Please use this identifier to cite or link to this item: http://repositorio.unicamp.br/jspui/handle/REPOSIP/333434
Type: DISSERTAÇÃO DIGITAL
Degree Level: Mestrado
Title: ADNet : computer-aided diagnosis for Alzheimer's disease using whole-brain 3D convolutional neural network
Title Alternative: ADNet : diagnóstico assistido por computador para doença de Alzheimer usando rede neural convolucional 3D com cérebro inteiro
Author: Fôlego, Guilherme Adriano, 1989-
Advisor: Rocha, Anderson de Rezende, 1980-
Abstract: Resumo: Demência por doença de Alzheimer (DA) é uma síndrome clínica caracterizada por múltiplos problemas cognitivos, incluindo dificuldades na memória, funções executivas, linguagem e habilidades visuoespaciais. Sendo a forma mais comum de demência, essa doença mata mais do que câncer de mama e de próstata combinados, além de ser a sexta principal causa de morte nos Estados Unidos. A neuroimagem é uma das áreas de pesquisa mais promissoras para a detecção de biomarcadores estruturais da DA, onde uma técnica não invasiva é usada para capturar uma imagem digital do cérebro, a partir da qual especialistas extraem padrões e características da doença. Nesse contexto, os sistemas de diagnóstico assistido por computador (DAC) são abordagens que visam ajudar médicos e especialistas na interpretação de dados médicos, para fornecer diagnósticos aos pacientes. Em particular, redes neurais convolucionais (RNCs) são um tipo especial de rede neural artificial (RNA), que foram inspiradas em como o sistema visual funciona e, nesse sentido, têm sido cada vez mais utilizadas em tarefas de visão computacional, alcançando resultados impressionantes. Em nossa pesquisa, um dos principais objetivos foi utilizar o que há de mais avançado sobre aprendizagem profunda (por exemplo, RNC) para resolver o difícil problema de identificar biomarcadores estruturais da DA em imagem por ressonância magnética (IRM), considerando três grupos diferentes, ou seja, cognitivamente normal (CN), comprometimento cognitivo leve (CCL) e DA. Adaptamos redes convolucionais com dados fornecidos principalmente pela ADNI e avaliamos no desafio CADDementia, resultando em um cenário mais próximo das condições no mundo real, em que um sistema DAC é usado em um conjunto de dados diferente daquele usado no treinamento. Os principais desafios e contribuições da nossa pesquisa incluem a criação de um sistema de aprendizagem profunda que seja totalmente automático e comparativamente rápido, ao mesmo tempo em que apresenta resultados competitivos, sem usar qualquer conhecimento específico de domínio. Nomeamos nossa melhor arquitetura ADNet (Alzheimer's Disease Network) e nosso melhor método ADNet-DA (ADNet com adaptação de domínio), o qual superou a maioria das submissões no CADDementia, todas utilizando conhecimento prévio da doença, como regiões de interesse específicas do cérebro. A principal razão para não usar qualquer informação da doença em nosso sistema é fazer com que ele aprenda e extraia padrões relevantes de regiões importantes do cérebro automaticamente, que podem ser usados para apoiar os padrões atuais de diagnóstico e podem inclusive auxiliar em novas descobertas para diferentes ou novas doenças. Após explorar uma série de técnicas de visualização para interpretação de modelos, associada à inteligência artificial explicável (XAI), acreditamos que nosso método possa realmente ser empregado na prática médica. Ao diagnosticar pacientes, é possível que especialistas usem a ADNet para gerar uma diversidade de visualizações explicativas para uma determinada imagem, conforme ilustrado em nossa pesquisa, enquanto a ADNet-DA pode ajudar com o diagnóstico. Desta forma, os especialistas podem chegar a uma decisão mais informada e em menos tempo

Abstract: Dementia by Alzheimer's disease (AD) is a clinical syndrome characterized by multiple cognitive problems, including difficulties in memory, executive functions, language and visuospatial skills. Being the most common form of dementia, this disease kills more than breast cancer and prostate cancer combined, and it is the sixth leading cause of death in the United States. Neuroimaging is one of the most promising areas of research for early detection of AD structural biomarkers, where a non-invasive technique is used to capture a digital image of the brain, from which specialists extract patterns and features of the disease. In this context, computer-aided diagnosis (CAD) systems are approaches that aim at assisting doctors and specialists in interpretation of medical data to provide diagnoses for patients. In particular, convolutional neural networks (CNNs) are a special kind of artificial neural network (ANN), which were inspired by how the visual system works, and, in this sense, have been increasingly used in computer vision tasks, achieving impressive results. In our research, one of the main goals was bringing to bear what is most advanced in deep learning research (e.g., CNN) to solve the difficult problem of identifying AD structural biomarkers in magnetic resonance imaging (MRI), considering three different groups, namely, cognitively normal (CN), mild cognitive impairment (MCI), and AD. We tailored convolutional networks with data primarily provided by ADNI, and evaluated them on the CADDementia challenge, thus resulting in a scenario very close to the real-world conditions, in which a CAD system is used on a dataset differently from the one used for training. The main challenges and contributions of our research include devising a deep learning system that is both completely automatic and comparatively fast, while also presenting competitive results, without using any domain specific knowledge. We named our best architecture ADNet (Alzheimer's Disease Network), and our best method ADNet-DA (ADNet with domain adaption), which outperformed most of the CADDementia submissions, all of them using prior knowledge from the disease, such as specific regions of interest of the brain. The main reason for not using any information from the disease in our system is to make it automatically learn and extract relevant patterns from important regions of the brain, which can be used to support current diagnosis standards, and may even assist in new discoveries for different or new diseases. After exploring a number of visualization techniques for model interpretability, associated with explainable artificial intelligence (XAI), we believe that our method can be actually employed in medical practice. While diagnosing patients, it is possible for specialists to use ADNet to generate a diversity of explanatory visualizations for a given image, as illustrated in our research, while ADNet-DA can assist with the diagnosis. This way, specialists can come up with a more informed decision and in less time
Subject: Alzheimer, Doença de
Diagnóstico auxiliado por computador
Imagem por ressonância magnética
Visão por computador
Redes neurais convolucionais
Language: Inglês
Editor: [s.n.]
Citation: FÔLEGO, Guilherme Adriano. ADNet: computer-aided diagnosis for Alzheimer's disease using whole-brain 3D convolutional neural network. 2018. 1 recurso online (58 p.). Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação, Campinas, SP.
Date Issue: 2018
Appears in Collections:IC - Tese e Dissertação

Files in This Item:
File SizeFormat 
Folego_GuilhermeAdriano_M.pdf3.71 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.