pixel spacing X, Y = 3.31 mm and 3.31 mm, slice thickness. = 3.33 mm, axial slice = 48, no slice gap, viewpoint = 140. Because the signal-to-noise ratio (SNR) of rs-fMRI images is limited, the collected data does not reflect the effect of noise on fMRI images. preprocessed to reduce For preprocessing of rs-fMRI images, we used the Data Processing Assistant for Resting-state fMRI (DPARSF) (Yan, 2010) software, available at (http://d.rnet.co/DPABI/DPABI_V2.3_170105.zip) ) can be downloaded from. For each subject, the entire preprocessing is divided into 9 steps: converting DICOM format to NIFTY format, removing the first 10 viewpoints, slicing timing, head movement correction to adjust the time series of images, and ensuring that the brain is positioned in the same orientation in all images. , normalization, smoothing at full width at half maximum (FWHM), removes residual noise that systematically increases or decreases over time by removing linear trends (Smith et al., 1999), and temporal noise to maintain 0.01-0.08 Hz variation. Filtering, and covariate removal to remove physiological artifacts (Fransson, 2005), non-neuronal blood oxygen level-dependent (BOLD) fluctuations, and head movements.

2-5. Diffusion tensor imaging (DTI) imaging acquisition2-5. Diffusion tensor imaging (DTI) imaging acquisition

DTI 이미지도 ADNI 홈페이지에서 다운로드했다. DTI 프로토콜은 TR/TE가 12000/1046 ms, 복셀 크기가 0.9375 x 0.9375 x 2.35 mm3, 매트릭스 크기가 256 x 256, 45 슬라이스, 30 그래디언트 방향, 및 b 값이 1000 s/mm2 인 스핀 에코 확산 가중 에코 평면 이미징을 사용했다. DTI 이미징에 대한 자세한 내용은 ADNI 웹페이지(http://adni.loni.usc.edu/data-samples/data-types/)에서 확인할 수 있다. 이 ADNI 프로토콜은 고정된 스캔 시간에서 SNR을 최적화하기 위해 여러 다른 DTI 프로토콜을 자세히 비교한 후 선택되었다(Chen et al., 2018; Jahanshad et al., 2013). DTI 데이터의 전처리는 FSL(Version 6.0, FMRIB, Oxford, UK)의 확산 도구 상자를 사용하여 수행되었다. FSL 사전 처리에는 (i) 와전류 및 머리 움직임에 대한 수정, (ii) 두개골 스트리핑, (iii) 데이터를 확산 텐서 모델에 피팅하여 분수의 이방성(fractional anisotropy, FA) 및 평균 확산(mean diffusivity, MD)의 맵을 계산하는 것이 포함되었다. FSL 도구 상자를 사용하여 소용돌이 및 EPI 보정 DWI 이미지의 각 복셀에 단일 확산 텐서를 장착했다. 스칼라 이방성 맵은 결과적 확산 텐서 고유값 λ1, λ2, 및 λ3에서 얻었다. 확산 이방성의 정도를 측정하는 FA는 다음과 같이 표준 방식으로 정의되었다.DTI images were also downloaded from the ADNI website. The DTI protocol uses spin- echo diffusion with TR/TE of 12000/1046 ms, voxel size of 0.9375 Weighted echo-planar imaging was used. More information about DTI imaging can be found on the ADNI webpage (http://adni.loni.usc.edu/data-samples/data-types/). This ADNI protocol was selected after a detailed comparison of several other DTI protocols to optimize SNR at a fixed scan time (Chen et al., 2018; Jahanshad et al., 2013). Preprocessing of DTI data was performed using the diffusion toolbox in FSL (Version 6.0, FMRIB, Oxford, UK). FSL preprocessing includes (i) correction for eddy currents and head motion, (ii) skull stripping, and (iii) fitting the data to a diffusion tensor model to determine fractional anisotropy (FA) and mean diffusivity (MD). It involved calculating a map of . A single diffusion tensor was fitted to each voxel of the vortex- and EPI-corrected DWI image using the FSL toolbox. Scalar anisotropy maps were obtained from the resulting diffusion tensor eigenvalues λ 1 , λ 2 , and λ 3 . FA, which measures the degree of diffusion anisotropy, was defined in a standard way as follows.

여기서 <λ>는 MD 또는 모든 방향의 평균 확산 비율과 같다. 결과 이미지는 SNR을 개선하고 맵의 가우스 분포를 보장하기 위해 5mm FWHM의 가우스 커널로 매끄럽게 했다.where <λ> is equal to MD or the average diffusion rate in all directions. The resulting images were smoothed with a Gaussian kernel of 5 mm FWHM to improve SNR and ensure a Gaussian distribution of the maps.

2-6. APOE genotype2-6. APOE genotype

각 피험자에 대한 APOE 유전자형도 ADNI 홈페이지에서 얻었다. APOE 유전자형은 보균자에서 산발성 알츠하이머병 발병 위험에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 각 피험자의 APOE 유전자형은 두 개의 대립 유전자가 혈액에 존재하는 것을 나타내는 한 쌍의 숫자로 기록되었다. 이 유전적 특징은 각 참가자에 대한 단일 범주형 변수였으며 5가지 가능한 값 중 하나를 가질 수 있었다: (ε2, ε3), (ε2, ε4), (ε3, ε3), (ε3, ε4) 및 (ε4, ε4). 가장 흔한 대립 유전자는 APOE ε3이지만 APOE-ε4 변이의 보인자는 알츠하이머병 발병 위험이 증가하는 반면 APOE ε2 변이는 보인자를 보호한다(Michaelson, 2014). 세 가지 유전적 다형성 중 APOE는 MCI 상태 및 안정성과 가장 높은 상관관계를 보인다(Brainerd et al., 2013). 최근 여러 연구에서 APOE-ε4 상태를 알츠하이머병으로의 전임상 진행의 비교적 늦은 위험과 연결했다. 최근까지 ε4 변이체(ε4/ε4 및 ε4/ε3 조합 포함)는 MCI 상태와 일관되지 않게 연결되었으며, 이는 상태 분류의 임상적 및 방법론적 차이를 모두 반영하는 것 같다. 본 발명에서 유전자형 데이터는 스캔 당시 채취한 10ml 혈액 샘플에서 얻었고 분석을 위해 즉시 펜실베니아 대학교 AD Biomarker Fluid Bank Laboratory로 보냈다.The APOE genotype for each subject was also obtained from the ADNI website. APOE genotype is known to affect the risk of developing sporadic Alzheimer's disease in carriers. Each subject's APOE genotype was recorded as a pair of numbers indicating which two alleles were present in the blood. This genetic trait was a single categorical variable for each participant and could take on one of five possible values: (ε2, ε3), (ε2, ε4), (ε3, ε3), (ε3, ε4), and ( ε4, ε4). The most common allele is APOE ε3, but carriers of the APOE-ε4 variant have an increased risk of developing Alzheimer's disease, while the APOE ε2 variant protects carriers (Michaelson, 2014). Among the three genetic polymorphisms, APOE shows the highest correlation with MCI status and stability (Brainerd et al., 2013). Several recent studies have linked APOE-ε4 status to a relatively late risk of preclinical progression to Alzheimer's disease. Until recently, ε4 variants (including ε4/ε4 and ε4/ε3 combinations) were inconsistently linked to MCI status, likely reflecting both clinical and methodological differences in classification of the condition. In the present invention, genotype data was obtained from a 10 ml blood sample taken at the time of scanning and immediately sent to the AD Biomarker Fluid Bank Laboratory at the University of Pennsylvania for analysis.

<실시예 3> Three Feature Extraction Processes<Example 3> Three Feature Extraction Processes

도 1은 제안된 프레임워크의 블록도를 보여준다. 본 발명에서는 각 이미징 양식에서 특징을 추출하기 위해 세 가지 유형의 분석을 수행했다.Figure 1 shows a block diagram of the proposed framework. In the present invention, three types of analyzes were performed to extract features from each imaging modality.

(1) 전체 뇌의 구획(아틀라스 기반 분할)은 신경 영상을 통해 뇌 영역을 측정하는 비 침습적 방법을 제공하는 정량적인 방법이다. 해당 수동 세분화는 물론 sMRI 스캔을 사용하여 라벨이 없는 이미지에 조직 라벨을 할당하여 작동한다.(1) Whole brain segmentation (atlas-based segmentation) is a quantitative method that provides a non-invasive way to measure brain regions through neuroimaging. It works by assigning tissue labels to unlabeled images using sMRI scans as well as corresponding manual segmentation.

- sMRI, FDG 및 AV45-PET 스캔의 경우 각각에서 384 개의 관심 영역 (ROI)을 추출하기 위해 2mm Atlas of Intrinsic Connectivity of Homotopic Areas(AICHA) 템플릿 이미지 (Joliot et al., 2015)를 사용- For sMRI, FDG and AV45-PET scans, a 2mm Atlas of Intrinsic Connectivity of Homotopic Areas (AICHA) template image (Joliot et al., 2015) was used to extract 384 regions of interest (ROIs) from each.

- rs-fMRI 및 DTI 스캔의 경우 각 rs-fMRI 이미지와 2mm Johns Hopkins University에서 200개의 ROI를 추출하기 위해 2mm Craddock 아틀라스 템플릿(Craddock et al., 2012)을 사용- For rs-fMRI and DTI scans, we used the 2mm Craddock atlas template (Craddock et al., 2012) to extract 200 ROIs from each rs-fMRI image and 2mm Johns Hopkins University.

- 각 DTI 이미지에서 50 개의 ROI를 추출하기 위해 각 rs-fMRI 이미지와 2mm Johns Hopkins University (JHU) WMlabels 아틀라스에서 200 개의 ROI를 추출- Extract 200 ROIs from each rs-fMRI image and the 2mm Johns Hopkins University (JHU) WMlabels atlas to extract 50 ROIs from each DTI image.

(2) 복셀 방식 분석 또는 형태 측정법(Voxel-wise analysis or morhpometry, voxel-based morphometry, VBM)은 여러 뇌 이미지를 복셀 방식의 비교를 통해 뇌 조직의 국소 농도 차이를 측정하는 신경 해부학에 대한 컴퓨터를 사용한 접근 방식이다. 통계를 사용하여 환자 그룹 간의 뇌 구조 차이를 인식하고, 이는 다시 질병 환자의 위축 또는 정상 조직 확장의 존재를 추론하는 데 사용할 수 있다.(2) Voxel-wise analysis or morhpometry (voxel-based morphometry, VBM) is a computerized study of neuroanatomy that measures local density differences in brain tissue through voxel-wise comparison of multiple brain images. This is the approach used. Statistics can be used to recognize differences in brain structure between patient groups, which in turn can be used to infer the presence of atrophy or normal tissue expansion in patients with the disease.

- sMRI, FDG 및 AV45-PET 스캔은 SPM12 도구 상자를 사용하여 VBM을 적용- sMRI, FDG and AV45-PET scans apply VBM using SPM12 toolbox

- rs-fMRI 스캔은 SPM12와 통합된 DPRASF 도구 상자를 사용하여 VBM을 적용- rs-fMRI scans apply VBM using DPRASF toolbox integrated with SPM12

- DTI 스캔은 FSL (v.6.0)의 TBSS (tract-based spatial statistics, 트랙 기반 공간 통계) 기능을 사용- DTI scans use the TBSS (tract-based spatial statistics) feature of FSL (v.6.0)

(3) 그래프 이론 방법은 대뇌 피질의 두께, 회백질 부피 및 회백질 영역간의 백질 트랙을 포함하여 뇌의 해부학적 특징을 통해 네트워크의 구성을 정량화하는 강인한 방법이다. 그래프 이론은 서로 다른 신경 영상 양식에 적용할 때 미리 결정된 구획 구조로 정의된 뇌 복셀 또는 영역으로 표현되는 결과는 정점 또는 노드가 있는 네트워크이며, 에지는 추정된 영역 간의 상관 강도로 추정되는 영역간의 개별 데이터 관계로 표시된다. 구조적 네트워크의 에지는 항상 지역 용량 간의 상관 관계로 표시되는 것이 아니라, 백질 트랙 연결 영역의 밀도 또는 수로 표시된다. sMRI, FDG 및 AV45-PET 네트워크의 분석에서 노드는 일반적으로 해부학적 세분화 또는 뇌를 여러 영역으로 분할하여 정의된다.(3) Graph theory methods are a robust method for quantifying the organization of networks through brain anatomical features, including cortical thickness, gray matter volume, and white matter tracks between gray matter regions. When applied to different neuroimaging modalities, graph theory suggests that the result, represented by brain voxels or regions defined by a predetermined compartmental structure, is a network with vertices or nodes, and edges are individual connections between regions, estimated by the strength of the correlation between the estimated regions. It is expressed as a data relationship. The edges of a structural network are not always represented by correlations between regional capacities, but rather by the density or number of white matter track-connected areas. In the analysis of sMRI, FDG and AV45-PET networks, nodes are usually defined by anatomical subdivisions or dividing the brain into multiple regions.

- 각 sMRI, FDG 및 AV45-PET 이미지에서 384 개의 ROI를 추출하기 위해 2mm AICHA 아틀라스 템플릿 이미지 (이미 384 개의 개별 영역으로 분할 됨)를 사용- Used a 2mm AICHA atlas template image (already segmented into 384 individual regions) to extract 384 ROIs from each sMRI, FDG and AV45-PET image

- 기능적 네트워크의 경우 rs-fMRI 및 DTI 이미지의 경우 200 개의 ROI 추출에 2mm Craddock 아틀라스 템플릿 이미지를 사용하고, 2mm JHU-WM (ICBM-DTI-81) 레이블 아틀라스를 사용- For functional networks, a 2mm Craddock atlas template image was used to extract 200 ROIs, and for rs-fMRI and DTI images, a 2mm JHU-WM (ICBM-DTI-81) label atlas was used.

- 각 DTI 이미지에서 50 개의 ROI를 추출- Extract 50 ROIs from each DTI image

- 네트워크의 노드가 정의된 후 서로 다른 지역 간의 관계를 나타내는 에지가 계산- After the nodes of the network are defined, edges representing relationships between different regions are calculated

- MATLAB 2019a에 통합 된 BRAPH 도구 상자 (Mijalkov et al., 2017)를 사용- Uses the BRAPH toolbox (Mijalkov et al., 2017) integrated into MATLAB 2019a

<실시예 4> Feature Extraction Using Atlas-Based Segmentation<Example 4> Feature Extraction Using Atlas-Based Segmentation

(1) 도 1과 같이 각 이미징 방식에 대한 일련의 이미지 전처리 단계를 완료 한 후에 각 방식에서 특징을 추출한다. 도 1의 분홍색 점선은 전체 뇌 분석을 위한 특징 추출을 보여준다. (1) After completing a series of image preprocessing steps for each imaging method, as shown in Figure 1, features are extracted from each method. The pink dotted line in Figure 1 shows feature extraction for whole brain analysis.

- sMRI, FDG 및 AV45-PET 이미지의 경우 각 이미지에서 384 개의 ROI를 추출하기 위해 2mm AICHA 아틀라스 템플릿 이미지를 사용 (Gupta et al., 2019a).- For sMRI, FDG and AV45-PET images, a 2 mm AICHA atlas template image was used to extract 384 ROIs from each image (Gupta et al., 2019a).

- 그런 다음 오픈 소스 NiftyReg 도구 상자 (Modat et al., 2010)를 사용하여 이미지를 처리(이 도구는 이미지에 대해 빠른 이형 비강성 등록(fast diffeomorphic non-rigid registration)을 수행하는 등록 도구)- Then process the images using the open source NiftyReg toolbox (Modat et al., 2010), a registration tool that performs fast diffeomorphic non-rigid registration on images.

등록 절차 이후, 384 개의 분할 영역이 있는 템플릿을 기반으로 대상 레이블이 지정된 이미지를 얻었다.After the registration procedure, target labeled images were obtained based on the template with 384 segments.

(2) 라벨링된 MR 및 PET 이미지의 384개의 ROI 각각에 대해 baseline MRI, FDG 및 AV45-PET 데이터에서 각각 회백질 부피와 포도당의 상대적 대뇌 대사율을 계산하고 나중에 이를 특징으로 사용(2) For each of the 384 ROIs in labeled MR and PET images, calculate gray matter volume and relative cerebral metabolic rate of glucose from baseline MRI, FDG, and AV45-PET data, respectively, and later use these as features.

- 각 sMRI 및 PET 이미지에 대해 384 개의 특징을 획득- Acquire 384 features for each sMRI and PET image

- rs-fMRI 이미지의 경우 각 rs-fMRI 이미지에서 200 개의 ROI를 추출하기 위해 https://ccraddock.github.io/cluster_roi/에서 다운로드 한 pyClusterROI Python 스크립트를 실행- For rs-fMRI images, run the pyClusterROI Python script downloaded from https://ccraddock.github.io/cluster_roi/ to extract 200 ROIs from each rs-fMRI image.

이 방법은 공간적으로 제한되고 정규화된 절단 스펙트럼 클러스터링 알고리즘을 사용하여 개별 수준 및 그룹 수준을 나누어 구획을 생성한다. ROI가 공간적으로 일관되도록 결과 ROI의 복셀이 연결되었는지 확인하기 위해 공간 제약을 부화한다.This method uses a spatially constrained and normalized truncated spectral clustering algorithm to divide individual and group levels to create compartments. Spatial constraints are hatched to ensure that voxels in the resulting ROI are connected so that the ROI is spatially consistent.

- DTI 이미지의 경우 Ubuntu 18.04 운영 체제의 MATLAB R2019a와 통합된 https://www.nitrc.org/projects/panda/에서 다운로드 할 수 있는 뇌 확산 이미지(PANDA 도구 상자)를 분석하는 파이프라인을 실행- For DTI images, we run a pipeline to analyze brain diffusion images (PANDA toolbox), available for download at https://www.nitrc.org/projects/panda/, integrated with MATLAB R2019a on the Ubuntu 18.04 operating system.

- PANDA 파이프 라인은 FMRIB 소프트웨어 라이브러리 (FSL), Pipeline System for Octave andMATLAB (PSOM), Diffusion Toolkit 및 MRIcron 패키지를 사용하여 복셀 레벨 또는 아틀라스 레벨에서 통계 분석이 가능한 확산 메트릭스(예 : FA 및 MD)를 추출- The PANDA pipeline uses the FMRIB Software Library (FSL), the Pipeline System for Octave and MATLAB (PSOM), the Diffusion Toolkit, and the MRIcron package to extract diffusion metrics (e.g. FA and MD) amenable to statistical analysis at the voxel level or atlas level.

- DTI 이미지의 구획을 위해 이미 50개의 개별 ROI로 분할된 2mm JHUWM (ICBM-DTI-81) 레이블 아틀라스를 사용- For segmentation of DTI images, we used the 2 mm JHUWM (ICBM-DTI-81) label atlas already segmented into 50 individual ROIs.

이 프로세스를 완료한 후 50개의 구분된 영역이 있는 템플릿을 기반으로 대상 레이블이 지정된 이미지를 얻는다.After completing this process, we obtain a target labeled image based on a template with 50 distinct regions.

<실시예 5> Feature Extraction Using Voxel-Wise Morphometry<Example 5> Feature Extraction Using Voxel-Wise Morphometry

도 1의 빨간색 점선은 sMRI, FDG, AV45-PET, rs-fMRI 및 DTI 이미지에서 복셀 단위 분석 (또는 특징 추출)을 위한 파이프라인을 보여준다. The red dotted line in Figure 1 shows the pipeline for voxel-wise analysis (or feature extraction) from sMRI, FDG, AV45-PET, rs-fMRI, and DTI images.

- sMRI, FDG 및 AV45 이미지의 복셀 방식 분석을 위해 우리는 계산 해부학 도구 상자 (CAT 버전 12)와 통합 된 통계 매핑 방법 (SPM12) 도구 상자를 사용- For voxel-wise analysis of sMRI, FDG and AV45 images we used the Computational Anatomy Toolbox (CAT version 12) and the Integrated Statistical Mapping Methods (SPM12) toolbox.

- https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12/ - https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12/

- http://www.neuro.uni-jena.de/cat/ - http://www.neuro.uni-jena.de/cat/

(1) 첫 번째로, MRI 데이터는 뇌 크기가 다른 것을 보상하기 위해 SPM 템플릿에서 제공하는 12개의 매개 변수 아핀변환을 사용하여 해부학적으로 표준화 되었다. 동아시아 뇌 이미지 템플릿을 선택하고 다른 모든 요소는 기본 설정으로 두었다. (1) First, the MRI data were anatomically normalized using a 12-parameter affine transformation provided by the SPM template to compensate for differences in brain size. I selected the East Asian brain image template and left all other elements at the default settings.

(2) 두 번째로, sMRI 이미지는 이미지 강도 불균일성 보정이 완료된 후 통합 조직 분할 방법을 사용하여 회백질, 백질 및 CSF 이미지로 분할되었다. 획득한 선형 변환 및 분할된 이미지는 diffeomorphic anatomical registration via exponentiated lie algebra(DARTEL)방법을 사용하여 비선형 왜곡하고, DARTEL 기반 MNI152 템플릿 이미지에 대한 개선 된 템플릿을 생성하도록 변조 된 다음 8mm FWHM 커널을 사용하여 평활화한다. DARTEL 기반 MNI152 템플릿 이미지의 경우 개선된 템플릿을 만들이 위해 변조하고 8mm FWHM 커널을 사용하여 평활화한다.(2) Second, the sMRI images were segmented into gray matter, white matter and CSF images using an integrated tissue segmentation method after image intensity inhomogeneity correction was completed. The obtained linearly transformed and segmented images were nonlinearly distorted using the diffeomorphic anatomical registration via exponentiated lie algebra (DARTEL) method, modulated to generate an improved template for the DARTEL-based MNI152 template image, and then smoothed using an 8 mm FWHM kernel. do. In the case of the DARTEL-based MNI152 template image, it is modulated and smoothed using an 8mm FWHM kernel to create an improved template.

(3) 마지막으로, Voxelwise 통계 평가로 구성된다. 통계 매개 변수 맵을 구성하기 위해 일반 선형 모델 추정 회귀 매개 변수를 기반으로 대비 값을 계산한다. 이 기술은 두 개의 회백질 이미지 세트 간에 주요 지역 밀도 차이가 있는지 확인하기 위해 two-sample t-test를 실행한다.(3) Finally, it consists of voxelwise statistical evaluation. To construct a statistical parameter map, contrast values are calculated based on the general linear model estimated regression parameters. This technique runs a two-sample t-test to determine whether there are major regional density differences between two sets of gray matter images.

FDR(false discovery rate) 및 FWER(family wise error rate) 보정을 실행 한 후 두 GM 이미지 세트 간의 주요 밀도 차이를 나타내는 지역 정보 값을 얻었다. 이 데이터를 기반으로 클러스터 값을 획득하여 ROI 바이너리 마스크를 생성했으며, 이후 형태 측정 특징으로 사용하기 위해 회백질 뇌 이미지에서 회백질 볼륨을 획득하는데 사용한다. 또한 FDG 및 AV45 이미지를 VBM 분석에 제출하기 전에 첫 번째 단계는 FDG 및 AV45 이미지를 해당 sMRI이미지와 함께 등록하는 것이었다. 이 등록을 위해 SPM12 도구 상자를 사용했다. 등록 후 sMRI VBM 분석에 사용한 것과 동일한 방법을 사용했다. SPM12를 사용하여 AD, MCI, MCIc 및 HC 그룹에서 포도당 소비에 대한 대뇌 대사율 (cerebral metabolic rate for glucose, CMRgl)의 지역-전체-뇌 차원에서 그룹 간 변경에 대한 통계 맵을 생성했다.After running false discovery rate (FDR) and family wise error rate (FWER) corrections, local information values representing the main density differences between the two GM image sets were obtained. Based on this data, cluster values were obtained to create an ROI binary mask, which was then used to obtain gray matter volume from gray matter brain images for use as morphometric features. Additionally, before submitting the FDG and AV45 images to VBM analysis, the first step was to register the FDG and AV45 images with the corresponding sMRI images. The SPM12 toolbox was used for this registration. After enrollment, the same method used for sMRI VBM analysis was used. SPM12 was used to generate statistical maps of between-group changes at the regional-whole-brain level in cerebral metabolic rate for glucose consumption (CMRgl) in AD, MCI, MCIc and HC groups.

rs-fMRI 이미지의 경우 SNR의 영향을 줄이려면 선택한 데이터를 사전 처리해야한다. 이 연구에서는 MATLAB R2019a와 통합 된 DPARSF 도구 상자를 사용하여 도 2와 같이 전체 뇌 ALFF, 분수 (fALFF) 및 REHO 특징 맵을 계산했다. 공간 평활화는 ALFF, FALFF 및 REHO 계산 전에 4X4X4mm FWHM 가우시안 커널로 수행되었다. 저주파의 드리프트를 최소화하기 위해 선형 트랜딩은 프로세스에서 제거한다. For rs-fMRI images, the selected data must be preprocessed to reduce the impact of SNR. In this study, we used the DPARSF toolbox integrated with MATLAB R2019a to calculate whole brain ALFF, fractional (fALFF) and REHO feature maps, as shown in Fig. 2. Spatial smoothing was performed with a 4X4X4mm FWHM Gaussian kernel before ALFF, FALFF and REHO calculations. To minimize low-frequency drift, linear trending is eliminated from the process.

AD 환자 그룹과 다른 그룹 사이의 ALFF, fALFF 및 REHO 차이를 조사하기 위해 개별 ALFF, fALFF 및 REHO 맵에 대해 Random-effects two samplet-test를 환자의 나이를 혼동 공변량으로 간주하고 다음과 같이 복셀 방식으로 구현한다. ALFF는 주파수 영역의 빠른 푸리에 변환으로 피험자의 각 개별 복셀의 시간 코스를 필터링하여 계산한 다음 전력 범위 또는 스펙트럼을 얻는다. 지정된 주파수의 전력은 이 주파수의 진폭의 제곱에 상대적이므로 제곱근은 전력 범위의 각 주파수 도메인에서 계산된 다음 각 개별 복셀에서 0.01-0.08Hz에 걸쳐 평균 제곱근을 획득한다. 나중에 이 평균 제곱근은 ALFF지수로 사용한다. fALFF는 전체 주파수 스펙트럼 (0-0.25 Hz)에 대한 총 진폭에 대한 저주파 스펙트럼 (0.01-0.08 Hz) 내의 진폭 비율로 계산된다. 일반적으로 주어진 신호에서 감지 할 수 있는 전체 주파수 범위에 걸쳐 진폭 합계의 일부로 계산된다. REHO는 주어진 복셀과 가장 가까운 이웃의 시계열 간의 유사성 또는 동기화를 평가하는 복셀 기반 뇌 활동 측정이다(Zang et al., 2004). 이 값은 인접한 복셀 27 개마다 시계열과 Kendall의 일치 계수를 사용하여 계산된다. 그런 다음 Kendall의 일치 계수 값 (0 ~ 1 범위)이 각 복셀 중심에 할당된다. REHO지도에서 강도가 높은 복셀은 이웃 복셀의 시계열과 더 큰 유사성을 보여준다. To investigate the differences in ALFF, fALFF, and REHO between the AD patient group and other groups, Random-effects two samplet-test was performed on individual ALFF, fALFF, and REHO maps, considering patient's age as a confounding covariate, voxel-wise as follows: Implement. ALFF is calculated by filtering the time course of each individual voxel of the subject with a fast Fourier transform in the frequency domain, and then obtains the power range or spectrum. Since the power at a given frequency is relative to the square of the amplitude of this frequency, the square root is calculated in each frequency domain of the power range and then the root mean square is obtained over 0.01-0.08 Hz in each individual voxel. Later, this mean square root is used as the ALFF index. fALFF is calculated as the ratio of the amplitude within the low-frequency spectrum (0.01-0.08 Hz) to the total amplitude over the entire frequency spectrum (0-0.25 Hz). It is usually calculated as the fraction of the sum of the amplitudes over the entire detectable frequency range of a given signal. REHO is a voxel-based brain activity measure that assesses the similarity or synchronization between the time series of a given voxel and its nearest neighbors (Zang et al., 2004). This value is calculated using the time series and Kendall's coefficient of agreement for every 27 adjacent voxels. A Kendall's coefficient of agreement value (ranging from 0 to 1) is then assigned to each voxel centroid. In REHO maps, voxels with higher intensity show greater similarity to the time series of neighboring voxels.

DTI 이미지의 경우 DTIfit 접근 방식을 사용하여 FA 맵을 만들고 TBSS 환경에 입력하여 WMtract를 따라 확산 측정의 변화를 조사했다. 먼저 모든 FA 데이터를 공통 공간 (FMRIB58_FA)에 비선형 적으로 정렬한 다음 정규화된 FA 이미지를 평균하여 평균 FA 이미지를 생성하고 임계값(FA>0.2)(주로 회백질 또는 CSF였던 복셀 제외)을 설정하여 평균 FA 골격을 생성했다. 다음으로 각 참가자의 FA 데이터를 평균 FA 골격에 투영한 다음 복셀 방식의 통계 분석을 수행했다. FSL의 비-파라메트릭 순열 간섭 도구인 Randomize를 사용하여 백질 골격에서 FA에 대한 Voxel방식의 통계 분석을 수행한다. 임계값 없는 클러스터 향상(p<0.05)을 사용하여 다중 비교를 수정했다. 백질 영역은 FSL에 포함된 JHU-WM (ICBM-DTI-81) label atlas로 식별된다.For DTI images, FA maps were created using the DTIfit approach and input into the TBSS environment to examine changes in diffusion measurements along the WMtract. First, we non-linearly aligned all FA data to a common space (FMRIB58_FA), then averaged the normalized FA images to generate an average FA image, and set a threshold (FA>0.2) (excluding voxels that were mainly gray matter or CSF) to determine the average FA scaffold was generated. Next, we projected each participant's FA data onto the average FA skeleton and then performed voxel-wise statistical analysis. We perform voxel-based statistical analysis of FAs in the white matter skeleton using Randomize, FSL's non-parametric permutation interference tool. Multiple comparisons were corrected using threshold-free cluster enhancement (p<0.05). White matter regions are identified with the JHU-WM (ICBM-DTI-81) label atlas included in the FSL.

<실시예 6> Graph Generation and Construction of sMRI, FDG-PET, AV45-PET, fMRI, and DTI Brain Networks<Example 6> Graph Generation and Construction of sMRI, FDG-PET, AV45-PET, fMRI, and DTI Brain Networks

AD, MCI, MCIc 및 HC 피험자의 sMRI, FDG-PET 및 AV45-PET 네트워크 토폴로지를 평가하기 위해 이 피험자의 T1 이미지는 NiftyReg 도구 상자를 사용하여 2mm-AICHA-atlas 템플릿 이미지로 통합되어 사전 처리된다. 총 384 개의 영역이 각 이미지에서 추출되어 네트워크 연구에 노드로 포함된다. 이 뇌 영역 사이의 에지는 Pearson 상관관계로 계산되었고 음의 상관관계는 0으로 설정된다. 네트워크의 연결 분석은 0.5 %의 단계 크기로 5-25 %의 밀도 범위에 걸쳐 네트워크 수를 제어하면서 binary undirected graphs에서 수행된다.To evaluate sMRI, FDG-PET, and AV45-PET network topologies in AD, MCI, MCIc, and HC subjects, T1 images of these subjects are integrated and preprocessed into a 2mm-AICHA-atlas template image using the NiftyReg toolbox. A total of 384 regions are extracted from each image and included as nodes in the network study. Edges between these brain regions were computed with Pearson correlations, with negative correlations set to 0. Connectivity analysis of networks is performed on binary undirected graphs, controlling the number of networks over a density range of 5–25% with a step size of 0.5%.

- rs-fMRI 이미지의 기능적 네트워크 토폴로지를 평가하기 위해 MATLAB 2019a에 통합된 DPARSF 도구 상자를 사용(또한 rs-fMRI 이미지에 대해 따랐던 특징 추출에 대해 동일한 방법을 따른다("Voxel-Wise Morphometry를 사용한 특징 추출"섹션 참조))- Use the DPARSF toolbox integrated in MATLAB 2019a to evaluate the functional network topology of rs-fMRI images (we also follow the same method for feature extraction as we followed for rs-fMRI images (“Feature Extraction Using Voxel-Wise Morphometry "See section))

- Craddock 템플릿 atlas에 포함 된 200 개의 뇌 영역의 지역 시계열이 각 환자에 대해 추출(영역 간의 관계를 계산하기 위해 Pearson 계수를 사용하고 binary undirected graphs에서 네트워크 분석을 수행)- Regional time series of 200 brain regions included in the Craddock template atlas are extracted for each patient (using Pearson coefficients to calculate relationships between regions and performing network analysis on binary undirected graphs)

- AD, MCI, MCIc 및 HC 대상에서 DTI 네트워크 토폴로지를 평가하기 위해 대상의 DWI 이미지는 MATLAB 2019b에 통합된 PANDA 도구 상자를 사용하여 사전 처리- To evaluate the DTI network topology in AD, MCI, MCIc and HC targets, DWI images of the targets are preprocessed using the PANDA toolbox integrated in MATLAB 2019b.

- PANDA 도구 상자는 각 DTI 이미지에서 50 개의 WM 영역을 추출하기 위해 2mm JHU-WM (ICBMDTI-81) 레이블 아틀라스 템플릿 이미지를 사용(추출된 영역은 나중에 네트워크 분석에 노드로 포함)- The PANDA toolbox uses a 2mm JHU-WM (ICBMDTI-81) labeled atlas template image to extract 50 WM regions from each DTI image (the extracted regions are later included as nodes in the network analysis).

- sMRI 뇌 이미지를 위한 네트워크를 구성하기 위해 위에서 설명한 것과 동일한 매개 변수를 사용하여 동일한 절차를 수행- Perform the same procedure using the same parameters as described above to construct a network for sMRI brain images.

- 또한 로컬 효율성, 특성 경로 길이, 전이성 및 모듈성을 포함하여 구조 및 특징 네트워크의 노드 또는 글로벌 토폴로지 조직을 정량화하기 위해 여러 그래프 메트릭이 계산- Additionally, several graph metrics are computed to quantify the structure and structure of nodes or global topological organization of feature networks, including local efficiency, characteristic path length, transitivity, and modularity.

- 로컬 효율성은 로컬 하위 그래프 또는 영역 내에서 데이터 전송의 평균 효율성을 측정 한 것으로, 주어진 노드와 다른 모든 노드 사이의 가장 짧은 평균 경로 길이의 역으로 정의- Local efficiency is a measure of the average efficiency of data transmission within a local subgraph or region, defined as the inverse of the shortest average path length between a given node and all other nodes.

노드 i의 로컬 효율성은 다음과 같이 정의한다.The local efficiency of node i is defined as follows.

여기서 di는 부분 그래프 Gi의 노드 수를 나타내고, li,j는 노드 i와 j사이의 최단 경로 길이이다. 그래프에서 두 정점 사이의 거리는 둘 사이에 있는 가장 짧은 경로의 길이이다. 그렇지 않을시 거리는 무한하며 한 노드와 나머지 모든 나머지 노드 사이의 최단 경로 평균을 characteristic path length라고 한다.Here, d i represents the number of nodes in the subgraph G i , and l i,j is the shortest path length between nodes i and j. The distance between two vertices in a graph is the length of the shortest path between them. Otherwise, the distance is infinite and the average of the shortest path between one node and all remaining nodes is called the characteristic path length.

characteristic path length lG는 다음과 같이 계산한다.The characteristic path length l G is calculated as follows.

여기서 n은 그래프 네트워크의 정점 수(v)이고 d(vi,vj)는 정점 vi와 vj 사이의 최단 거리를 나타낸다. 전 이율(또는 군집계수)은 삼각형 수에 대한 두 모서리를 교차하는 경로의 비율로 정의된다. 또한 노드가 두 번째 노드에 연결되고 다시 세 번째 노드에 연결되면 전이성은 초기 노드가 세 번째 노드에 연결될 확률을 재현한다. 다음과 같이 계산할 수 있다.Here, n is the number of vertices (v) in the graph network and d(v i ,v j ) represents the shortest distance between vertices v i and v j . The transition rate (or clustering coefficient) is defined as the ratio of paths that intersect two edges to the number of triangles. Additionally, if a node is connected to a second node and then to a third node, transitivity reproduces the probability that the initial node is connected to the third node. It can be calculated as follows:

여기서 aij는 이진 연결 행렬의 (i,j) 항목이다. 노드 i와 j 사이에 링크가 있는 경우에는 aij=aji=1이고, 그렇지 않으면 aij=aji=0이다. 네트워크에는 자체 루프가 없으므로 aij=0이다. 모듈성은 주어진 그룹에 속하는 네트워크 에지의 비율에서 에지가 무작위로 분포된 경우 예상 비율을 뺀 값이다. 또한 네트워크를 커뮤니티로 나눌 수 있는 정도를 계산한다. 다음과 같이 계산할 수 있다.Here a ij is the (i,j) entry of the binary connectivity matrix. If there is a link between nodes i and j, a ij =a ji =1, otherwise a ij =a ji =0. Since the network has no loops of its own, a ij =0. Modularity is the proportion of network edges belonging to a given group minus the proportion expected if the edges were randomly distributed. It also calculates the extent to which the network can be divided into communities. It can be calculated as follows:

여기서 네트워크는 M개의 겹치지 않는 모듈(또는 클러스터)로 완전히 분할되고, qij는 모듈 i의 노드와 모듈 j의 노드를 연결하는 모든 링크의 비율을 나타낸다.Here, the network is completely divided into M non-overlapping modules (or clusters), and q ij represents the ratio of all links connecting nodes in module i and nodes in module j.

<실시예 7> Classification Techniques<Example 7> Classification Techniques

지도 학습에서 분류는 연관이 이어진 이미 식별된 인스턴스를 포함하는 데이터학습 세트를 시반으로 새 샘플이 속하는 카테고리를 결정하는 작업과 유사하다. neuroimaging에서 서로 다른 정보 소스에는 서로 다른 이미징 방식(sMRI, FDG, AV45, DTI 및 rs-fMRI), 동일한 방식과 또는 다른 특징 하위 집합에서 특징을 추출하는 서로 다른 방식(예 : 모든 이미지에 대한 ROI 기반 또는 복셀 기반)이 포함될 수 있다. In supervised learning, classification is similar to the task of determining the category to which a new sample belongs based on a data training set containing already identified instances with associated connections. In neuroimaging, different sources of information include different imaging modalities (sMRI, FDG, AV45, DTI, and rs-fMRI), different ways of extracting features from the same modality or from different feature subsets (e.g. ROI-based for all images). or voxel-based) may be included.

본 발명에서는 전체 뇌 구획, 복셀 단위 분석 및 그래픽 표현과 같은 동일한 신경 영상 양식에서 특징을 추출하기 위해 세 가지 다른 방법을 적용했다. 우리는 주로 두 가지 방법 각각에 대한 커널로 특징 하위 집합을 사용하는 처음 두 가지 접근 방식에 관심을 가졌다. 나중에 접근 방식을 결합(또는 연결)한다. 우리는 특히 복셀 또는 해부학적 기준에 따라 추출된 특징의 하위 집합을 기반으로 모델을 조사하여 해부학적 위치를 추정할 수 있는 예측을 달성하는데 관심이 있었다.In the present invention, we applied three different methods to extract features from the same neuroimaging modality: whole brain sections, voxel-wise analysis, and graphical representation. We were primarily interested in the first two approaches, which use feature subsets as kernels for each of the two methods. You combine (or chain) the approaches later. We were particularly interested in examining models based on subsets of features extracted by voxel or anatomical criteria to achieve predictions that can estimate anatomical location.

7-1. Multiple Kernel Learning7-1. Multiple Kernel Learning

데이터 포인트 간의 유사성 측정을 기반으로 하는 SVM (Cortes and Vapnik, 1995; Samper-Gonzalez et al., 2018)과 같은 커널 방법은 차원 축소 및 분류에 큰 성공을 거두었다. 커널화(kernelization)는 기본 데이터 공간을 더 높은 차원의 특징 공간에 투영한다. 원래 공간에 있는 변수 간의 비선형 관계는 변환된 공간에서 선형이 된다. [수학식 5]를 훈련 샘플로, 여기서 [수학식 6]은 데이터 샘플, M은 모든 양식의 특성 수, [수학식 7]은 해당 클래스 레이블이다. 목표는 복잡한 패턴을 형성하는 체계적이고 우아한 방법으로 인해 커널 공간에서 최적의 특징 설명과 최대 마진 분류기를 동시에 획득하는 것입니다. 따라서 데이터를 투영하기 위해 커널 트릭을 사용한다.Kernel methods such as SVM (Cortes and Vapnik, 1995; Samper-Gonzalez et al., 2018), which are based on similarity measures between data points, have achieved great success in dimensionality reduction and classification. Kernelization projects the basic data space into a higher-dimensional feature space. Nonlinear relationships between variables in the original space become linear in the transformed space. [Equation 5] is the training sample, where [Equation 6] is the data sample, M is the number of features of all forms, and [Equation 7] is the corresponding class label. The goal is to simultaneously obtain optimal feature description and maximum margin classifier in kernel space due to a systematic and elegant way to form complex patterns. Therefore, we use kernel tricks to project the data.

알려진 바와 같이, 입력 공간 (Χ)의 커널 (K)에 대해 특징 공간이라고 하는 힐베르트 공간 (f)이 존재하며 투영 Ø은 매핑 φ:X → f에 의해 주어진다. X의 2-대상(x,y)으로 K=(x,y)=<φ(x),φ(y)>, 여기에서 <.,.>는 유클리드 또는 결과값의 내부 점이다. 커널 함수의 예로는 선형, RBF 등이 있다. 최근 논문에 따르면 단일 커널을 사용하는 대신 여러 커널을 사용하면 의사 결정 기능의 해석 가능성이 향상되고 경우에 따라 최종 성능이 향상된다. MKL에서 데이터는 기본 커널의 조합으로 표시된다. 각 기본 커널은 엔티티의 다른 양식 또는 특징을 나타낸다. MKL은 다음 분석 작업이 가장 많은 이점을 얻을 수 있도록 기본 커널의 최적 조합을 찾으려고한다. 분류 작업은 MKL을 통해 특히 잘 표현된다. 최적의 조합은 최대 분류 정확도를 제공하는 것이다. LIBSVM과 같은 기존 해결자(solvers)로 해결되는 MKL 최적화의 이중 형태는 [수학식 8]로 제공된다.As is known, for the kernel (K) of the input space (Χ) there exists a Hilbert space (f), called feature space, whose projection Ø is given by the mapping ϕ:X → f. K=(x,y)=<ϕ(x),ϕ(y)> with 2-object(x,y) of Examples of kernel functions include linear, RBF, etc. A recent paper shows that using multiple kernels instead of a single kernel improves the interpretability of the decision function and in some cases improves the final performance. In MKL, data is represented as a combination of base kernels. Each basic kernel represents a different form or characteristic of an entity. MKL attempts to find the optimal combination of underlying kernels so that the next analysis task can benefit the most. Classification tasks are particularly well represented by MKL. The optimal combination is the one that provides maximum classification accuracy. The dual form of MKL optimization solved by existing solvers such as LIBSVM is given by [Equation 8].

여기에서, αi, αj는 원시 지원 벡터를 이중 문제로 변환할 때 얻은 변수 인 라그랑주 승수(Lagrange multipliers)이고, km(xm i,xm j)는 각 샘플 쌍에 적용되는 m 번째 커널 함수이고, C는 초평면과 지지 벡터 사이의 거리를 제어하는 정규화 매개 변수이다. n 개의 훈련 샘플 세트에서 m 번째 모달리티의 i 번째 샘플의 특징은 벡터 xm i에 있으며 해당 클래스 레이블은 +1 또는 -1이다. βm로 표시되는 m 번째 모달리티 커널의 가중치는 그리드 검색을 사용하거나 고정 α가 있는 별도의 최적화 문제로 분리된다. 각각의 새 테스트 샘플 s에 대해 커널 함수가 훈련 샘플에 대해 계산된다. MKL 개요는 도 3에 나와 있다. 최근 연구에 따르면 커널 매개 변수 선택이 서로 다른 두 개 이상의 커널에 기본 데이터 세트를 포함하면 성능이 향상되는 것으로 나타났다. 최근 연구에 따르면 각각의 커널 매개 변수 선택이 다른 하나 이상의 커널에 기본 데이터 세트를 포함하면 성능이 향상된다. 그런 다음 모든 커널은 [수학식 11]을 통해 단위 트레이스로 정규화된다. Here, α i , α j are the Lagrange multipliers, which are variables obtained when converting the raw support vectors into a dual problem, and k m (x m i , x m j ) is the mth applied to each pair of samples. is the kernel function, and C is a regularization parameter that controls the distance between the hyperplane and the support vector. In a set of n training samples, the feature of the ith sample of the mth modality is in the vector x m i and its class label is +1 or -1. The weights of the mth modality kernel, denoted by β m , are separated into separate optimization problems using grid search or with fixed α. For each new test sample s, a kernel function is computed over the training samples. The MKL overview is shown in Figure 3. Recent studies have shown that embedding the underlying dataset in two or more kernels with different kernel parameter choices improves performance. Recent studies have shown that including the underlying data set in more than one kernel, each with different kernel parameter choices, improves performance. Then, all kernels are normalized to unit traces through [Equation 11].

여기서는 sMRI, FDG, AV45, DTI, rs-fMRI 및 APOE 유전자형 특징에 맞게 가중치를 설정한다. 결합된 커널은 다음과 같이 설명할 수 있다.Here, weights are set for sMRI, FDG, AV45, DTI, rs-fMRI, and APOE genotype features. The combined kernel can be described as follows.

그런 다음 EasyMKL (Aiolli and Donini, 2015; Donini et al., 2019) 솔버를 사용하여 최적 가중치를 계산하여 SVM이 해결하는 간단한 2 차 문제를 최적화하여 분류기 성능을 최대화하는 기본 커널 조합을 검색한다. 입증된 경험적 성공 외에도 다른 MKL 접근 방식에 비해 EasyMKL의 분명한 장점은 결합할 커널 수에 대한 높은 확장성이다. 훈련 데이터 세트에서 가장자리를 최대화하는 계수 η를 찾는다. 여기서 여백은 양수 샘플과 음수 샘플의 볼록 껍질 사이의 거리로 계산된다. 특히 EasyMKL이 최적화하고자 하는 일반적인 문제는 다음과 같다.Then, the EasyMKL (Aiolli and Donini, 2015; Donini et al., 2019) solver is used to calculate optimal weights to search for the underlying kernel combination that maximizes classifier performance by optimizing the simple quadratic problem solved by SVM. Besides its proven empirical success, a clear advantage of EasyMKL over other MKL approaches is its high scalability with respect to the number of kernels to be combined. Find the coefficient η that maximizes the edges in the training data set. Here, the margin is calculated as the distance between the convex hull of the positive and negative samples. In particular, the general problems that EasyMKL seeks to optimize are as follows.

여기서 y는 훈련 샘플이 대각선에 있는 대각 행렬이고 λ는 정규화 하이퍼 파라미터인 반면 도메인 Γ는 훈련 세트의 음수 및 양수 샘플 세트, 즉 [수학식 11]에 대한 두 개의 확률 분포를 나타낸다 (Aiolli and Donini, 2015; Donini et al., 2019). where y is the diagonal matrix where the training samples are on the diagonal, λ is the regularization hyperparameter, while the domain Γ represents the two probability distributions over the negative and positive sample sets of the training set, i.e. Equation 11 (Aiolli and Donini, 2015; Donini et al., 2019).

모든 요소는 포지티브 및 네거티브 학습 샘플의 볼록 껍질에 있는 한 쌍의 샘플과 유사하다. 솔루션에서 목적 함수의 첫 번째 표현은 획득된 (제곱) 모서리를 나타낸다. 즉, 특징 공간에서 양수 샘플의 볼록 껍질에 있는 점과 음수 샘플의 볼록 껍질에 있는 점 사이의 (제곱) 거리이다. 동일한 양식에서 둘 이상의 구별 커널을 선택할 수 있도록 허용하면서 양식간에 희소성을 적용한다. 즉, 양식 내에서 양식에 대한 희소성과 비 희소성이 있으므로 볼록 최적화 문제가 된다. 또한 EasyMKL 분류기 외에도 얻은 결과를 비교하기 위해 SVM 분류기와 함께 RBF 커널 (또는 가우시안 커널)을 적용했다. RBF 커널은 원점 (또는 일부 지점)과의 거리에 따라 점수가 달라지는 함수이다. 상기 내용은 [수학식 12]로 표시되고, 여기서 ∥x1 - x22는 두 데이터 포인트 x1과 x2 사이의 제곱된 유클리드 거리이다.Every element is similar to a pair of samples in the convex hull of the positive and negative training samples. The first expression of the objective function in the solution represents the obtained (squared) edges. That is, it is the (squared) distance between the points in the convex hull of positive samples and the points in the convex hull of negative samples in feature space. Enforces sparsity across modalities, allowing more than one distinct kernel to be selected from the same modality. In other words, it becomes a convex optimization problem because there is sparsity and non-sparsity for forms within forms. Additionally, in addition to the EasyMKL classifier, the RBF kernel (or Gaussian kernel) was applied together with the SVM classifier to compare the obtained results. The RBF kernel is a function whose score varies depending on the distance from the origin (or some point). The above is expressed as [Equation 12], where ∥x 1 - x 22 is the squared Euclidean distance between the two data points x 1 and x 2 .

RBF 커널에는 감마(γ)와 C의 두 가지 매개변수가 있으며 성능은 이에 따라 다르다. C 값이 작을 때 분류기는 잘못 분류된 입력 포인트(높은 편향, 낮은 분산)로 괜찮지만 C 값이 높으면 분류기는 잘못 분류된 데이터에 대해 심하게 페널티를 받으므로 오분류된 입력 포인트(낮은 편향, 높은 분산)를 피하기 위해 뒤로 기울어진다. 또한, 값이 낮을 때는 결정 마진의 곡선이 상당히 낮아 결정 영역이 매우 크지만, 값이 높으면 결정 마진의 곡선이 높아 입력 포인트 주변에 결정 경계 막대가 생성된다. 본 발명의 경우 RBF-SVM 분류기에 대한 최적의 하이퍼파라미터(C 및 감마) 값을 찾기 위해 scikit-learn(v0.20)(Pedregosa et al., 2011) 라이브러리의 GridSearch 방법을 적용했다. GridSearch는 C = 1 ~ 9 및 γ=le-4 ~ 7 범위에서 수행되었습니다.The RBF kernel has two parameters, gamma (γ) and C, and the performance depends on them. When the C value is small, the classifier is ok with misclassified input points (high bias, low variance), but when the C value is high, the classifier is heavily penalized for misclassified data and therefore has poor quality control over misclassified input points (low bias, high variance). ) leans backwards to avoid Additionally, when the value is low, the curve of the decision margin is quite low, resulting in a very large decision area, but when the value is high, the curve of the decision margin is high, creating a decision boundary bar around the input point. In the case of the present invention, the GridSearch method of the scikit-learn (v0.20) (Pedregosa et al., 2011) library was applied to find the optimal hyperparameter (C and gamma) values for the RBF-SVM classifier. GridSearch was performed in the range C = 1 to 9 and γ=le -4 to 7.

7-2. Cross validation (CV)7-2. Cross validation (CV)

교차 검증(CV)은 예측 설계의 일반화 지식을 추정하고 과소 또는 과대적합을 방지하기 위해 가장 널리 사용되는 데이터 리샘플링 방법 중 하나이다. CV는 주로 예측이 목적이고 예측 모델의 정확도를 평가할 필요가 있는 설정에 많이 적용된다. 분류 문제의 경우 모델은 일반적으로 학습 샘플이라고 하는 알려진 샘플과 테스트 샘플이라고 하는 모델을 검사하는 알 수 없는 샘플 세트로 맞춰진다. 목표는 훈련 기간에 제안된 모델을 테스트하기 위한 샘플을 갖고 특정 모델이 독립 샘플에 어떻게 적응하는지에 대한 통찰력을 제시하는 것이다. CV 라운드에는 샘플을 보완적인 하위 집합으로 분할한 다음 개별 하위 집합에 대한 분석을 수행하는 작업이 포함된다. 그 후, 연구는 다른 하위 집합(테스트 샘플이라고 함)에 대해 검증된다. 변동성을 줄이기 위해 여러 개의 다른 파티션을 사용하여 CV의 여러 라운드를 수행하고 나중에 결과의 평균을 취한다. CV는 모델 성능 평가의 강력한 절차이다. 본 발명에서는 scikit-learn(v0.20)(Pedregosa et al., 2011) 라이브러리의 LOOCV(leave-one-out CV)를 활용했다. LOOCV는 폴드의 대부분이 "1"이고 "k"는 데이터 세트의 속성 수로 고정되는 CV 프로세스이다. 이는 폴드 수가 샘플의 인스턴스 수와 동일함을 의미한다. 따라서 학습 알고리즘은 각 인스턴스에 대해 한 번씩 사용되며 다른 모든 인스턴스는 학습 샘플로 활용하고 선택한 인스턴스는 단일 항목 테스트 샘플로 활용한다. 이 유형의 CV는 훈련 샘플의 크기가 제한적이고 검증할 속성의 수가 많지 않을 때 유용하다.Cross-validation (CV) is one of the most widely used data resampling methods to estimate generalization knowledge in predictive designs and prevent under- or overfitting. CV is mainly applied in settings where the purpose is prediction and there is a need to evaluate the accuracy of the prediction model. For classification problems, a model is usually fitted with a set of known samples, called training samples, and a set of unknown samples against which the model is tested, called test samples. The goal is to have samples to test the proposed model during the training period and to provide insight into how a particular model adapts to independent samples. The CV round involves splitting the sample into complementary subsets and then performing analysis on the individual subsets. Afterwards, the study is validated on another subset (called the test sample). To reduce variability, we perform several rounds of CV using several different partitions and later take the average of the results. CV is a powerful procedure for evaluating model performance. In the present invention, LOOCV (leave-one-out CV) of the scikit-learn (v0.20) (Pedregosa et al., 2011) library was used. LOOCV is a CV process where the majority of the folds are "1" and "k" is fixed to the number of attributes in the data set. This means that the number of folds is equal to the number of instances in the sample. Therefore, the learning algorithm is used once for each instance, using all other instances as training samples and the selected instance as a single-item test sample. This type of CV is useful when the size of the training sample is limited and the number of attributes to be tested is not large.

7-3. Implementation7-3. Implementation

본 발명의 분류 프레임워크 및 검증 실험은 성능을 측정하기 위한 scikit-learn v0.20(Pedregosa et al., 2011) 라이브러리에 대한 인터페이스 및 MKL 프레임워크용 MKLpy(v0.5, https://github.com/IvanoLauriola/MKLpy)를 사용하여 Python 3.5에서 실시하였다. 주요 소스 코드는 GitHub 웹사이트 (https://github.com/Alzheimer1/Classification-of-Alzheimer-s-disease)에서 사용할 수 있다. 데이터 세트 목록은 보충 섹션에서 사용할 수 있다. 단, 원본 이미지 특징은 별도로 준비해야 한다.Our classification framework and validation experiments use an interface to the scikit-learn v0.20 (Pedregosa et al., 2011) library to measure performance and MKLpy (v0.5, https://github) for the MKL framework. It was conducted in Python 3.5 using com/IvanoLauriola/MKLpy). The main source code is available on the GitHub website (https://github.com/Alzheimer1/Classification-of-Alzheimer-s-disease). A list of data sets is available in the supplementary section. However, the original image features must be prepared separately.

<Result><Result>

이 섹션에서는 5 개의 신경 영상 및 wholebrain parcelation, voxel-wise 방법 및 그래픽 방법을 사용하는 APOE 유전자형 양식 모두에 대한 각 분류 (AD 대 HC, MCI 대 MCIc, AD 대 MCI, AD 대 MCIc, HC 대 MCI, HC 대 MCIc)의 성능 결과를 제시합니다.This section presents each classification (AD vs. HC, MCI vs. MCIc, AD vs. MCI, AD vs. MCIc, HC vs. MCI, AD vs. HC, MCI vs. MCIc, AD vs. We present performance results for HC vs. MCIc).

본 발명은 sMRI, FDG, AV45, rs-fMRI, DTI 및 APOE 유전자형 데이터의 통합을 위해 다중 모드 융합 접근 방식을 구현했다. AD 환자를 건강한 피험자와 구별하기 위해 결합된 표현을 사용했다.We implemented a multimodal fusion approach for integration of sMRI, FDG, AV45, rs-fMRI, DTI and APOE genotype data. Combined expressions were used to distinguish AD patients from healthy subjects.

분류 작업이 더 높은 정확도와 더 높은 AUC 점수, 더 높은 정밀도, 더 나은 감도 및 단일 모드 분류에 대한 특이도로 수행되는 경우 결합된 접근 방식은 성공적인 것으로 간주된다. 단일 모드 접근 방식과 함께, 우리는 5 개의 신경 영상화 양식과 2 개의 APOE 유전자형 양식의 데이터를 포함하는 연결된 데이터 벡터의 분류를 평가하고 이를 기준선으로 사용했다. 또한 전체 뇌 구획 및 복셀 방식 분석을 사용하여 각 양식에서 특징 추출을 완료한 후 추출된 특징을 다항 커널 함수를 통해 전달하여 원래 비선형 저차원 특징을 분리 가능해진 더 높은 차원의 공간에 매핑한다.The combined approach is considered successful if the classification task performs with higher accuracy, higher AUC score, higher precision, better sensitivity, and specificity for unimodal classification. Along with the unimodal approach, we evaluated the classification of a concatenated data vector containing data from five neuroimaging modalities and two APOE genotyping modalities and used this as a baseline. Additionally, after completing feature extraction from each modality using whole-brain segmentation and voxel-wise analysis, the extracted features are passed through a polynomial kernel function to map the original nonlinear low-dimensional features into a separable higher-dimensional space.

그 후 데이터 융합 기술을 사용하여 여러 커널 특징을 단일 형식으로 결합한 후 6 개 그룹의 이진 분류를 위한 EasyMKL 분류기를 통과했다. 편향되지 않은 성능 평가를 위해 분류 그룹은 각각 훈련 및 테스트 세트로 70:30 비율로 두 세트로 무작위로 분할되었다. 훈련 세트에서 람다 (λ) 매개 변수에 적합한 값을 찾는 것은 매우 어렵고 그 값은 분류 결과에 영향을 준다. 따라서 EasyMKL 알고리즘의 0에서 1까지의 람다에 대한 최적의 하이퍼 파라미터 값을 찾기 위해 훈련 세트에 대해 leaveone-out 교차 검증 기법을 사용했다.Afterwards, data fusion technology was used to combine multiple kernel features into a single format and then passed through the EasyMKL classifier for binary classification of six groups. For unbiased performance evaluation, the classification group was randomly split into two sets with a 70:30 ratio as training and testing sets, respectively. It is very difficult to find a suitable value for the lambda (λ) parameter in the training set, and its value affects the classification results. Therefore, we used the leaveone-out cross-validation technique on the training set to find the optimal hyperparameter values for lambda from 0 to 1 of the EasyMKL algorithm.

각 방법에 대해 하이퍼 파라미터에 대해 얻은 최적화된 값을 사용하여 훈련 그룹을 사용하여 EasyMKL 분류기를 훈련했다. 결과 분류기의 성능은 학습 단계에서 사용되지 않은 테스트 데이터 세트의 나머지 30 % 데이터에서 추정되었다.For each method, an EasyMKL classifier was trained using the training group using the optimized values obtained for the hyperparameters. The performance of the resulting classifier was estimated on the remaining 30% data of the test dataset that was not used in the training phase.

<시험예 1> Classification Performance Across Single and Combined Modalities Using Whole-Brain Parcelation Analysis<Test Example 1> Classification Performance Across Single and Combined Modalities Using Whole-Brain Parcelation Analysis

- 전체 뇌 분석을 위해 NiftyReg 도구 상자와 함께 sMRI, FDG 및 AV45-PET 이미지에 대한 2mm AICHA atlas 템플릿 이미지를 사용하여 각 신경 영상 양식에서 384개의 ROI를 추출했다 (도 1B 참조).- For whole brain analysis, 384 ROIs were extracted from each neuroimaging modality using 2 mm AICHA atlas template images for sMRI, FDG and AV45-PET images with the NiftyReg toolbox (see Figure 1B).

- 각 rs-fMRI 및 DTI 이미지에 대해 각 rs-fMRI 및 DTI 이미지에서 200 개 및 50 개의 ROI를 추출하기 위해 2mm Craddock atlas 템플릿과 2mm JHU-WM(ICBM-DTI-81) label atlas를 사용했다. 각각 pyClusterROI Python 스크립트와 PANDA 도구 상자를 사용한다.(도 1B 참조).- For each rs-fMRI and DTI image, a 2mm Craddock atlas template and a 2mm JHU-WM (ICBM-DTI-81) label atlas were used to extract 200 and 50 ROIs from each rs-fMRI and DTI image. Use the pyClusterROI Python script and the PANDA toolbox, respectively (see Figure 1B).

- 전체적으로 단일 이미지에 대해 1404 개의 특징, 각 sMRI, FDG 및 AV45-PET 이미지에서 384 개의 특징, 각 rsfMRI 이미지에서 200 개의 특징, 각 DTI 이미지에서 50 개의 특징, APOE 유전자형 데이터에서 2 개의 특징을 얻었다. 이후 데이터 세트 내의 중복성을 최소화하기 위해 획득된 특징을 정규화 기술을 통해 전달했다. 또한 다항식 커널 행렬에서 저차원의 정규화된 특성을 전달하여 고차원 특성 공간에 매핑한다. 그런 다음 분류를 위한 EasyMKL 알고리즘을 통과하기 전에 이러한 모든 고차원 특징을 하나의 형태로 통합했다. 획득한 AUC-ROC 그래프와 Cohen의 kappa 점수는 도 4, 5에 표시된다.- In total, 1404 features were obtained for a single image, 384 features from each sMRI, FDG, and AV45-PET image, 200 features from each rsfMRI image, 50 features from each DTI image, and 2 features from APOE genotype data. Afterwards, the obtained features were passed through a normalization technique to minimize redundancy within the data set. Additionally, low-dimensional normalized features are transferred from the polynomial kernel matrix and mapped to the high-dimensional feature space. All these high-dimensional features were then integrated into one form before passing through the EasyMKL algorithm for classification. The obtained AUC-ROC graph and Cohen's kappa score are shown in Figures 4 and 5.

- 단일 양식의 경우 APOE 유전자형만 사용하여 AD 대 HC에 대한 전체 뇌 MKL 분석(도 6)은 85.71 %의 정확도를 달성했다. sMRI (90.48 %), FDG-PET (91.5 %), AV45-PET (89.39 %) 및 rs-fMRI (92.42 %)를 사용하여 유사한 정확도를 얻었다. DTI-FA를 사용하면 유전자형 및 기능적 영상에 비해 정확도가 93.17 %로 증가했다. 결합된 ROI 특성이 분류기를 통과하면 정확도가 96.05 %로 증가했다. 또한 획득한 Cohen의 kappa 값은 0.9066으로 개별 양식의 kappa 값보다 1에 가깝다. 도 5는 결합된 ROI에 대한 Cohen의 kappa 플롯을 보여준다.- For a single modality, whole-brain MKL analysis for AD vs. HC using only the APOE genotype (Figure 6) achieved an accuracy of 85.71%. Similar accuracies were obtained using sMRI (90.48%), FDG-PET (91.5%), AV45-PET (89.39%), and rs-fMRI (92.42%). Using DTI-FA, accuracy increased to 93.17% compared to genotypic and functional imaging. When the combined ROI features passed the classifier, the accuracy increased to 96.05%. Additionally, the obtained Cohen's kappa value was 0.9066, which is closer to 1 than the kappa value of the individual forms. Figure 5 shows Cohen's kappa plot for the combined ROIs.

- 여기에서 AD 대 HC 분류의 경우 결합된 ROI 특징이 단일 양식에 비해 매우 잘 수행되었다. 마찬가지로 단일 양식의 경우 APOE 유전자형만을 사용한 MCI 대 MCIc (도 6)에 대한 전체 뇌 MKL 분석은 85.24 %의 정확도를 달성했다. FDG-PET (86.88 %), AV45-PET (89.47 %) 및 rs-fMRI (88.52 %)를 사용하여 유사한 정확도를 얻었다. sMRI 추출 ROI 특징을 사용하면 다른 단일 양식에 비해 달성된 정확도가 더 낮았다(84.71 %). DTI-FA를 사용하면 유전자형 및 특징 이미지와 비교하여 정확도가 91.80 %로 증가했다. 또한 결합된 ROI 특성이 분류기를 통과했을 때 정확도는 94.74 %로 증가했고 획득한 Cohen의 kappa 값은 0.8950 (도 4)으로 개별 양식에 비해 1에 가깝다. 여기서 MCI 대 MCIc 분류의 경우 결합된 ROI 특징이 단일 양식에 비해 매우 잘 수행되었다. 마찬가지로 AD 대 MCIc 분류 문제의 경우 6 가지 특성 양식 조합을 사용하여 최상의 성능을 얻었으며 Cohen의 kappa 0.8502로 정확도 94.89 %를 달성했다. 이 경우 rs-fMRI 및 DTI-FA 단일 모드 특징은 다른 단일 모드 특징보다 (AD vs. MCIc) 그룹을 분류하는 데 더 나은 성능을 보였으며 얻은 정확도는 92.06 및 93.65 %였다. AD vs. MCI 그룹의 경우, 우리가 제안한 기술은 93.59 %의 정확도를 달성했으며, 이는 이 그룹을 분류하기 위해 DTI-FA (unimodal) 특징에서 얻은 최고의 정확도보다 1.66 % 높다. AD 대 MCI 그룹에 대해 얻은 Cohen의 kappa 점수는 0.8562 (도 5)로 최대 일치값 1에 가깝다. HC 대 MCIc 분류 문제의 경우, HC와 MCIc를 구별하기 위해 바이오 마커의 6 가지 양식을 모두 결합하는 제안 된 방법은 단일 양식 바이오 마커에 비해 좋은 결과를 얻었다. 이 분류 문제에 대해 제안된 방법은 Cohen의 kappa 0.8814로 94.24 %의 정확도를 달성했다(도 5). 이 경우 도 6에서 세 가지 (FDG-PET, AV45-PET, rs-fMRI) 기능 영상 특징이 다른 단봉 특징에 비해 잘 수행되었으며 획득한 Cohen의 kappa 점수는 0.7610, 0.7981, 0.8129 임을 알 수 있고 모두 1에 가깝다. 마찬가지로 HC 대 MCI 그룹의 경우 제안된 기술의 정확도는 95.55%로 이 그룹을 분류하기 위해 DTIFA(unimodal) 특징에서 얻은 최고 정확도보다 1.62 % 더 높다. HC 대 MCI 그룹에 대해 획득한 Cohen의 kappa 점수는 0.8697 (도 5)로 최대 일치값 1에 가깝다. 따라서 도 4 내지 6에서 모든 분류 조합에 대해 제안된 방법이 1 ~ 3 %의 다양한 바이오 마커의 개별 양식에 비해 높은 수준의 성능을 달성했으며 제안된 계획도 달성했다고 말할 수 있다. 개별 양식 기반 방법보다 6 가지 분류 조합 간의 더 높은 수준의 일치를 보인다.- Here, for AD vs HC classification, the combined ROI features performed very well compared to single modalities. Similarly, for single modality, whole-brain MKL analysis for MCI vs. MCIc (Figure 6) using APOE genotype alone achieved an accuracy of 85.24%. Similar accuracies were obtained using FDG-PET (86.88%), AV45-PET (89.47%), and rs-fMRI (88.52%). Using sMRI-extracted ROI features, the achieved accuracy was lower (84.71%) compared to other single modalities. Using DTI-FA, the accuracy increased to 91.80% compared to genotype and feature images. Additionally, when the combined ROI features passed the classifier, the accuracy increased to 94.74% and the obtained Cohen's kappa value was 0.8950 (Figure 4), which is closer to 1 compared to the individual modalities. Here, for MCI vs. MCIc classification, the combined ROI features performed very well compared to the single modality. Similarly, for the AD vs. MCIc classification problem, the best performance was obtained using a combination of six feature modalities, achieving an accuracy of 94.89% with a Cohen's kappa of 0.8502. In this case, rs-fMRI and DTI-FA unimodal features performed better in classifying groups (AD vs. MCIc) than other unimodal features, and the obtained accuracies were 92.06 and 93.65%. AD vs. For the MCI group, our proposed technique achieved an accuracy of 93.59%, which is 1.66% higher than the best accuracy obtained from DTI-FA (unimodal) features to classify this group. The Cohen's kappa score obtained for the AD versus MCI group was 0.8562 (Figure 5), which is close to the maximum agreement of 1. For the HC vs. MCIc classification problem, the proposed method combining all six modalities of biomarkers to distinguish between HC and MCIc achieved good results compared to single-modality biomarkers. For this classification problem, the proposed method achieved an accuracy of 94.24% with Cohen's kappa of 0.8814 (Figure 5). In this case, it can be seen from Figure 6 that the three (FDG-PET, AV45-PET, rs-fMRI) functional imaging features performed better than other unimodal features, and the obtained Cohen's kappa scores were 0.7610, 0.7981, and 0.8129, all of which were 1. close to Similarly, for the HC vs. MCI group, the accuracy of the proposed technique is 95.55%, which is 1.62% higher than the highest accuracy obtained from DTIFA (unimodal) features for classifying this group. The Cohen's kappa score obtained for the HC versus MCI groups was 0.8697 (Figure 5), which is close to the maximum agreement value of 1. Therefore, from Figures 4 to 6, it can be said that for all classification combinations, the proposed method achieved a high level of performance compared to individual modalities of different biomarkers of 1 to 3%, and the proposed scheme also achieved it. It shows a higher level of agreement between the six classification combinations than individual modality-based methods.

- 추출된 ROI의 수는 sMRI, FDG-PET 및 AV45-PET 이미지의 경우 다른 양식에 비해 약간 높았지만 각 단일 및 결합 모델에 대한 입력으로 사용되는 실제 기능 수는 모델마다 다르다. HC vs. MCIc 그룹을 제외하고 (AD vs. HC, MCIs vs. MCIc, AD vs. MCIc, AD vs. MCIs, HC vs. MCIs) 분류 세트에서 sMRI, FDG-PET, AV45-PET 및 rsfMRI에 대해 추출된 ROI 특징의 수는 DTI-FA ROI 특징의 수보다 높았고, 획득된 정확도는 명시된 분류 그룹의 DTI-FA ROI 특징보다 낮았다. 1404개의 ROI 중 sMRI에서 선택한 384개의 ROI, FDG-PET에서 선택한 384개의 ROI, AV45-PET에서 선택한 384개의 ROI, rs-fMRI에서 200개의 ROI, DTI-FA에서 50개의 ROI, APOE 유전자형의 나머지 2개 ROI 중 전체 특징 수의 27.3 % (sMRI, FDG-PET, AV45-PET 각각), 14.5% (rs-fMRI), 3.5% (DTI-FA) 및 0.1% (APOE)에 해당한다. 도 4에서는 도 6에 제시된 각 연구에 대한 ROC 곡선 (plots of the TPR vs. the FPR for dissimilar possible cutpoints)을 보여준다. 얻은 AUC는 각 플롯에 표시된다. 도 4는 제안된 방법이 개별 양식보다 모든 분류 세트에 대해 더 높은 AUC 값을 달성했음을 보여준다. AD 대 HC 및 HC 대 MCI 분류 그룹의 경우 제안된 방법은 95 % 이상의 AUC를 달성한 반면 MCI 대 MCIc, AD 대 MCI, AD 대 MCIc 및 HC 대 MCIc 그룹의 경우, 제안된 방법은 95 % 미만의 AUC를 달성했다 (MCI 대 MCIc, AD 대 MCI, AD 대 MCIc 및 HC 대 MCIc) < 95% < (AD 대 HC 및 HC 대 MCI). - The number of ROIs extracted was slightly higher for sMRI, FDG-PET, and AV45-PET images compared to other modalities, but the actual number of features used as input for each single and combined model varied across models. HC vs. ROIs extracted for sMRI, FDG-PET, AV45-PET, and rsfMRI in the classification set (AD vs. HC, MCIs vs. MCIc, AD vs. MCIc, AD vs. MCIs, HC vs. MCIs) excluding the MCIc group. The number of features was higher than the number of DTI-FA ROI features, and the obtained accuracy was lower than that of DTI-FA ROI features for the specified classification group. Among 1404 ROIs, 384 ROIs were selected from sMRI, 384 ROIs were selected from FDG-PET, 384 ROIs were selected from AV45-PET, 200 ROIs were from rs-fMRI, 50 ROIs were from DTI-FA, the remaining 2 were from APOE genotype. Among the two ROIs, they correspond to 27.3% (sMRI, FDG-PET, and AV45-PET respectively), 14.5% (rs-fMRI), 3.5% (DTI-FA), and 0.1% (APOE) of the total number of features. Figure 4 shows the ROC curves (plots of the TPR vs. the FPR for dissimilar possible cutpoints) for each study presented in Figure 6. The obtained AUC is displayed in each plot. Figure 4 shows that the proposed method achieved higher AUC values for all classification sets than for individual modalities. For the AD vs. HC and HC vs. MCI classification groups, the proposed method achieved an AUC of over 95%, while for the MCI vs. MCIc, AD vs. MCI, AD vs. MCIc, and HC vs. MCIc groups, the proposed method achieved an AUC of less than 95%. AUCs were achieved (MCI vs. MCIc, AD vs. MCI, AD vs. MCIc, and HC vs. MCIc) <95% <(AD vs. HC and HC vs. MCI).

<시험예 2> Classification Performance Across Single and Combined Modalities Using Voxel-Wise Analysis<Test Example 2> Classification Performance Across Single and Combined Modalities Using Voxel-Wise Analysis

- sMRI, FDG-PET 및 AV45-PET 이미지의 복셀 방식 분석을 위해 MATLAB R2019a의 CAT12 도구 상자와 통합된 SPM12 도구 상자를 사용했다. DTI 이미지의 경우 FSL 도구 상자의 DTIfit 및 TBSS 함수를 사용했다. rs-fMRI 이미지의 복셀 방식 분석을 위해 MATLAB R2019a에서 DPARSF 도구 상자를 사용했다. 그 후, 데이터 세트 내의 중복성을 최소화하기 위해 정규화 기술을 통해 APOE 유전자형 데이터에서 두 가지 특징을 가진 이러한 획득된 특징을 전달했다. 또한 다항식 커널 행렬에서 이러한 저차원의 정규화된 특성을 전달하여 고차원 특성 공간에 매핑했다. 그런 다음 분류를 위해 EasyMKL 알고리즘을 통과하기 전에 모든 고차원 특징을 하나의 형태로 융합했다. 얻어진 결과는 도 7에 나타나 있으며, 도 8은 복셀 방식 분석을 사용한 6 개 분류 그룹 모두에 대한 Cohen의 kappa 플롯을 보여준다.- The SPM12 toolbox integrated with the CAT12 toolbox in MATLAB R2019a was used for voxel-wise analysis of sMRI, FDG-PET, and AV45-PET images. For DTI images, the DTIfit and TBSS functions from the FSL toolbox were used. For voxel-wise analysis of rs-fMRI images, we used the DPARSF toolbox in MATLAB R2019a. Afterwards, these obtained features were propagated with the two features in the APOE genotype data through a normalization technique to minimize redundancy within the data set. Additionally, these low-dimensional normalized features were transferred from the polynomial kernel matrix and mapped to the high-dimensional feature space. All high-dimensional features were then fused into one form before passing through the EasyMKL algorithm for classification. The results obtained are shown in Figure 7, and Figure 8 shows Cohen's kappa plots for all six classification groups using voxel-wise analysis.

- AD 대 HC 그룹에 대한 통계적 two-sample t-tests의 결과를 비교한 후 활성화 맵에서 그룹의 유의 수준을 나타내는 통계값을 계산했다. 이 표는 AD 대 HC 세트에서 관찰된 주요 영향을 받는 영역과 MNI 공간 형태의 피크 영역, 클러스터 수준 p 점수 및 T-score의 피크 강도를 포함한 자세한 정보와 함께 얻은 각 그룹의 복셀 클러스터를 지정한다. 다중 비교에 대한 편향 변경을 달성하기 위해 복셀 수준에서 Puncorrected≤0.001의 상관관계가 없는 임계 값, PFDR=0.05의 FDR 값 및 클러스터 수준에서 PFWER=0.05의 FWER 값을 사용했다. ROI 바이너리 마스크는 각 양식의 선택된 클러스터에서 생성되었으며 나중에 회백질 및 백질 볼륨이 두 이미지 세트(AD 대 HC)에서 제거되었다. 도 9A는 AV45-PET 신경 이미지를 사용하여 이러한 그룹이 서로 다른 가장 중요한 영역을 보여 준다. 마찬가지로, 도 10A는 이러한 그룹이 DTI-FA 신경 이미지를 사용하여 서로 다른 가장 중요한 영역을 보여 준다.- After comparing the results of statistical two-sample t-tests for AD vs. HC groups, statistical values representing the significance level of the groups in the activation map were calculated. This table specifies the main affected regions observed in the AD vs. HC set and the voxel clusters of each group obtained along with detailed information including peak area in MNI space shape, cluster-level p-score, and peak intensity in T-score. To achieve bias change for multiple comparisons, we used an uncorrelation threshold of P uncorrected ≤0.001, an FDR value of P FDR =0.05 at the voxel level, and a FWER value of P FWER =0.05 at the cluster level. ROI binary masks were created from selected clusters of each modality and later gray and white matter volumes were removed from both image sets (AD vs. HC). Figure 9A shows the most important regions in which these groups differ from each other using AV45-PET neuroimages. Likewise, Figure 10A shows the most important regions in which these groups differed using DTI-FA neuroimaging.

- MCI 대 MCIc 그룹의 경우, 복셀 수준에서 Puncorrected≤0.001의 상관관계가 없는 임계값, PFDR=0.05의 FDR 값 및 클러스터 수준에서 PFWER=0.05의 FWER 값을 사용하여 다중 비교를 위해 편향 변경을 수행한다. ROI 바이너리 마스크는 각 양식의 선택된 클러스터에서 생성되었으며 이후 회백질 및 백질 볼륨이 두 이미지 세트 (MCI 대 MCIc)에서 제거되었다. 도 9B는 AV45-PET 신경 이미지를 사용하여 이러한 그룹이 서로 다른 가장 중요한 영역을 보여 준다. 마찬가지로, 도 10B는 DTI-FA 신경 이미지를 사용하여 이러한 그룹이 서로 다른 가장 중요한 영역을 보여 준다. 또한 AD 대 MCIc, AD 대 MCI, HC 대 MCIc, HC 대 MCI 그룹에 대한 복셀 클러스터 계산에 대해 AD 대 HC 및 MCI 대 MCIc에 대해 따랐던 동일한 절차를 따른다. 각각의 개별 양식에서 일련의 특징 추출을 완료한 후 얻은 특징을 다항 커널 매트릭스를 통해 전달하여 이러한 저차원 특징을 고차원 특징 공간에 매핑한다. 그런 다음 분류를 위해 EasyMKL 알고리즘을 통과하기 전에 이러한 모든 고차원 특징을 하나의 형태로 융합했다. 도 7은 voxel-wise 특징을 사용하여 AD 대 HC 그룹에 대한 분류 결과를 보여준다. 단일 모달리티 결과와 비교하여 이 그룹에 대해 결합된 특징이 매우 잘 수행되었음을 보여준다. 결합된 특징은 도 11에 표시되어 있는 대로 AD 대 HC 그룹을 분류하는 데 95.55 % AUC를 달성했으며, Cohen의 kappa 값은 0.9014이며, 이는 도 7 및 8에 표시된 것처럼 1에 가깝다. 두 그룹은 그들 사이에 좋은 수준의 일치를 가지고 있다. 도 7은 복셀 방식 특징을 사용한 MCI 대 MCIc 그룹의 분류 결과를 보여준다. 또한 결합된 특징이 단일 모드 성능과 비교하여 MCI 대 MCIc 그룹을 분류하는데 매우 잘 수행되었음을 보여준다. 결합된 특징은 도 11에 표시되어 있는 대로 MCI 대 MCIc 그룹을 분류할 때 94.90 %의 AUC를 달성했다. Cohen의 kappa 값은 도 7 및 8에 표시된 것처럼 1에 가까운 0.8825였다. 두 그룹 간의 또한 AD 대 MCIc 및 AD 대 MCI 분류 그룹의 경우, 우리가 제안한 시스템은 개별 양식 바이오 마커와 비교하여 높은 수준의 성능과 일치(0.9145 및 0.8869)를 달성했다.- For MCI vs. MCIc groups, change bias for multiple comparisons using a no-correlation threshold of P uncorrected ≤0.001, an FDR value of P FDR =0.05 at the voxel level, and a FWER value of P FWER =0.05 at the cluster level. Perform. ROI binary masks were generated from selected clusters of each modality and subsequently gray matter and white matter volumes were removed from both image sets (MCI vs. MCIc). Figure 9B shows the most important regions in which these groups differ from each other using AV45-PET neuroimages. Similarly, Figure 10B uses DTI-FA neuroimaging to show the most important regions where these groups differ. We also follow the same procedure for calculating voxel clusters for the AD vs. MCIc, AD vs. MCI, HC vs. MCIc, and HC vs. MCI groups as we followed for AD vs. HC and MCI vs. MCIc. After completing a series of feature extraction from each individual modality, the obtained features are passed through a polynomial kernel matrix to map these low-dimensional features into a high-dimensional feature space. All these high-dimensional features were then fused into one form before passing through the EasyMKL algorithm for classification. Figure 7 shows the classification results for AD versus HC groups using voxel-wise features. Compared to the single modality results, we show that the combined features performed very well for this group. The combined features achieved 95.55% AUC in classifying AD versus HC groups as shown in Figure 11, with a Cohen's kappa value of 0.9014, which is close to 1 as shown in Figures 7 and 8. The two groups have a good level of agreement between them. Figure 7 shows the classification results of MCI versus MCIc groups using voxel-wise features. It also shows that the combined features performed very well in classifying MCI versus MCIc groups compared to single-mode performance. The combined features achieved an AUC of 94.90% when classifying MCI versus MCIc groups, as shown in Figure 11. Cohen's kappa value was 0.8825, close to 1, as shown in Figures 7 and 8. Also for the AD vs. MCIc and AD vs. MCI classification groups, our proposed system achieved a high level of performance and agreement (0.9145 and 0.8869) compared to individual modality biomarkers.

- AD vs. MCIc 그룹의 경우 AV45-PET 및 DTI-FA는 다른 단일 모드 바이오 마커에 비해 높은 분류 정확도를 얻었지만 획득된 정확도는 0.9145 (도 8) Cohen의 kappa 점수로 96.20 %를 얻어 결합된 VOI 프로세스에서 얻은 정확도보다 3% 낮았다. 마찬가지로 AD vs. MCI 그룹에 대해 제안된 방법은 0.8869 (도 8) Cohen의 kappa 점수로 95.16 %의 정확도를 달성했다. HC 대 MCIc 분류 그룹의 경우 AV45-PET 개별 양식 바이오 마커는 다른 단일 양식 바이오 마커에 비해 매우 잘 수행되었다. AV45-PET 바이오 마커를 사용하여 얻은 정확도와 Cohen의 kappa 점수는 94.02 %와 0.8481이었다 (도 8). 또한 HC 대 MCIc 그룹의 분류를 위해 결합 된 VOI 특징을 EasyMKL 분류기를 통해 전달했으며 분류기를 적용한 후 정확도가 1.5% 증가했다. 이는 결합된 VOI 특징이 이 그룹을 분류하는 데 도움이 되었음을 시사한다. 마찬가지로 HC 대 MCI 분류 그룹의 경우 ALFF 및 fALFF의 rs-fMRI 특징은 다른 개별 양식 바이오 마커와 비교하여 좋은 수준의 성능과 동의 (0.8386 및 0.8248)를 달성했다. 이 경우 APOE 유전자형의 개별적인 특징도 FDG-PET 이미징 방식 바이오 마커에 비해 잘 수행되었지만, 개별 방식 바이오 마커의 성능은 결합된 VOI 결과에 비해 그다지 좋지 않았다(도 7). 결합된 VOI 특징은 HC 대 MCI 그룹을 분류하는데 0.8864의 Cohen의 kappa 점수로 94.43%의 정확도와 94.67%의 AUC를 달성했다. 도 11은 6개 분류 그룹 모두에 대한 ROC 곡선을 보여준다. - AD vs. For the MCIc group, AV45-PET and DTI-FA achieved higher classification accuracy compared to other unimodal biomarkers, but the obtained accuracy was 0.9145 (Figure 8), with Cohen's kappa score of 96.20%, which is the accuracy obtained from the combined VOI process. It was 3% lower than Likewise AD vs. For the MCI group, the proposed method achieved an accuracy of 95.16% with a Cohen's kappa score of 0.8869 (Figure 8). For the HC vs. MCIc classification group, the AV45-PET individual modality biomarker performed very well compared to other single modality biomarkers. The accuracy and Cohen's kappa scores obtained using the AV45-PET biomarker were 94.02% and 0.8481 (Figure 8). Additionally, the combined VOI features were passed through the EasyMKL classifier for classification of HC vs. MCIc groups, and the accuracy increased by 1.5% after applying the classifier. This suggests that the combined VOI features were helpful in classifying this group. Similarly, for the HC versus MCI classification groups, the rs-fMRI features of ALFF and fALFF achieved good levels of performance and agreement (0.8386 and 0.8248) compared to other individual modality biomarkers. In this case, individual characterization of the APOE genotype also performed well compared to the FDG-PET imaging modality biomarkers, but the performance of the individual modality biomarkers was not very good compared to the combined VOI results (Figure 7). The combined VOI features achieved an accuracy of 94.43% and an AUC of 94.67% with a Cohen's kappa score of 0.8864 in classifying HC versus MCI groups. Figure 11 shows the ROC curves for all six classification groups.

모든 분류 작업의 빨간색 실선은 해당 특정 그룹에 대한 결합된 VOI 특징을 나타낸다. 결과적으로 도 7과 도 8, 11에서 모든 분류 조합에 대해 제안된 방법이 단일 양식 바이오 마커에 비해 1~3%의 높은 수준의 성능을 달성했으며 제안된 계획도 단일 양식 기반 방법과 비교하여 6가지 분류 조합 각각 간의 높은 수준의 일치를 보인다. 도 7은 단일 특징에 비해 결합된 특징을 사용하는 이점을 명확하게 보여준다.The solid red lines across all classification tasks represent the combined VOI features for that particular group. As a result, it can be seen from Figures 7 and 8, 11 that for all classification combinations, the proposed method achieved a higher level of performance of 1-3% compared to single-modality biomarkers, and the proposed scheme also achieved 6% better performance compared to single-modality-based methods. There is a high level of agreement between each classification combination. Figure 7 clearly shows the advantage of using combined features over single features.

- AD 대 HC 피험자의 서로 다른 가장 중요한 영역을 비교하기 위하여, (left/right) temporal-mid, (left/right) frontal-sup, (left/right) occipital-mid, (left/right) occipital-inf, (left/right) temporalsup, (left/right) fusiform, (left/right) hippocampus, (left/right) temporal-inf, (left/right) precentral, (left/right) sagittal stratum 등이 가장 다른 영역임을 확인할 수 있었다.- To compare different most important regions in AD vs HC subjects, (left/right) temporal-mid, (left/right) frontal-sup, (left/right) occipital-mid, (left/right) occipital- The most different are inf, (left/right) temporalsup, (left/right) fusiform, (left/right) hippocampus, (left/right) temporal-inf, (left/right) precentral, and (left/right) sagittal stratum. It was confirmed that it was an area.

- 마찬가지로 MCI 대 MCIc 그룹의 경우에는, (left/right) precentral, (left/right) precuneus, (left/right) frontal-mid, (left/right) cingulum-mid, (left/right) temporal-inf, (left/right) temporal-sup, (left/right) frontal-dup-medial, (left/right) cerebellum-9, (left/right) thalamus, and (left/right) fusiform 등이 가장 다른 영역임을 확인할 수 있었다.- Similarly, for the MCI vs. MCIc group, (left/right) precentral, (left/right) precuneus, (left/right) frontal-mid, (left/right) cingulum-mid, (left/right) temporal-inf , (left/right) temporal-sup, (left/right) frontal-dup-medial, (left/right) cerebellum-9, (left/right) thalamus, and (left/right) fusiform are the most different regions. I was able to confirm.

- AD 대 MCIc 그룹의 경우, (left/right) frontal-inf-tri, (left/right) frontal-inf-oper, (left/right) frontal-inf-orb, (right) hippocampus, (left/right) precentral, (left/right) thalamus, (left) pallidum, (left/right) lingual, and (left/right) inferior longitudinal fasciculus 등이 가장 다른 영역임을 확인할 수 있었다.- For AD vs. MCIc group, (left/right) frontal-inf-tri, (left/right) frontal-inf-oper, (left/right) frontal-inf-orb, (right) hippocampus, (left/right) ) It was confirmed that the precentral, (left/right) thalamus, (left) pallidum, (left/right) lingual, and (left/right) inferior longitudinal fasciculus were the most different regions.

- AD 대 MCIs 그룹의 경우, (left/right) precentral, (left/right) frontal-mid, (left/right) hippocampus, (left/right) temporal-inf, (left/right) frontal-inf-orb, (left/right) occipitalmid, (right) posterior corona radiate, and (left/right) precuneus 등이 가장 다른 영역임을 확인할 수 있었다.- For AD vs. MCIs group, (left/right) precentral, (left/right) frontal-mid, (left/right) hippocampus, (left/right) temporal-inf, (left/right) frontal-inf-orb , (left/right) occipitalmid, (right) posterior corona radiate, and (left/right) precuneus were confirmed to be the most different regions.

- HC 대 MCIc 및 HC 대 MCI 그룹의 경우 ((left/right) precentral, (left/right) cerebellum-6, (left/right) precuneus, (left/right) frontal-mid, (left/right) corticospinal tract, (left/right) lingual, (right) amygdala, and the (left/right) occipital-sup 등이 가장 다른 영역임을 확인할 수 있었다. 복셀 클러스터를 계산할 때 모든 분류 문제에서 (left/right) precentral 영역이 발견되었다는 점은 흥미롭다.- For HC vs. MCIc and HC vs. MCI groups ((left/right) precentral, (left/right) cerebellum-6, (left/right) precuneus, (left/right) frontal-mid, (left/right) corticospinal It was confirmed that the most different regions were the tract, (left/right) lingual, (right) amygdala, and the (left/right) occipital-sup. When calculating voxel clusters, the (left/right) precentral region was used in all classification problems. It is interesting that this was discovered.

- 도 12는 전체 뇌 및 복셀 방식에서 추출된 특징을 APOE 유전자형과 연결 한 후 6 개 분류 그룹 모두에 대한 결합된 (VOI + ROI) 분류 결과를 보여준다. 이는 특징을 EasyMKL 분류기에 전달하기 전에 다항 커널 행렬을 적용하여 저차원 특징을 고차원 특징 공간에 매핑하여 모든 특징이 분류에 대한 중요성을 드러냈다. 이러한 고차원적 특징은 하나의 형태로 융합되었다. 그런 다음 분류를 위해 특징을 MKL 알고리즘에 전달했다.- Figure 12 shows the combined (VOI + ROI) classification results for all six classification groups after linking features extracted from whole brain and voxel-wise with APOE genotype. This revealed the importance of all features for classification by mapping low-dimensional features to a high-dimensional feature space by applying a polynomial kernel matrix before passing the features to the EasyMKL classifier. These high-level features were fused into one form. The features were then passed to the MKL algorithm for classification.

- AD 대 HC 분류 그룹의 경우 Combined-(VOI + ROI) 특징은 Combined-VOI 및 Combined-ROI 특징에 비해 매우 잘 수행되었다. AUC 및 Cohen의 kappa 점수는 결합된 ROI 및 결합된 VOI에 비해 2-2.5 % (97.78 %, 0.9456) 증가했다(도 12, 13). 또한 MCI 대 MCIc 분류 그룹의 경우 도 12 및 13은 Combined-(VOI + ROI)의 기능이 다른 각각 Combined-VOI와 Combined-ROI 특징에 비해 매우 높은 96.94% (2 % 증가)의 AUC를 달성했음을 보여준다. 획득한 Cohen의 kappa 값 (0.9247)도 Combined-VOI 및 Combined-ROI에 비해 높았다. 또한 AD vs. MCI, HC vs. MCI, HC vs. MCIc 분류 그룹의 경우, 본 발명에서 제안하는 시스템은 각 그룹에 대해 Combined-VOI 및 Combined-ROI로 얻은 결과와 비교할 때 매우 잘 수행되었다. 도 12에서 세 그룹(AD 대 MCI, HC 대 MCI, HC 대 MCIc)에 대해 측정된 모든 결과가 2~3% 증가함을 알 수 있다. 이 세 그룹에 대해 얻은 AUC 점수는 96.25%, 96.59% 및 96.67%이다. 마찬가지로 AD vs. MCIc 그룹의 경우 Combined-ROI 방법이 Combined-(VOI + ROI) 및 Combined-VOI 방법에 비해 매우 잘 수행되었다. 측정된 결과 차이는 AD 대 MCIc 그룹에 대해 Combined-ROI와 Combined-(VOI C ROI) 방법 (단지 1 %) 사이에서 그다지 높지 않았다. 도 12는 Combined-ROI 및 Combined-VOI의 기능에 비해 Combined-(VOI + ROI) 특징을 사용할 때의 이점을 명확하게 보여준다.- For the AD vs HC classification group, the Combined-(VOI + ROI) feature performed very well compared to the Combined-VOI and Combined-ROI features. AUC and Cohen's kappa scores increased by 2-2.5% (97.78%, 0.9456) compared to combined ROI and combined VOI (Figures 12, 13). Additionally, for the MCI vs. MCIc classification group, Figures 12 and 13 show that the feature of Combined-(VOI + ROI) achieved a very high AUC of 96.94% (2% increase) compared to the other Combined-VOI and Combined-ROI features, respectively. . The obtained Cohen's kappa value (0.9247) was also higher than that of Combined-VOI and Combined-ROI. Also AD vs. MCI, HC vs. MCI, HC vs. For the MCIc classification group, our proposed system performed very well when compared to the results obtained with Combined-VOI and Combined-ROI for each group. In Figure 12, it can be seen that all measured outcomes increased by 2-3% for the three groups (AD vs. MCI, HC vs. MCI, and HC vs. MCIc). The AUC scores obtained for these three groups are 96.25%, 96.59%, and 96.67%. Likewise AD vs. For the MCIc group, the Combined-ROI method performed very well compared to the Combined-(VOI + ROI) and Combined-VOI methods. The measured outcome difference was not very high between the Combined-ROI and Combined-(VOI C ROI) methods (only 1%) for the AD vs. MCIc groups. Figure 12 clearly shows the advantage of using the Combined-(VOI + ROI) feature over the features of Combined-ROI and Combined-VOI.

<시험예 3> Graph Network Construction and Analysis for All Six Classification Groups<Test Example 3> Graph Network Construction and Analysis for All Six Classification Groups

- 그래프 분석 또는 그래프 네트워크 구성을 위해 MATLAB 2019a에 통합된 BRAPH 도구 상자를 사용했다. 또한 6개의 이진 분류 그룹(AD 대 HC, MCI 대 MCIc, AD 대 MCIc, AD 대 MCI, HC 대 MCIc 및 HC 대 MCI) 모두에 대해 구조 및 기능 그래프 이론을 수행했다. 노드 측정을 수행하고 binary undirected graphs를 사용하여 비교를 수행했으며, 네트워크의 연결 수와 가능한 연결 수 사이의 비율을 나타내는 일련의 네트워크 밀도 (5%~ 25%범위)에 대해 측정을 단계크기 0.5%로 평가했다. 로컬 효율성, 특성 경로 길이, 전이성 및 모듈성을 포함하여 구조 및 기능 네트워크의 노드 또는 글로벌 토폴로지 구성을 정량화하기 위해 여러 그래프 메트릭이 계산되었다. 6개의 이진 분류 그룹 모두에 대해 각각 1000 개의 순열이 있는 비모수 순열 테스트 샘플이 그룹 간의 차이를 평가하기 위해 수행되었으며, 이는 p <0.05에서 귀무가설의 양측 검정에 대해 유의했다. sMRI 피험자의 AD, HC, MCI 및 MCIc의 구조적 상관 행렬 그래프가 도 14에 나와 있다. 모든 그룹은 양측 상동 영역간에 강한 상관관계를 나타냈다. 도 15 및 16의 플롯은 95 % 신뢰 구간 (CI) (짙은 회색 음영)의 하한 및 상한 (어두운 빨간색 구)을 밀도 함수로 보여준다. 파란색, 녹색, 분홍색 및 자주색 구체는 세트 간의 차이를 보여 주며 CI를 넘어 서면 변화가 p <0.05에서 통계적으로 유의했음을 나타낸다.- We used the BRAPH toolbox integrated in MATLAB 2019a for graph analysis or graph network construction. We also performed structural and functional graph theory for all six binary classification groups (AD vs. HC, MCI vs. MCIc, AD vs. MCIc, AD vs. MCI, HC vs. MCIc, and HC vs. MCI). Nodal measurements were taken and comparisons were made using binary undirected graphs, and the measurements were made for a set of network densities (ranging from 5% to 25%), representing the ratio between the number of connections in the network and the number of possible connections, with a step size of 0.5%. evaluated. Several graph metrics have been computed to quantify the node or global topological organization of structural and functional networks, including local efficiency, characteristic path length, transitivity, and modularity. For all six binary classification groups, a non-parametric permutation test sample with 1000 permutations each was performed to assess differences between groups, which were significant against a two-tailed test of the null hypothesis at p < 0.05. A structural correlation matrix graph of AD, HC, MCI, and MCIc of sMRI subjects is shown in Figure 14. All groups showed strong correlations between bilateral homologous regions. The plots in Figures 15 and 16 show the lower and upper bounds (dark red spheres) of the 95% confidence interval (CI) (dark gray shading) as a function of density. Blue, green, pink and purple spheres show differences between sets, beyond the CI indicating that the change was statistically significant at p < 0.05.

- 중간에 있는 작은 진한 빨간색 점(값이 0 근처)은 순열 테스트 후 무작위 집합 사이의 전역 네트워크 측정값의 평균값을 지정한다.- The small dark red dot in the middle (value near 0) specifies the average value of the global network measure between the random sets after the permutation test.

- 또한 모든 양식을 사용하여 6개의 이진 분류 그룹 모두에 대한 노드의 단계를 비교했다. FDR 보정 값은 6개의 이진 분류 그룹 모두에 대해 0.05로 일정하게 유지되었다. 도 15에서 AD 대 HC에 대해 표시된 글로벌 네트워크 토폴로지와 관련하여, 본 발명은 다른 신경 영상 방식보다 FDG(0.15에서 시작)만을 사용하여 더 긴 특성 경로 길이를 발견했으며 경로 길이는 차이 값의 평균값을 초과했다. 로컬 효율성의 경우 AV45 양식이 평균값보다 높은 (0.05에서) 시작된 유일한 모드임을 발견했다. 또한 AD와 HC 그룹의 모듈성 그래프를 비교하여 sMRI가 모든 양식 중에서 가장 큰 차이(모듈화는 0.14에서 시작)를 보였으며 네트워크 밀도는 25 %까지 거의 일정했다(네트워크 토폴로지가 널리 퍼짐). rs-fMRI 양식은 일부 네트워크 밀도에서 감소했음에도 불구하고 0.06에서 시작하여 25%까지 증가하는 다른 양식에 비해 전이 그래프에서 매우 잘 수행되었다. 또한 도 17A, B에 표시된 AD 대 HC 그룹에 대한 지역 또는 노드 네트워크 토폴로지도 계산했다. 도 17A, B는 AV45 및 FDG-PET 양식이 AD 대 HC 그룹에 대한 노드 네트워크 토폴로지에서 중요한 영역 변화의 수를 보여주는 유일한 신경 이미지임을 보여준다. 결절 정도는 right g-frontal-sup-1, left g-cuneus-2, left g-frontal-sup-3, left g-frontal-sup-1, left g-frontal-med-orb-1, and right s-precentral-3 영역에서 유의한 증가를 보였다. 마찬가지로 MCI 대 MCIc 그룹의 경우 FDG를 사용하여 특성 경로 길이와 로컬 효율성이 증가하는 것을 발견했다(두 경우 모두 도 15에 표시된 것처럼 0.01에서 시작 함). 모듈화의 경우 sMRI는 5%의 네트워크 밀도를 달성했지만 그 후 25 %로 감소했다. 동시에 DTI 신경 이미지의 모듈성은 네트워크 밀도에서 10%에서 25%로 증가했다. 마찬가지로, 전이성의 경우 평균값 미만에서 시작된 다른 양식과 비교하여 AV45 양식은 0(차이)에서 시작된 유일한 양식이었으며 모든 단일 네트워크 밀도에서 네트워크가 증가했다.- We also compared the levels of nodes for all six binary classification groups using all modalities. The FDR correction value was kept constant at 0.05 for all six binary classification groups. Regarding the global network topology shown for AD vs. HC in Figure 15, we found longer characteristic path lengths using only FDG (starting at 0.15) than other neuroimaging modalities, with path lengths exceeding the average of the difference values. did. For local efficiency, we found that the AV45 form was the only mode that started above the mean value (at 0.05). We also compared the modularity graphs of the AD and HC groups and found that sMRI showed the largest difference among all modalities (modularity starting at 0.14), while network density was nearly constant up to 25% (network topology was widespread). The rs-fMRI modality performed very well on transition graphs compared to other modalities, despite a decrease in some network densities, starting at 0.06 and increasing up to 25%. We also calculated regional or node network topologies for the AD versus HC groups shown in Figure 17A,B. Figures 17A,B show that AV45 and FDG-PET modalities are the only neuroimages showing the number of significant regional changes in node network topology for AD vs. HC groups. Nodule severity was right g-frontal-sup-1, left g-cuneus-2, left g-frontal-sup-3, left g-frontal-sup-1, left g-frontal-med-orb-1, and right A significant increase was seen in the s-precentral-3 region. Similarly, for the MCI vs. MCIc group, we found an increase in characteristic path length and local efficiency using FDG (starting at 0.01 in both cases, as shown in Figure 15). For modularization, sMRI achieved a network density of 5% but then decreased to 25%. At the same time, the modularity of DTI neural images increased from 10% to 25% in network density. Likewise, for transitivity, compared to the other modalities that started below the mean value, the AV45 modality was the only modality that started at 0 (difference) and showed network increases at every single network density.

- 이 전이성 플롯은 MCI 대 MCIc 그룹에 대해 가장 널리 퍼진 토폴로지 변화를 보여준다. 도 17C, D는 AV45-FDG가 MCI 대 MCIc 그룹의 노드 토폴로지에서 중요한 영역 변화의 수를 보여주는 가장 중요한 양식이라는 것을 보여준다. Left s-postcentral-2, right g-parietal-inf-1, left g-frontal-inf-tri, right g-lingual-2, right g-parahippocampus-5, left n-thalamus-6, left s-parietooccipital-4, left-lingual-3, left g-cingulum-post-2는 MCI 대 MCIc 분류 그룹의 절점 정도로 표시되는 가장 중요한 영역이다. rs-fMRI는 특성 경로 길이 측정의 증가를 보여주는 유일한 양식이다. 0.38(차이)에서 시작하고 CI 내부 및 평균 값 위에 있지만 15~17% 네트워크 밀도에서 일부 네트워크는 CI 상한 외부에 있으며 다시 18% 밀도에서 네트워크가 있으며, 25% 밀도에 도달 할 때까지 CI 내부에 있다. 또한 약 13 %의 네트워크 밀도에서 일부 네트워크가 평균값(작은 진한 빨간색 점으로 표시됨)에 가깝다는 것을 알 수 있다. AD 대 MCIc 그룹에 대해 가장 널리 퍼진 토폴로지 변화를 보여준다. FDG-PET 양식은 로컬 효율성 측정에 대해서만 증가함을 보여준다. 다른 단일 양식에 비해 sMRI 및 AV45-PET 양식에 대한 거의 모든 네트워크 밀도에서 모듈 성과 전이성이 증가한다. FDG-PET 양식은 CI 내부 및 평균 값 위에 있는 특성 경로 길이를 보여주는 유일한 방법이다. 모든 양식의 국소 효율 측정값을 비교 한 결과, 모든 양식이 CI 내에 있지만 rs-fMRI 양식이 평균값(작은 진한 빨간색으로 표시됨) 위에 있는 유일한 신경 이미지라는 것을 발견했다. 모듈성이 증가하고 동시에 sMRI 양식에서 알 수 있듯이 AD 대 MCI 그룹의 전이성이 감소했지만 두 플롯 모두 95% CI내에 있다. right n-caudate-2, left g-insula-anterior-2, left g-frontal-mid-orb-1, left g-cuneus-2, right g-angular-3, right g-occipital-pole-1, right n-thalamus-6 는 FDG 및 sMRI 이미지를 사용하여 AD 대 MCI 분류 그룹에 대한 노드 정도로 표시된 가장 중요한 영역이었다. 이 플롯에서 특성 경로 길이가 rs-fMRI 양식 (다른 양식에 비해 매우 높음)에서 5% 밀도에서 0.8 (차이)에서 시작함을 알 수 있다. 그러나 밀도가 8~13%에서 갑자기 감소하기 시작하고 하한(어두운 빨간색 구로 표시됨)을 가로 지르고 나중에 다시 14%의 네트워크 밀도에서 증가한다. rs-fMRI 양식은 국소 효율, 모듈성 및 전이성이 평균값(작은 진한 빨간색 구) 위에 있는 유일한 신경 이미지이다. 또한 이 이미지는 95%의 신뢰 구간의 중간에 있다. - This transitivity plot shows the most prevalent topological changes for the MCI versus MCIc groups. Figure 17C,D shows that AV45-FDG is the most important modality showing the number of significant area changes in node topology for MCI vs. MCIc groups. Left s-postcentral-2, right g-parietal-inf-1, left g-frontal-inf-tri, right g-lingual-2, right g-parahippocampus-5, left n-thalamus-6, left s-parietooccipital -4, left-lingual-3, and left g-cingulum-post-2 are the most important regions represented by the nodal degrees of MCI vs. MCIc classification groups. rs-fMRI is the only modality that shows increases in characteristic path length measurements. It starts at 0.38 (difference) and is inside the CI and above the mean value, but at 15-17% network density, some networks are outside the CI upper limit, and again at 18% density there are networks that are inside the CI until 25% density is reached. . We can also see that at a network density of around 13%, some networks are close to the average value (indicated by small dark red dots). The most prevalent topological changes are shown for the AD versus MCIc groups. The FDG-PET form shows an increase only for local efficiency measures. Modularity and transitivity increase at almost all network densities for sMRI and AV45-PET modalities compared to other single modalities. The FDG-PET format is the only way to show the characteristic path lengths within the CI and above the average value. Comparing local efficiency measures from all modalities, we found that although all modalities were within the CI, the rs-fMRI modality was the only neural image above the mean (indicated in small dark red). Modularity increased and at the same time transitivity decreased in AD vs. MCI groups, as seen in the sMRI modality, but both plots are within the 95% CI. right n-caudate-2, left g-insula-anterior-2, left g-frontal-mid-orb-1, left g-cuneus-2, right g-angular-3, right g-occipital-pole-1, Right n-thalamus-6 was the most significant region indicated by nodal extent for AD vs. MCI classification groups using FDG and sMRI images. In this plot we can see that the characteristic path length starts at 0.8 (difference) at 5% density in the rs-fMRI modality (very high compared to other modalities). However, the density suddenly starts to decrease at 8-13%, crosses the lower limit (indicated by the dark red sphere), and later increases again at a network density of 14%. The rs-fMRI modality is the only neuroimaging where local efficiency, modularity, and transitivity are above the mean values (small dark red spheres). This image is also in the middle of the 95% confidence interval.

<Discussion><Discussion>

- 본 발명의 결과는 6개의 이진 분류 그룹을 모두 분류하기 위한 다중 모드 행동에 대한 통찰력을 제공했으며, 임상 수준에서 AD의 차이성에 대한 향후 분석에 가장 중요한 영역 또는 단일 양식이 어떠한 것인지 보여준다. 여기에서 우리가 제안한 아이디어는 AD환자 및 기타 그룹의 분류를 위해 여러 신경 영상 방식(sMRI, AV45, FDG, rs-fMRI 및 DTI)을 유전자 바이오 마커(APOE)와 결합하여 전뇌, 복셀 방식, 및 그래픽 분석 방법을 사용한다. 본 발명은 sMRI / PET, rs-fMRI 및 DTI 신경 이미지를 분할하기 위해 세 가지 유형의 Atlas(AICHA, pyClusterROI 및 JHU-WM)를 사용했다. 또한 sMRI 및 PET 이미지를 분할하기 위해 이미 384개의 ROI로 분할 된 AICHA atlas를 사용했다. 마찬가지로, rs-fMRI 신경 이미지의 경우 Craddock atlas와 함께 pyClusterROI Python 스크립트를 적용하여 rs-fMRI 이미지를 200개의 뇌 영역으로 분할한다(이는 공간적으로 제한된 정규화 컷 스펙트럼 클러스터링 프로세스를 사용하여 fMRI 이미지를 분할하는 잘 알려진 기술이기 때문임). 또한 fMRI 이미지가 시계열(ADNI rs-fMRI 데이터는 140 개의 시계열 또는 시점으로 구성됨)로 구성되어 있으므로 fMRI 데이터를 사용하여 뇌를 분할하려면 비슷한 시점의 복셀을 그룹화하여 영역을 형성해야 했다. 이는 일반적으로 각 클러스터가 하나의 영역을 구성하는 데이터 기반 클러스터링 방법을 사용하여 수행된다. 상기의 이유로 rs-fMRI 이미지에 대해 pyClusterROI 스크립트를 선택했다. 또한 DTI 이미지의 경우 이미 50개의 뇌 영역으로 분할된 JHU-WM(ICBM-DTI-81) label atlas를 적용했다. 본 발명에서 각각의 장점 때문에 신경 이미지의 다양한 양식에 대해 서로 다른 아틀라스를 선택했으며 특정 신경 이미지 양식에 대해 더 높은 뇌 ROI를 추출하기 위해 선택했다. 각 방법에서 특징 추출이 완료된 후, 다항식 커널 함수를 통해 저차원 추출 특징을 전송하여 고차원 특징에 매핑했다. 그 후, 추가 분석 전에 6개의 모든 고차원적 특징을 하나의 형태로 융합했다. 나중에 분류를 위해 EasyMKL 분류기를 통해 이러한 단일 모드 및 다중 모드 특징을 전달하고 각 방법의 평균 정확도를 보고했다. 이 절차는 기계 학습 접근 방식의 성능을 비교하는 데 널리 사용되고 있다. 이전 연구에서는 이미 AD 분류에 다중 모드 방법을 적용했지만 (Zhang et al., 2011; Young et al., 2013; Liu et al., 2014; Ritter et al., 2015; Schouten et al., 2016; Hojjati et al., 2018; Gupta et al., 2019a) 다른 그룹과 함께 본 발명에서는 6개의 이진 분류 그룹(AD 대 HC, MCI 대 MCIc, AD 대 MCIc, AD 대 MCI, HC 대 MCIc, HC 대 MCI)의 분류를 위해 5 가지 유형의 신경 이미지 양식과 2 개의 APOE 유전자형 점수를 결합한 최초의 연구이다. 본 발명에서 제안한 방법은 최근 발표된 결과와 비교하여 6개의 이진 그룹을 분류하기 위해 단일 모드 기능에 비해 성능 측면에서 다중 모드 특징을 사용하여 개선되었음을 분명히 보여주었다. 또한 본 발명에서는 6개의 이진 그룹의 플롯(특성 경로 길이, 로컬 효율성, 모듈성 및 전이성)을 연구하고 가장 그룹에서 많은 영역을 찾기 위해 그래프 이론적 전략(글로벌 및 노드 네트워크 토폴로지)을 채택했다.- Our results provided insight into multimodal behavior to classify all six binary classification groups and show which domains or single modalities are most important for future analysis of AD differentials at the clinical level. The idea we propose here is to combine multiple neuroimaging modalities (sMRI, AV45, FDG, rs-fMRI, and DTI) with genetic biomarkers (APOE) for classification of AD patients and other groups in a whole-brain, voxel-wise, and graphical manner. Use analytical methods. The present invention used three types of Atlas (AICHA, pyClusterROI, and JHU-WM) to segment sMRI/PET, rs-fMRI, and DTI neural images. Additionally, to segment sMRI and PET images, we used the AICHA atlas, which was already segmented into 384 ROIs. Similarly, for rs-fMRI neural images, we apply the pyClusterROI Python script with the Craddock atlas to segment the rs-fMRI images into 200 brain regions (this is a well-known example of segmenting fMRI images using a spatially constrained normalized cut spectral clustering process). Because it is a known technology). Additionally, because fMRI images are composed of time series (ADNI rs-fMRI data consists of 140 time series, or time points), segmenting the brain using fMRI data required grouping voxels from similar time points to form regions. This is typically done using data-driven clustering methods where each cluster constitutes one region. For the above reasons, we chose the pyClusterROI script for rs-fMRI images. Additionally, in the case of DTI images, the JHU-WM (ICBM-DTI-81) label atlas, which was already segmented into 50 brain regions, was applied. In the present invention, different atlases were selected for different modalities of neuroimaging because of their respective advantages and to extract higher brain ROIs for specific neuroimaging modalities. After feature extraction was completed in each method, the low-dimensional extracted features were transmitted through a polynomial kernel function and mapped to high-dimensional features. Afterwards, all six high-dimensional features were fused into one form before further analysis. We later passed these unimodal and multimodal features through EasyMKL classifier for classification and reported the average accuracy of each method. This procedure is widely used to compare the performance of machine learning approaches. Although previous studies have already applied multimodal methods to AD classification (Zhang et al., 2011; Young et al., 2013; Liu et al., 2014; Ritter et al., 2015; Schouten et al., 2016; Hojjati et al., 2018; Gupta et al., 2019a) along with other groups, we present six binary classification groups (AD vs. HC, MCI vs. MCIc, AD vs. MCIc, AD vs. MCI, HC vs. MCIc, HC vs. MCI). This is the first study to combine five types of neuroimaging modalities and two APOE genotype scores for classification. Compared with recently published results, the method proposed in this invention clearly showed an improvement using multimodal features in terms of performance compared to single-mode features for classifying six binary groups. Additionally, we study the plots of six binary groups (characteristic path length, local efficiency, modularity and transitivity) and adopt a graph-theoretic strategy (global and node network topology) to find the most abundant regions in the groups.

- Influence of the different types of neuroimaging modality- Influence of the different types of neuroimaging modality

ROI와 VOI 특징을 모두 사용하여 각 양식에 대해 얻은 Cohen의 카파 점수를 비교했다. 점수는 6개의 분류 그룹 각각에 대해 계산되었다. 도 5에 표시된 Cohen의 카파 결과는 ROI 기반 특징을 사용하여 계산되었다. 마찬가지로 도 8에 표시된 Cohen의 카파 결과는 VOI 기반 특징을 사용하여 계산되었다. 도 5 및 8에 표시된 결과는 DTI-FA 양식 바이오마커가 다른 5개 바이오마커와 비교하여 6개의 이진 분류 그룹을 분류하면서 그룹 간에 높은 수준의 일치를 달성했음을 분명히 보여준다. 또한 VOI 기반 DTI-FA(0.8~0.87 이상) 특징이 ROI 기반 DTI-FA(0.75~0.84 이상) 특징보다 약간 더 나은 성능을 보였다고 말할 수 있다.Cohen's kappa scores obtained for each modality using both ROI and VOI features were compared. Scores were calculated for each of the six classification groups. Cohen's kappa results shown in Figure 5 were calculated using ROI-based features. Similarly, Cohen's kappa results shown in Figure 8 were calculated using VOI-based features. The results shown in Figures 5 and 8 clearly show that the DTI-FA modality biomarker achieved a high level of agreement between groups, classifying the six binary classification groups compared to the other five biomarkers. It can also be said that the VOI-based DTI-FA (above 0.8 to 0.87) features performed slightly better than the ROI-based DTI-FA (above 0.75 to 0.84) features.

- Influence of the type of features (ROI and VOI)- Influence of the type of features (ROI and VOI)

참조 지도책(AICHA, Craddock 및 JHU-WM)이 있는 지역(ROI) 특징을 얻은 Cohen의 카파 점수를 EasyMKL 분류기를 사용하여 신경 이미지의 5가지 다른 유형에 대한 복셀(VOI) 특징(SPM12, DPARSF, TBSS)에 대해 얻은 것과 비교했다. 점수는 동일한 6개의 이진 분류 그룹에 대해 평가되었다. 도 5에 표시된 Cohen의 카파 결과는 ROI 기반 분석에 대한 것이고 마찬가지로 도 8에 표시된 Cohen의 카파 결과는 VOI 기반 분석에 대한 것이다. 도 5와 8에 표시된 결과는 지역 또는 복셀 특징을 사용하여 얻은 Cohen의 카파 점수에서 눈에 띄는 차이를 보여주지 않았다. 두 특징 모두 매우 잘 수행되었으며 6개의 이진 분류 그룹 모두에 대해 서로 높은 수준의 일치를 달성했다.Cohen's kappa scores obtained for region (ROI) features with reference atlases (AICHA, Craddock and JHU-WM) were used to compare voxel (VOI) features (SPM12, DPARSF, TBSS). Scores were evaluated for the same six binary classification groups. Cohen's kappa results shown in Figure 5 are for ROI-based analysis, and similarly, Cohen's kappa results shown in Figure 8 are for VOI-based analysis. Results shown in Figures 5 and 8 showed no noticeable differences in Cohen's kappa scores obtained using regional or voxel features. Both features performed very well and achieved a high level of agreement with each other for all six binary classification groups.

- Influence of the classification method- Influence of the classification method

EasyMKL 분류기에서 얻은 결과와 RBF-SVM 분류기에서 얻은 결과를 비교했다. 도 6, 7, 12는 EasyMKL 및 RBF-SVM 분류기를 사용하여 6개의 모든 바이너리 그룹에 대해 얻은 분류 결과를 보여준다. 마찬가지로, 도 18은 EasyMKL 및 RBF-SVM 분류기를 사용하여 6개의 모든 이진 분류 작업에 대해 얻은 정확도를 비교한 플롯을 보여준다. 도 18에 표시된 결과는 EasyMKL 분류기가 RBF-SVM과 비교하여 6개의 이진 그룹 모두에 대해 높은 분류 정확도를 달성했음을 보여준다. 또한 EasyMKL이 SVM이 해결하는 간단한 2차 문제를 보다 효율적인 방식으로 최적화했음을 시사한다. The results obtained from the EasyMKL classifier were compared with the results obtained from the RBF-SVM classifier. Figures 6, 7, and 12 show the classification results obtained for all six binary groups using EasyMKL and RBF-SVM classifiers. Similarly, Figure 18 shows a plot comparing the accuracy obtained for all six binary classification tasks using EasyMKL and RBF-SVM classifiers. The results shown in Figure 18 show that the EasyMKL classifier achieved high classification accuracy for all six binary groups compared to RBF-SVM. It also suggests that EasyMKL optimizes the simple quadratic problem solved by SVM in a more efficient manner.

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Claims (10)

1) 커널 매트릭스(kernel matrix) 계산 단계;
2) 커널 매트릭스 조합 단계;
3) 커널 매트릭스 정규화 단계;
4) 커널 매트릭스 선택 및 분류 단계;
5) 교차 검증하는 단계; 및
6) 알츠하이머병의 단계를 분류하는 단계를 포함하고,
상기 1) 커널 매트릭스(kernel matrix) 계산 단계는,
1-1) 전체 뇌 분할 분석(whole-brain parcellation analysis)으로 커널 매트릭스를 계산하는 단계;
1-2) 복셀 기반 형태 측정법(voxel-based morphometry)으로 커널 매트릭스를 계산하는 단계; 및
1-3) 그래프 이론 방법(graph theory method)로 커널 매트릭스를 계산하는 단계;로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 단계를 포함하고,
상기 커널 매트릭스(kernel matrix)는 sMRI, FDG-PET, AV45-PET, DTI, rs-fMRI 및 아포지단백 E 유전형(apolipoprotein E genotype)을 포함하는 것이며,
상기 1-1) 단계는 니프티레그(NiftyReg), 파이클러스터알오아이(pyClusterROI) 및 판다(PANDA) 도구상자를 이용하여 커널 매트릭스를 계산하는 것이고,
상기 1-2) 단계는 SPM12, DPARSF 및 FSL 도구상자를 이용하여 커널 매트릭스를 계산하는 것이며,
상기 rs-fMRI 특징은 REHO, ALFF 및 FALFF를 포함하는 것이고,
상기 4) 단계는 다중커널학습(multiple kernel learning)으로 분류하는 것이며, 상기 다중커널학습은 하기 [수학식 12]를 사용하는 것이고,
상기 5) 단계는 leave-one-out 교차 검증을 사용하는 것이며,
상기 알츠하이머병의 진행 단계는 건강한 대조군, 경도 인지 장애, 전환성 인지 장애 및 알츠하이머병으로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것인 알츠하이머병의 진행 단계 분류를 위한 머신러닝 시스템에 의한 진단정보 제공방법
[수학식 12]

상기 [수학식 12]에서, K(x,y)로 sMRI, FDG, AV45, DTI, rs-fMRI 및 APOE를 정규화하는 것이고, 변수는 커널의 정규화된 값이며, w는 그에 따른 가중치임. 정규화된 각각의 값에 6개의 합이 1이 되도록 w 값을 각각 부여함.
1) Kernel matrix calculation step;
2) Kernel matrix combination step;
3) Kernel matrix normalization step;
4) Kernel matrix selection and classification step;
5) Cross-validation step; and
6) Includes the step of classifying the stages of Alzheimer's disease,
The 1) kernel matrix calculation step is,
1-1) Calculating a kernel matrix by whole-brain parcellation analysis;
1-2) Calculating a kernel matrix using voxel-based morphometry; and
1-3) calculating the kernel matrix using a graph theory method; comprising one or more steps selected from the group consisting of,
The kernel matrix includes sMRI, FDG-PET, AV45-PET, DTI, rs-fMRI, and apolipoprotein E genotype,
Step 1-1) is to calculate the kernel matrix using NiftyReg, pyClusterROI and PANDA toolbox,
Steps 1-2) above calculate the kernel matrix using SPM12, DPARSF and FSL toolbox,
The rs-fMRI features include REHO, ALFF and FALFF,
Step 4) is classified as multiple kernel learning, and the multiple kernel learning uses the following [Equation 12],
Step 5) above uses leave-one-out cross-validation,
The progression stage of Alzheimer's disease is one selected from the group consisting of healthy control group, mild cognitive impairment, transitional cognitive disorder, and Alzheimer's disease. Method for providing diagnostic information using a machine learning system for classifying the progression stage of Alzheimer's disease.
[Equation 12]

In [Equation 12] above, sMRI, FDG, AV45, DTI, rs-fMRI, and APOE are normalized by K(x,y), the variable is the normalized value of the kernel, and w is the corresponding weight. A w value is assigned to each normalized value so that the sum of the six values is 1.
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