Graph Transformer Geometric Learning of Brain Networks Using Multimodal MR Images for Brain Age Estimation

神经影像学 计算机科学 人工智能 深度学习 磁共振弥散成像 卷积神经网络 磁共振成像 模式识别(心理学) 机器学习 医学 神经科学 心理学 放射科
作者
Hongjie Cai,Yue Gao,Manhua Liu
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:42 (2): 456-466 被引量:30
标识
DOI:10.1109/tmi.2022.3222093
摘要

Brain age is considered as an important biomarker for detecting aging-related diseases such as Alzheimer’s Disease (AD). Magnetic resonance imaging (MRI) have been widely investigated with deep neural networks for brain age estimation. However, most existing methods cannot make full use of multimodal MRIs due to the difference in data structure. In this paper, we propose a graph transformer geometric learning framework to model the multimodal brain network constructed by structural MRI (sMRI) and diffusion tensor imaging (DTI) for brain age estimation. First, we build a two-stream convolutional autoencoder to learn the latent representations for each imaging modality. The brain template with prior knowledge is utilized to calculate the features from the regions of interest (ROIs). Then, a multi-level construction of the brain network is proposed to establish the hybrid ROI connections in space, feature and modality. Next, a graph transformer network is proposed to model the cross-modal interaction and fusion by geometric learning for brain age estimation. Finally, the difference between the estimated age and the chronological age is used as an important biomarker for AD diagnosis. Our method is evaluated with the sMRI and DTI data from UK Biobank and Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative database. Experimental results demonstrate that our method has achieved promising performances for brain age estimation and AD diagnosis.
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