تاثیر محدودسازی مبتنی بر آزمون تکلیف و مدل‌های آماری در تشخیص فعالیت مغز با ICA: تحلیل سری‌های زمانی fMRI

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

اذربایجان شرقی،شهرجدیدسهند،دانشگاه صنعتی سهند،دانشکده مهندسی پزشکی

10.22034/tjee.2026.68536.5064

چکیده

تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI) ابزاری کلیدی برای بررسی فعالیت‌های مغزی است، اما تحلیل داده‌های آن به‌‌دلیل پیچیدگی‌های زمانی سیگنال‌ها و عدم قطعیت الگوریتمی با چالش‌هایی مواجه است. الگوریتم‌های کلاسیک تحلیل مؤلفه‌های مستقل (ICA) مانند FastICA به دلیل فرض استقلال کامل آماری، اغلب با تعداد مثبت کاذب بالا و ناپایداری نتایج روبرو هستند. این مطالعه با هدف مقایسه جامع سه الگوریتم FastICA، کمینه‌سازی کران آنتروپی(ERBM) و ICA فضایی نیمه‌کور (SBS-ICA) طراحی شده است. هدف از این مقایسه، ارزیابی تأثیر فرض‌های آماری و اطلاعات پیشین بر کیفیت جداسازی مؤلفه‌های fMRI و شناسایی نواحی فعال مغزی است. ارزیابی‌ها با تعداد مؤلفه‌های 40، 50، 60 و 70 انجام شد و نتایج نشان داد که الگوریتم SBS-ICA، به‌دلیل بهره‌گیری از اطلاعات پیشین مکانی، بهترین عملکرد را با سطح زیر منحنی ROC برابر با 999/0، همبستگی بالا (89/0) و کمترین تعداد مثبت کاذب ارائه می‌دهد. پس از آن، الگوریتم ERBM با مدل‌سازی همبستگی‌های زمانی، عملکرد بهتری نسبت به FastICA داشت و میانگین مربعات خطای پایین‌تر (079/0) و همبستگی پایدارتری را نشان داد، در حالی که FastICA ضعیف‌ترین نتایج را به‌دست آورد. این یافته‌ها برتری روش‌های مبتنی بر ICA و اهمیت مدل‌سازی تکالیف در تحلیل دقیق داده‌های fMRI را برجسته می‌کنند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

The role of task-based restriction and statistical models in detecting brain activity with ICA: fMRI time series analysis

نویسندگان [English]

  • Amir hossein Tajarrod
  • Tania Hossein Khani
  • Mousa Shamsi
  • Asghar Zarei
East Azerbaijan, New Sahand Town, Sahand University of Technology, Faculty of Biomedical Engineering
چکیده [English]

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is a crucial tool for investigating brain activity. However, analyzing fMRI data presents significant challenges due to the complex temporal nature of the signals and uncertainties in the algorithms used. Classical Independent Component Analysis (ICA) algorithms, such as FastICA, often struggle with high false positive rates and unstable results because they rely on the strict assumption of complete statistical independence. This study aims to comprehensively compare three ICA-based algorithms: FastICA, Entropy Bound Minimization (ERBM), and Semi-Blind Spatial ICA (SBS-ICA). The objective is to assess how different statistical assumptions and prior information affect the quality of component separation in fMRI data and the accurate identification of brain activation regions. Evaluations were conducted using component numbers of 40, 50, 60, and 70. The results revealed that the SBS-ICA algorithm, which benefits from spatial prior information, demonstrated the best performance with an area under the ROC curve (AUC) of 0/999, a high correlation of 0/89, and the lowest number of spatial false positives. The ERBM algorithm, which models temporal correlations, outperformed FastICA, showing a lower mean squared error (MSE = 0/079) and more stable correlation values. In contrast, FastICA exhibited the weakest performance among the three algorithms. These findings highlight the advantages of ICA-based guided methods and emphasize the significance of incorporating task modeling for accurate analysis of fMRI data.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Blind source separation techniques
  • fMRI time series analysis
  • Entropy bound minimization
  • Semi-blind spatial ICA