توصيفگر ها :
اختلال طيف اوتيسم , تصويربرداري پرتو مغناطيسي كاركردي , يادگيري ماشين , شبكههاي عصبي گرافي , طبقهبندي
چكيده فارسي :
اوتيسم يك اختلال عصبي-رشدي است كه ارتباطات و تعاملات اجتماعي را تحت تأثير قرار ميدهد. شناسايي بهموقع اوتيسم ميتواند موجب درمان زودهنگام و مؤثرتر شود. با توجه به افزايش نرخ شيوع اوتيسم در سالهاي اخير، نياز به روشهاي تشخيصي دقيق، سريع و مقرونبهصرفه بيشتر از گذشته احساس ميشود. روشهاي مرسوم عمدتا بر مشاهدات باليني متكي هستند كه هزينهبر و زمانبرند. استفاده از تصويربرداري مغزي مانند تصويربرداري پرتو مغناطيسي كاركردي و مدلهاي يادگيري ماشين، امكان شناسايي ويژگيهاي پيچيدهتر در ساختار و عملكرد مغز را فراهم ميكند. اين پژوهش دو رويكرد نوآورانه براي تشخيص اوتيسم ارائه كرده است. هر دو رويكرد بر اساس دادههاي كاركردي مغز كه از سيگنالهاي پرتو مغناطيسي كاركردي استخراج شدهاند، پايهريزي شده است. سيگنالهاي مغزي استخراج شده بيانگر ميزان اكسيژن خون در هر ناحيه مغزي ميباشد. اين سيگنالها با عنوان سيگنال BOLD شناخته ميشوند. در رويكرد اول، تبديل موجك براي استخراج سطوح فركانسي سيگنالهاي BOLD استفاده شد. سپس با محاسبه ماتريس همبستگي تانژانت-پيرسون، ارتباطات غيرخطي بين نواحي مغزي استخراج گرديد. ويژگيهاي مهم با روش تحليل مولفههاي اصلي و ANOVA انتخاب شدند و الگوريتم MIDA براي همگنسازي دادهها به كار گرفته شد. در نهايت، طبقهبند Ridge به دقت 71.24 درصد و AUC معادل 79.01 درصد دست يافت. در رويكرد دوم ماتريس همبستگي تانژانت-پيرسون به طور مستقيم از سيگنال BOLD استخراج شد و الگوريتم MIDA به كاهش بعد و همگن كردن دادهها كمك كرد. براي غلبه بر عدم تعادل دادهها، از شبكهي مولد تخاصمي به همراه تابع زيان سهگانه جهت افزايش دادههاي كلاس اقليت استفاده شده است. شبكه كولموگروف-آرنولد براي استخراج ويژگيها به كار رفت و گراف جمعيت ساخته شده به شبكهي گرافي پيشنهادي وارد شد تا عمليات طبقهبندي گرهها صورت گيرد. اين شبكه از دو مسير مجزا براي استخراج ويژگي استفاده ميكند. مسير اول متشكل از بلوكهاي چبيشف و مسير دوم متشكل از بلوكهاي توجه است. بلوكهاي چبيشف قادرند الگوهاي ساختاري كلي و بلوكهاي توجه قادرند الگوهاي محليتر را در گراف جمعيت استخراج كنند. در انتها ويژگيهاي استخراج شده توسط هر دو مسير باهم ادغام شده و وارد يك شبكهي كولموگروف-آرنولد ميشوند تا عمليات طبقهبندي صورت گيرد. اين روش موفق به دستيابي به نرخ دقت 78.84 درصد شد كه كارايي بالاي آن را در تشخيص اختلال اوتيسم نشان ميدهد.
چكيده انگليسي :
Autism is a neurodevelopmental disorder that affects communication and social interactions. Timely identification of autism can lead to earlier and more effective treatments. Given the increasing prevalence of autism in recent years, there is a growing need for accurate, fast, and cost-effective diagnostic methods. Traditional methods primarily rely on clinical observations, which are time-consuming and expensive. The use of brain imaging techniques, such as functional magnetic resonance imaging (fMRI), combined with machine learning models, enables the identification of more complex features in the brain's structure and function. This research presents two innovative approaches for autism detection, both based on functional brain data extracted from fMRI signals. These brain signals indicate the blood oxygen level in each brain region, referred to as BOLD signals. In the first approach, wavelet transform was used to extract the frequency levels of BOLD signals. Then, the Tangent-Pearson correlation matrix (TPE) was calculated to extract nonlinear connections between brain regions. Important features were selected using Principal Component Analysis (PCA) and Analysis of Variance (ANOVA), and the Maximum Independence Domain Adaptation (MIDA) algorithm was applied for data harmonization. Finally, a Ridge classifier achieved an accuracy of 71.24% and an AUC of 79.01. In the second approach, the Tangent-Pearson correlation matrix was directly extracted from BOLD signals, and the MIDA algorithm helped reduce dimensions and homogenize the data. To address data imbalance, a Generative Adversarial Network (GAN) with a triple-loss function was used to augment the minority class data. The Kolmogorov-Arnold Network (KAN) was employed to extract features, and a population graph was constructed and fed into the proposed graph network for node classification. This network utilized two separate paths for feature extraction: the first path consisted of Chebyshev blocks, and the second path comprised attention blocks. Chebyshev blocks can capture global structural patterns, while attention blocks are capable of extracting more localized patterns in the population graph. Finally, features extracted from both paths were fused and passed through a KAN network for classification. This method achieved an accuracy of 78.84%, demonstrating its high effectiveness in autism diagnosis.