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基于轻量级CNN+LSTM模型的系统性红斑狼疮静息态功能MRI识别与分类研究
作者: 白茹
单位: 昆明医科大学第一附属医院

摘要

本研究聚焦于静息态功能磁共振(rs-fMRI)数据,创新性地构建轻量级CNN-LSTM深度学习模型,用于自动识别SLE患者与HCs的脑功能网络差异。该研究旨在验证脑成像方法辅助SLE分类诊断的潜力,并特别关注无明显神经精神症状的SLE患者,以挖掘其功能网络在疾病分类中的潜力,为早期识别提供算法支持。

纳入A(昆明市第一人民医院)、B(昆明医科大学第一附属医院)、C(中国医科大学附属第一医院)、D(北京协和医院)四个中心符合入排标准的SLE患者(n=615)及性别、年龄匹配的HCs(n=313)。所有受试者均行头颅三维T1结构像(3D-T1WI)、扩散张量成像(DTI)及静息态功能磁共振成像(rs-fMRI)。对rs -fMRI数据行标准化预处理,基于解剖自动标记模板(AAL-116)提取脑区感兴趣区(ROI)时间序列并构建全脑功能连接矩阵;构建卷积神经网络-长短期记忆网络(CNN-LSTM)轻量级模型,基于光谱稀疏(Sparse Representation, SR)方法构建稀疏脑功能网络,实现SLE患者的精准分类识别。


(1)基于轻量级CNN-LSTM融合模型在四个中心数据中的分类效能存在异质性:A中心(昆明市第一人民医院,1.5T MRI)判别效能最优,准确率达0.9090±0.0325,F1分数0.9315±0.0253,敏感度与特异度均>0.90,性能稳定且均衡。(2)3.0T MRI数据中心中,B中心(昆明医科大学第一附属医院)准确率为0.7406±0.0447,C中心(中国医科大学附属第一医院)为0.7036±0.0613,D中心(北京协和医院)为0.6517±0.1133。模型对SLE组保持较高识别敏感度(TPR>0.79),但对HCs组特异度偏低(TNR 0.37–0.45),尤以D中心为著(TNR=0.3929)。(3)特征降维可视化结果显示,A、B、C三中心样本类别可分性较高,D中心样本可分性一般,与定量分类性能趋势一致。


轻量级SR+CNN-LSTM融合模型在SLE识别中展现出良好的分类效能,通过整合局部空间特征提取与长程时序依赖建模,有效捕捉了SLE患者脑功能网络的异常模式,实现了对SLE脑功能连接特征差异的精准判别,为构建基于rs-fMRI的SLE影像学辅助诊断模型提供了有效框架。

关键词: 系统性红斑狼疮;静息态功能磁共振成像;卷积神经网络;长短期记忆网络;分类识别
来源:中华医学会第二十八次风湿病学学术会议