基于CAdam優化的強化學習深度卷積神經網絡模型在阿爾茨海默病早期預測中的突破性應用

《Biomedical Signal Processing and Control》:Alzheimer’s disease prediction using CAdam optimized reinforcement learning-based deep convolutional neural network model

【字體: 時間:2025年05月06日 來源:Biomedical Signal Processing and Control 4.9

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  為解決阿爾茨海默。ˋD)早期診斷中因醫學資源不足導致的自動化需求及MRI圖像特征提取效率低、類別不平衡等問題,研究人員提出CAdam-RL-DCNN模型。該模型通過改進的郊狼優化算法(Coyote)與Adam優化器融合,結合強化學習(RL)與深度卷積神經網絡(DCNN),實現了ADNI和OASIS數據集的AD預測準確率分別達96.31%和95.09%,顯著提升診斷效率,為臨床提供高精度、低復雜度的智能輔助工具。

  

阿爾茨海默。ˋD)作為全球老齡化社會面臨的重大神經退行性疾病,其早期診斷對延緩病情至關重要。然而,傳統診斷依賴專業醫師對磁共振成像(MRI)中腦組織萎縮的手動分析,耗時且易受主觀影響。盡管機器學習(ML)和深度學習(DL)技術如支持向量機(SVM)和卷積神經網絡(CNN)已應用于AD檢測,但存在特征提取效率低、類不平衡(如OASIS和ADNI數據集)及模型訓練復雜度高等瓶頸。尤其現有方法難以平衡局部極小值與計算開銷,導致預測精度受限。

針對上述挑戰,研究人員開發了基于CAdam優化的強化學習深度卷積神經網絡(CAdam-RL-DCNN)模型。該模型通過非局部去噪預處理、改進郊狼優化算法分割腦組織(白質、灰質、腦脊液),并融合ResNet特征與紋理特征降低數據復雜度。關鍵創新在于CAdam優化器,結合郊狼社會行為與Adam的自適應參數,顯著減少訓練時間并避免局部最優。實驗表明,模型在ADNI數據集上實現96.31%準確率,OASIS數據集達95.09%,且敏感性、特異性等指標均優于現有方法。

技術方法上,研究采用多階段流程:1)非局部去噪預處理提升MRI質量;2)改進郊狼優化算法分割腦區;3)混合ResNet與統計特征提;4)CAdam-RL-DCNN分類器結合強化學習決策機制;5)SMOTE算法解決類不平衡問題。

結果部分:

  • ADNI數據集性能:模型準確率96.31%,敏感性97.50%,特異性94.06%,驗證了其在AD陽性樣本中的高識別能力。
  • OASIS數據集泛化性:95.09%準確率表明模型跨數據集穩定性,尤其對少數類樣本(如早期AD)的檢測效果顯著。
  • 對比分析:相較于傳統CNN、RNN和GCN,CAdam-RL-DCNN在訓練效率與梯度消失問題上表現更優,如F1-score提升至95.65%(ADNI)。

結論與意義
該研究通過智能優化算法與深度學習的協同,解決了AD診斷中的特征提取與計算效率矛盾。CAdam優化器的引入不僅加速收斂,還通過強化學習的動態決策機制提升了模型魯棒性。臨床意義上,該模型為資源有限地區提供了低成本、高精度的AD篩查方案,尤其對早期癥狀不明顯的病例具有預警價值。未來可擴展至其他神經退行性疾病的影像分析領域。

(注:論文發表于《Biomedical Signal Processing and Control》,作者Puja A. Chaudhari與Suhas S. Khot未披露單位信息,但命名風格暗示可能為國內機構。)

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