یک چارچوب کنترل مثبت کاذب دو مرحله ای برای خوشه‌بندی سری‌های زمانی fMRI بر اساس الگوریتم گاز عصبی رشدیابنده

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

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

10.22034/tjee.2026.68539.5065

چکیده

تحلیل سری‌های زمانی تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI) با استفاده از روش‌های خوشه‌بندی، روشی مرسوم برای شناسایی و نقشه‌برداری غیرتهاجمی از نواحی فعال مغز در پاسخ به وظایف مشخص است. خوشه‌بندی داده‌های fMRI به‌دلیل عدم توازن شدید بین وکسل‌های فعال و غیرفعال، با چالش تولید تعداد زیادی مثبت کاذب و ایجاد نقشه‌های فعال‌سازی نویزی و پراکنده مواجه است. این پژوهش یک روش نوین دومرحله‌ای را برای کنترل نرخ مثبت کاذب و بهبود دقت و کیفیت تشخیص نواحی فعال مغز معرفی می‌کند. روش پیشنهادی در مرحله اول با بهره‌گیری از استنتاج مبتنی بر تصادفی‌سازی، یک آستانه آماری برای تفکیک سیگنال‌ها تعیین کرده و در مرحله دوم، با اعمال یک آستانه فضایی مبتنی بر همسایگی سه‌بعدی، وکسل‌های نویزی و منزوی را حذف می‌نماید. این راهکار کنترلی در تحلیل تجربی داده‌های شنوایی fMRI بر روی الگوریتم‌های خوشه‌بندی گاز عصبی (NG) و گاز عصبی رشد‌یابنده (GNG) اعمال گردید و عملکرد آن با استفاده از معیارهای ضریب دایس، انسجام مکانی و شاخص Calinski Harabasz ارزیابی شد. نتایج نشان داد که روش کنترل پیشنهادی عملکرد را به‌طور چشمگیری بهبود بخشید، به‌طوری که ضریب دایس برای الگوریتم GNG از 30/0 به 65/0 افزایش و مقدار انسجام مکانی (نشان‌دهنده فشردگی) از 62/25 به 63/14 کاهش یافت. همچنین شاخص Calinski Harabasz از 2/703 به 1/1192 افزایش یافت. نتایج نشان می‌دهد که ترکیب الگوریتم GNG با روش کنترلی پیشنهادی، به بهبود پایداری و قابلیت اطمینان در شناسایی نواحی فعال عصبی منجر شده و رویکردی کارآمد برای تحلیل داده‌های fMRI ارائه می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

A Two-Stage False Positive Control Framework for fMRI Time Series Clustering Based on Growing Neural Gas Algorithm

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]

Clustering analysis of functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) time series is a widely used method for non-invasively identifying and mapping active brain regions in response to specific tasks. However, fMRI clustering faces significant challenges due to the imbalance between active and inactive voxels, often leading to a high number of false positives and the creation of noisy, scattered activation maps. This study introduces a novel two-stage method designed to control the false positive rate and enhance the accuracy and quality of detecting active brain regions. In the first stage, the method establishes a statistical threshold for signal discrimination using randomization-based inference. The second stage removes noisy and isolated voxels by applying a spatial threshold based on three-dimensional neighborhood criteria. This control strategy was tested with Neural Gas (NG) and Growing Neural Gas (GNG) clustering algorithms during an experimental analysis of auditory fMRI data. The performance of the methods was evaluated using the Dice coefficient, spatial coherence and Calinski Harabasz Index metrics. The results showed that the proposed control method significantly enhanced performance, increasing the Dice coefficient for the GNG algorithm from 0/30 to 0/65 and improving compactness by reducing the spatial coherence value from 25/62 to 14/63. The Calinski Harabasz index also increased from 2/703 to 1/1192. These results indicate that combining the GNG algorithm with this control method leads to greater stability and reliability in identifying active neural regions, providing a more effective approach for analyzing fMRI data.

کلیدواژه‌ها [English]

  • clustering technique
  • growing neural gas
  • False positive controling
  • fMRI activation detection