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A hybrid multimodal machine learning model for Detecting Alzheimer's disease

人工智能 计算机科学 神经影像学 机器学习 正电子发射断层摄影术 特征选择 模式识别(心理学) 判别式 水准点(测量) 深度学习 医学 核医学 大地测量学 精神科 地理
作者
Jinhua Sheng,Qian Zhang,Qiao Zhang,Luyun Wang,Ze Yang,Xin Yu,Binbing Wang
出处
期刊:Computers in Biology and Medicine [Elsevier]
卷期号:170: 108035-108035 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.compbiomed.2024.108035
摘要

Alzheimer's disease (AD) diagnosis utilizing single modality neuroimaging data has limitations. Multimodal fusion of complementary biomarkers may improve diagnostic performance. This study proposes a multimodal machine learning framework integrating magnetic resonance imaging (MRI), positron emission tomography (PET) and cerebrospinal fluid (CSF) assays for enhanced AD characterization. The model incorporates a hybrid algorithm combining enhanced Harris Hawks Optimization (HHO) algorithm referred to as ILHHO, with Kernel Extreme Learning Machine (KELM) classifier for simultaneous feature selection and classification. ILHHO enhances HHO's search efficiency by integrating iterative mapping (IM) to improve population diversity and local escaping operator (LEO) to balance exploration-exploitation. Comparative analysis with other improved HHO algorithms, classic meta-heuristic algorithms (MHAs), and state-of-the-art MHAs on IEEE CEC2014 benchmark functions indicates that ILHHO achieves superior optimization performance compared to other comparative algorithms. The synergistic ILHHO-KELM model is evaluated on 202 AD Neuroimaging Initiative (ADNI) subjects. Results demonstrate superior multimodal classification accuracy over single modalities, validating the importance of fusing heterogeneous biomarkers. MRI + PET + CSF achieves 99.2 % accuracy for AD vs. normal control (NC), outperforming conventional and proposed methods. Discriminative feature analysis provides further insights into differential AD-related neurodegeneration patterns detected by MRI and PET. The differential PET and MRI features demonstrate how the two modalities provide complementary biomarkers. The neuroanatomical relevance of selected features supports ILHHO-KELM's potential for extracting sensitive AD imaging signatures. Overall, the study showcases the advantages of capitalizing on complementary multimodal data through advanced feature learning techniques for improving AD diagnosis.
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