[论文精读]Spatio-Temporal Graph Convolution for Resting-State fMRI Analysis

论文网址:Spatio-Temporal Graph Convolution for Resting-State fMRI Analysis | SpringerLink

论文代码:GitHub - sgadgil6/cnslab_fmri: CNS (Computational Neuroscience) Lab project for age/sex classification of fMRI scans

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目录

1. 省流版

1.1. 心得

1.2. 论文总结图

2. 论文逐段精读

2.1. Abstract

2.2. Introduction

2.3. ST-GCN for rs-fMRI Analysis

2.4. Experiments

2.5. Results and Analysis

2.6. Conclusion

3. Reference List


1. 省流版

1.1. 心得

(1)提出问题和解决问题的写法是好的

(2)那个正对称的“边重要性”矩阵\mathbf{M}看上去好好用的样子

1.2. 论文总结图

2. 论文逐段精读

2.1. Abstract

        ①Exsting works ignore functional dependency between ROIs or dynamic information

        ②They construct a novel spatio-temporal graph convolutional network (ST-GCN) on short sub-sequences of the BOLD time series

2.2. Introduction

        ①⭐Adopting partial correlation on edge feature might ignore the time information. Additionally, RNN considers the temporal features rather than ROI dependence

        ②⭐If applying physical space and temporal information together, related ROIs with long European distances are easily overlooked

distal adj. [解剖] 末梢的,末端的

2.3. ST-GCN for rs-fMRI Analysis

(1)Representing Functional Networks as Spatio-Temporal Graphs

        ①Time series extraction framework:

        ②Constructing an undirected ST graph \mathcal{G}:=(\mathcal{V},\mathcal{E}), where \mathcal{E} denotes the edge set between pairwise nodes on specific time points \mathcal{V}=\{v_{t,i}|t =1,...,T;i=1,...,N\}T denotes time point and N is the number of ROI

        ③⭐In temporal graph, there are edges between the same ROI in adjacent time points.

        ④⭐And in spatial graph, edges connect nodes at the same time points. The value of edges are d\left ( v_{tj},v_{ti} \right ), which constructs affinity matrix \mathbf{A}但是没说是什么距离吧?相关程度?相关性计算方式也有好多

(2)Spatio-Temporal Graph Convolution (ST-GC)

        ①Node feature: the average BOLD signal of ROI i at time t

        ②The ST neighbourhood of v_{ti}:

B(v_{ti}):=\{v_{qj}|d(v_{tj},v_{ti})\leq K,|q-t|\leq\lfloor\Gamma/2\rfloor\}

where K and \Gamma represents the spatial/temporal kernel size of the neighborhood

        ③The ST-GC operation on v_{ti}:

f_{out}(v_{ti}):=\frac1{Z_{ti}}\sum_{v_{qj}\in B(v_{ti})}f_{in}(v_{qj})\cdot\mathbf{w}(v_{qj})

where Z_{ti} denotes normalization factor, f_{in}(v_{qj}) denotes input feature of v_{ti} and \mathbf{w}\left ( \cdot \right ) denotes convolutional kernel

        ④For input features of the N ROIs at the t-th frame \mathbf{f}_{t}\in\mathbb{R}^{N\times C} with C channel(这个C channel是截取的时间序列吗还是什么?还是说是很多个时间点的,每个ROI就一个特征,有C个), the output \mathbf{f}_{t}^{\prime}\in\mathbb{R}^{N\times M} with M channel of spatial graph convolution can be:

\mathbf{f}_{t}^{\prime}:=\Lambda^{-\frac{1}{2}}(\mathbf{A}+\mathbf{I})\Lambda^{-\frac{1}{2}}\mathbf{f}_{t}\mathbf{W}_{SG}

where \Lambda denotes degree matrix (containing self loop), \mathbf{W}_{SG}\in \mathbb{R}^{C\times M} denotes spatial graph convolutional kernel

        ⑤The final output in ST-GC can be:

\mathbf{f}_{i}^{\prime}\circledast \mathbf{W}_{TG}\in \mathbb{R}^{\Gamma \times T}

where \circledast denotes 1D convolution, \mathbf{f}_{i}^{\prime}\in \mathbb{R}^{M\times T} nodetes the node feature

        ⑥\mathbf{W}_{SG} and \mathbf{W}_{TG} are both for approximate ST concolutional kernel on Fourier domain

(3)Classifying BOLD Time Series by ST-GCN

        ①Layer of ST-GCN: 3

        ②Input of ST-GCN: \mathbf{f}\in\mathbb{R}^{N\times T} (time series)

        ③Output channel: 64→class number by FC with sigmoid

        ④Temporal kernel size: \Gamma =11

        ⑤Stride: 1

        ⑥Dropout rate: 0.5

        ⑦⭐To verify the importance of edges, they add “edge importance” matrix \mathrm{M}\in\mathbb{R}^{N\times N} to replace \mathbf{A}+\mathbf{I} by (\mathbf{A}+\mathbf{I})*\mathbf{M} (element-wise multiplication). Moreover, \mathbf{M} is shared in all the layers. The diagonal elements of \mathbf{M} denotes the importance of each ROI and the others are the importance of functional connectivity(最早是Yan提出的,但是负值和不对称的矩阵会破坏它的意义。因此作者在这里强制M为各层共享以及正对称的)

(4)Training ST-GCN

        ①FC matrix fluctuates with time

        ②Learnig rate: 0.001

        ③Weight decay: 0.001

2.4. Experiments

        ①Tasks: classifying sex and age

        ②NCANDA: 773 samples with 376 males and 397 females. Number of ROI is 34. 

        ③HCP: 1096 samples. Excluding 5 whose frames less than 1200, there are 498 females and 593 males. Number of ROI is 22

        ④Time segments: T{}'=16 to full sequence

        ⑤Number of sub-sequence: S=64

        ⑥Running times: 20, to get an average edge importance matrix

        ⑦Comparison baselines: MLP and LSTM

2.5. Results and Analysis

(1)NCANDA:

        ①Comparison charts:

which presents there is no significant difference between alcoholic and non alcoholic participants

        ②Visualization of ROI (left) and edge (>0.3) (right) importance:

(2)HCP:

        ①Accuracy comparison chart:

        ②The impact of voting:

        ③Visualization of ROI (left) and edge (>0.3) (right) importance on sex prediction:

2.6. Conclusion

        The future works can be defining the size of sliding window automatically and recgonizing biomakers.

3. Reference List

Gadgil, S. et al. (2020) 'Spatio-Temporal Graph Convolution for Resting-State fMRI Analysis', MICCAI, pp. 528-538. doi: Spatio-Temporal Graph Convolution for Resting-State fMRI Analysis | SpringerLink

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