Quantitative Beurteilung explorativer Methoden zur Datenanalyse in der funktionellen MRT

Ziele: Explorative Methoden zur fMRT-Bildanalyse, z.B. Vektorquantisierung (VQ), Principal oder Independent Component Analysis (PCA, ICA), werden zunehmend als Alternativen zu klassischen modellbasierten (MB) Methoden, z.B. Korrelationsanalyse oder statistische Regressionsverfahren, eingesetzt. Ziel war die Entwicklung und Anwendung einer Methode zur quantitativen vergleichenden Qualitätsbeurteilung explorativer Algorithmen zur fMRT-Analyse. Methode: Bei 11 gesunden Probanden wurde ein visuelles fMRT-Stimulationsexperiment mit 64 Bildakquisitionen auf einem 1,5 T-Gerät durchgeführt. Die Daten wurden mit mehreren explorativen Techniken analysiert: Minimal Free Energy VQ (MFE-VQ), Self-Organizing Maps (SOM), Fuzzy C-Means clustering (FCM), PCA und ICA, mit jeweils 36 Clustern bzw. Komponenten. Die Korrelationsanalyse als Indikator für stimulusinduzierte neuronale Aktivierung diente als MB Referenzkriterium für die vergleichende ROC-Kurvenanalyse. Die Fläche unter der ROC-Kurve (AUC) diente als Kriterium für die Fähigkeit eines explorativen Verfahrens, zwischen aktivierten und nicht aktivierten Gehirnregionen zu unterscheiden. Ergebnis: MFE-VQ erbrachte die besten Resultate (AUC=0.98±0.01), wobei dieses Verfahren zusätzlich eine hierarchische Datenanalyse mit unterschiedlichen Auflösungsstufen ermöglicht. SOMs waren nur geringfügig schlechter (AUC=0.96±0.02). Im Ggs. zu den anderen Methoden waren die Resultate für FCM in hohem Maße von den Anfangsbedingungen abhängig (AUC=0.97±0.05). Die VQ-Verfahren waren den Projektionsmethoden PCA (AUC=0.82±0.03) und ICA (AUC=0.83±0.04) deutlich überlegen. Schlussfolgerung: Die Qualitätsbeurteilung explorativer Verfahren zur fMRT-Analyse kann auf stimulusinduzierter Gehirnaktivierung beruhen, d.h. relevanter physiologischer Information, die durch konventionelle MB Methoden als allgemein akzeptierter ’Goldstandard’ extrahiert wird. Für den Radiologen repräsentiert sie ein wertvolles Hilfsmittel, um verfügbare fMRT-Analysemethoden vergleichend zu analysieren.

Korrespondierender Autor: Wismüller A

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Key words

Funktionelle MRT - Vektorquantisierung - Neuronale Netze - ROC-Analyse - Bildverarbeitung