DeepComBat: A statistically motivated, hyperparameter‐robust, deep learning approach to harmonization of neuroimaging data

神经影像学 超参数 协调 心理学 人工智能 神经功能成像 神经科学 机器学习 计算机科学 认知心理学 物理 声学
作者
Fengling Hu,Alfredo Lucas,Andrew A. Chen,Kyle Coleman,Hannah Horng,Raymond W.S. Ng,Nicholas J. Tustison,Kathryn A. Davis,Haochang Shou,Mingyao Li,Russell T. Shinohara
出处
期刊:Human Brain Mapping [Wiley]
卷期号:45 (11) 被引量:3
标识
DOI:10.1002/hbm.26708
摘要

Abstract Neuroimaging data acquired using multiple scanners or protocols are increasingly available. However, such data exhibit technical artifacts across batches which introduce confounding and decrease reproducibility. This is especially true when multi‐batch data are analyzed using complex downstream models which are more likely to pick up on and implicitly incorporate batch‐related information. Previously proposed image harmonization methods have sought to remove these batch effects; however, batch effects remain detectable in the data after applying these methods. We present DeepComBat, a deep learning harmonization method based on a conditional variational autoencoder and the ComBat method. DeepComBat combines the strengths of statistical and deep learning methods in order to account for the multivariate relationships between features while simultaneously relaxing strong assumptions made by previous deep learning harmonization methods. As a result, DeepComBat can perform multivariate harmonization while preserving data structure and avoiding the introduction of synthetic artifacts. We apply this method to cortical thickness measurements from a cognitive‐aging cohort and show DeepComBat qualitatively and quantitatively outperforms existing methods in removing batch effects while preserving biological heterogeneity. Additionally, DeepComBat provides a new perspective for statistically motivated deep learning harmonization methods.
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