I nd o ne s ia n J o urna l o f   E lect rica l En g ineering   a nd   Co m pu t er   Science   Vo l.   4 3 ,   No .   1 Ju ly   2 0 2 6 ,   p p .   192 ~ 20 6   I SS N:  2 5 0 2 - 4 7 5 2 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijeecs.v 4 3 .i 1 . pp 192 - 20 6           192       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij ee cs.ia esco r e. co m   A hybrid a pp ro a ch f o r mul ti - v iew   M RI Alzehim er   detec tion usin g  co nv o lutiona l neural networks  and    bio - inspi red alg o r ithms       I heb Chem s s   E l D ine H a g a ni 1 ,   Na ra   B ena m ra ne 1 ,   L a kh da Sa is 2   1 S I M P A   La b o r a t o r y ,   D e p a r t me n t   o f   I n f o r ma t i c s,   U n i v e r si t y   o f   S c i e n c e a n d   T e c h n o l o g y   o f   O r a n   -   M o h a m e d   B o u d i a f ,   O r a n ,   A l g e r i a   2 C e n t r e   d e   R e c h e r c h e   e n   I n f o r mat i q u e   d e   Le n s ( C R I L) ,   C N R S ,   U n i v e r s i t é   d A r t o i s,   Le n s ,   F r a n c e       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ma r   2 3 ,   2 0 2 6   R ev is ed   J u n   2 2 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   J u n   2 9 ,   2 0 2 6       Alz h e ime r d ise a se   (AD is  a   n e u ro d e g e n e ra ti v e   d is o rd e th a re m a in in c u ra b le  to   d a te.  Th e re fo re ,   t h e   m o st  imp o rtan ste p   i n   trea tme n re m a in th e   e a rly   d e tec ti o n   o t h e   sig n s   in d ica ti n g   it s   p re se n c e .   T h e   so o n e t h e se   sig n a re   d isc o v e re d ,   t h e   so o n e p re v e n tati v e   c a re   c a n   b e   a d m in istere d .   Co n v o l u ti o n a n e u ra n e tw o rk s   (CNN s)  h a v e   d e m o n stra ted   i m p re ss iv e   p e rfo rm a n c e   in   m e d ica ima g e   a n a ly sis;  h o we v e r,   th e y   o ften   s u ffe fro m   su b o p ti m a m a n u a tu n in g   o f   th e i h y p e rp a ra m e ters .   Th e re fo re ,   we   o p te d   fo r   a   h y b ri d   m e th o d   c o m b in i n g   th e m   with   g e n e ti c   a lg o ri th m (G A)  a n d   p a rti c le  sw a rm   o p ti m iza ti o n   (P S O)  to   a u to m a ti c a ll y   o p ti m ize   a rc h it e c tu re a n d   fu sio n   we ig h ts   fo r   imp r o v e d   AD   d e tec ti o n .   Us in g   d a ta  o b tain e d   fr o m   AD NI  a n d   Ka g g le,  o u a p p ro a c h   a c h ie v e d   8 7 . 4 %   a c c u ra c y ,   su rp a ss i n g   c las sic a l   CNN o th e   sa m e   siz e   a n d   d e p th .   T h e se   re su lt h ig h li g h t h e   p o ten ti a o f   e v o lu ti o n a ry   o p ti m iza ti o n   f o d e v e lo p i n g   re li a b le   d ia g n o stic to o ls .   K ey w o r d s :   Alzh eim er s   d is ea s e   B io - in s p ir ed   o p tim izatio n   C o n v o lu tio n al  n eu r al  n etwo r k s   Gen etic  alg o r ith m   MRI   Par ticle  s war m   o p tim izatio n   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   I h eb   C h em s s   E l D in Hag an i   SIM PA L ab o r ato r y ,   Dep ar tm e n t o f   I n f o r m atics   Un iv er s ity   o f   Scien ce s   an d   T e ch n o lo g y   o f   Or an   -   Mo h am e d   B o u d iaf   Or an ,   Alg er ia   E m ail: ih eb ch em s s eld in e. h ag a n i@ u n iv - u s to . d z       1.   I NT RO D UCT I O N   Alzh eim er s   d is ea s ( AD)   p r esen ts   s ig n if ican ch allen g f o r   m o d er n   m ed icin e ,   an d   m ag n etic  r eso n an ce   im a g in g   ( MRI)   r e m ain s   th m o d ality   o f   c h o ice  f o r   clin ician s .   Ho wev er ,   m an u al  an aly s is   o f   MRIs   is   tim e - co n s u m in g   task .   T h is   is   wh y   th is   d ec ad h as  s ee n   th e   em er g e n ce   o f   a r tific ial  in tellig en ce   ( AI )   ap p licatio n s   in   th m ed ical  f ield   in   g en er al,   a n d   m o r s p ec if i ca lly   in   im ag in g .   Dee p   lear n in g   ( DL ) ,   s u b s et  o f   AI ,   m o r e   s p ec if ically   c o n v o lu tio n al  n e u r al  n etwo r k   ( C NN ) ,   h as  r ev o lu tio n ized   i m ag an aly s is   an d ,   co n s eq u en tly ,   m e d ical  im ag an aly s is .   B y   au to m atin g   ce r tain   s tep s   s u ch   as   f ea tu r ex tr ac tio n ,   s eg m en tatio n   an d   class if icatio n   [ 1 ] - [ 5 ] ,   th ese  to o ls   h av allo wed   s p ec ialis ts   to   f o cu s   th eir   ex p er tis o n   in ter p r etin g   r esu lts ,   ea r ly   d etec tin g   s u b tle  ab n o r m alities ,   an d   d ev elo p i n g   p er s o n alize d   ca r p lan   f o r   th p at ien t.  Desp ite  th eir   s u cc ess ,   C N N - b ased   ap p r o ac h es  f o r   AD  class if icatio n   f ac t wo   p er s is ten lim itatio n s .   First ,   ar ch itectu r es  an d   h y p er p ar am eter s   ar t y p ically   d esig n ed   th r o u g h   m an u al  tr ial - an d - er r o r ,   co s tly   an d   n o n - r e p r o d u cib le  p r o ce s s   th at  r estricts  th ex p lo r atio n   o f   th d esig n   s p ac e.   Seco n d ,   w h en   p r ed ictio n s   f r o m   m u ltip le   an ato m ical  v iews   ar co m b i n ed ,   u n if o r m   a v er ag in g   is   co m m o n ly   ap p lied   r ath er   th a n   d ata - d r iv e n   we ig h tin g   s ch em e - an   ap p r o ac h   th at  d is r eg ar d s   th v ar y in g   d is cr im in ativ p o wer   o f   ea ch   o r ien tatio n .   B ef o r th ad v e n o f   C NNs,  b io - in s p ir ed   a p p r o ac h es  h ad   alr ea d y   d em o n s tr ated   th p o ten tial  o f   s u ch   o p tim izatio n   i n   th m ed ical  f ield .   Gen etic  alg o r ith m s   ( GA)   [ 6 ] [ 7 ]   a n d   p ar ticle  s war m   o p tim izatio n   ( PS O)   [ 8 ]   o f f er   a   m u ltit u d o f   p o s s ib le   ap p licatio n s   [ 9 ] [ 1 0 ] .   B ased   o n   th ese  o b s er v atio n s ,   we  p r o p o s h y b r id izatio n   o f   C NNs   with   GA  an d   PS O,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2502 - 4 7 5 2       A   h yb r id   a p p r o a ch   fo r   mu lti - view MR I   A lz eh imer’ s   d etec tio n   u s in g   …  ( I h eb   C h emss   E l D in Ha g a n i )   193   ex ten d in g   p r elim in ar y   s tu d y   [ 1 1 ]   t h at  co m b in ed   C NNs   with   PS f o r   Alzh eim er s   d etec tio n .   T h k e y   co n tr ib u tio n   o f   th is   wo r k   is   t wo f o ld ( i)   GA  au to m ates  th s ea r ch   f o r   C NN  ar ch itectu r e s   ad ap ted   to   ea ch   an ato m ical  o r ien tatio n ,   r e m o v in g   th e   n ee d   f o r   m an u al  d es ig n an d   ( ii)  PS is   em p lo y e d   n o as  a   n etwo r k   weig h o p tim izer   b u to   d eter m in o p tim al  f u s io n   weig h ts   f o r   c o m b in i n g   o r ien tatio n - s p e cif ic  p r ed ictio n s   -   n o v el  ap p licatio n   o f   PS t o   th m u lti - v iew  f u s io n   p r o b l em .   W ch o s to   wo r k   with   2 s lices  ex tr ac ted   f r o m   3 v o lu m es.  T h is   ch o ice   was  f ac ilit ated   b y   th lo wer   co m p u tatio n al  c o s o f   2 ar ch it ec tu r es,  d ec is iv f ac to r   with in   th e   GA  o p tim i za tio n   lo o p   wh er e   n u m e r o u s   ca n d i d ate  m o d els  a r e   tr ain e d   iter ativ ely .   Mo r e   f u n d am e n tally ,   t h m u lti - v ie ap p r o ac h   its elf   is   b u ilt   ar o u n d   th e   2 D   r ep r esen tatio n :   d ec o m p o s in g   ea ch   v o lu m in to   ax ial,   co r o n al,   a n d   s ag ittal  s lice s   is   p r ec is ely   wh at  y ield s   th th r ee   d is tin ct  v iews  th at  P SO   s u b s eq u en tly   weig h ts   an d   f u s es.  v o lu m p r o ce s s ed   d ir ec tly   b y   s in g le  3 n etwo r k   wo u ld   ex p o s n o   s ep ar ate  o r ien tatio n s   to   co m b in e,   an d   th f u s io n   m ec h an is m   at  th co r o f   o u r   co n tr ib u tio n   wo u ld   lo s its   o b ject.   As  in d icate d   i n   th ti tle,   m u lti - v iew   th u s   r e f er s   to   th th r ee   p r in ci p al  an ato m ical  p lan es  ( ax ial,   co r o n al,   an d   s ag ittal).   I n   s ec tio n   2   th en   d etails  th p r o p o s ed   h y b r i d   m eth o d o lo g y .   Sectio n   3 .   p r esen ts   an d   an aly ze s   th e x p er im en tal   r e s u lts ,   an d   s ec tio n   4 .   d r aws  co n clu s io n s   an d   o u tlin es  d ir ec tio n s   f o r   f u tu r r esear ch .       2.   RE L AT E WO RK   Fo r   s ev er al  y ea r s   n o w,   th a p p licatio n   o f   DL   h as  r ea ch ed   th ex p an s io n   s tag in   th f ield   o f   m e d ical  im ag an aly s is .   Am o n g   th e   m o s wid ely   u s ed   m o d els  ar co n v o lu tio n al  n eu r al   n etwo r k s ,   d em o n s tr atin g   u n p r ec e d en ted   p o te n tial.  I n   2 0 2 5 ,   a   c o m p r eh e n s iv r ev i ew  o f   DL   tech n iq u es  f o r   th d etec tio n   o f   AD   h ig h lig h ted   th at  C N N s   a r c o n s is ten tly  fo u n d   to   o u tp erfo r tr a d itio n a ML   a p p r o a ch es,  s h o w ca s in g   th eir  p o ten tia in   imp r o vin g   d ia g n o s tic  a cc u r a cy   [ 1 2 ] .   Ho wev er ,   in   th s am s tu d y ,   th au t h o r s   n o ted   s ig n if ican t   an d   p er s is ten d if f icu lties   r elate d   to   m o d el  s elec tio n   an d   o p tim izatio n ,   lead in g   u s   to   ex p lo r au to m ated   s o lu tio n s .   T h is   ch ap ter   will  s er v as  a   s y n th esis   o f   cu r r en r esear ch   c o m b in in g   DL   an d   b io - in s p ir e d   m eth o d s   ap p lied   to   th d etec tio n   o AD El - Ass y   et  a l.   [ 1 3 ] ,   a   d u al - C NN   m o d el   with   d is tin ct   f ilter s   co n ca ten ated   in to   a   f iv e - o u t p u t   lay er   ( AD,   L MCI,   MCI,   E MCI,   a n d   NC )   on   A DNI   d ata   with   A DASYN - b as ed   class - im b alan ce   co r r ec tio n .   I t   r ep o r te d   u p   to   9 9 . 4 3 %,   9 9 . 5 7 %,  a n d   9 9 . 3 0 ac cu r ac y   f o r   3 - ,   4 - ,   a n d   5 - way   class if icatio n ,   r esp ec tiv ely .   Sh ar m a   et  a l.   [ 1 4 ] ,   th e   au th o r s   o b tain e d   ac cu r ac y ,   r ec all,   a n d   F1 - s co r es  o f   9 0 . 4 %,  0 . 9 0 5 ,   0 . 9 0 4 ,   an d   0 . 9 0 4 ,   r esp ec tiv ely .   T h e   d ataset  was  co llected   u s in g   Ka g g le.   I co m p r is es  6 , 4 0 0   im ag es  d is tr ib u ted   ac r o s s   two   f o ld er s   ( tr ain in g   an d   test ) .   E ac h   f o ld er   is   f u r th er   d i v id ed   in to   f o u r   s u b f o ld er s : M ild - Dem en ted ,   Mo d er ate - Dem en ted ,   No n - Dem en ted ,   an d   Ver y Mild - Dem e n ted .   T h a u th o r s   u s ed   th VGG - 1 6   ar ch i tectu r as  f ea tu r e   ex tr ac to r ,   a n d   an o th er   C N was th en   u s ed   as a   class if ier   ( 4   o u tp u ts ) .   C er tain   lim itatio n s   h av b ee n   r ea ch ed   with in   th 2 r esear ch   co m m u n ity .   T h is   h as  d r iv en   th e   ev o lu tio n   o f   r esear c h   to war d s   3 p ar ad i g m s .   A   s tu d y   p u b lis h ed   in   2 0 2 5   in tr o d u ce d   th e   3D - C NN - VSwin Fo r m er   m o d el   [ 1 5 ] ,   w h i ch   co m b in es   v o lu m m et r ic   co n v o lu tio n   with   tr an s f o r m er - b ased   atten tio n   m ec h an is m s ,   ac h iev in g   92 . 92%   ac cu r ac y   in   d is tin g u is h in g   b etwe en   p atien ts   with   AD   an d   h ea lth y   in d iv id u als.   T h C NN  u s ed   in   th is   s tu d y   was  in s p ir ed   b y   th e   m o d e l   p r o p o s ed   in   2 0 1 8   by   [ 1 6 ] ,   n am ed   C B AM   f o r   co n v o l u tio n al   b lo c k   atten tio n   m o d u le .   Ho wev er ,   th e   in itial   m o d el   was   cr ea te d   f o r   2 D,   an d   s in ce   th e   au th o r s   f o cu s ed   on   3D   v o lu m es,   s o m e   m o d if ica - tio n s   h ad   to   b m ad e.   R eg ar d in g   th v i d eo   Swin Fo r m er   co m p o n en t,   th is   b lo ck   u s es a n   atten tio n   m ec h an is m   b ased   o n   3 s lid in g   win d o m u ltih ea d   s elf - atten tio n   ( MSA) .   T o   co n d u ct  th eir   e x p er im e n [ 1 7 ] ,   u s ed   th ADNI   d atab ase,   s p ec if ically   th ADNI 3   co llec tio n .   T h is   s tu d y   is   ch a r ac ter ized   b y   its   o u tp u t   class es:  ea r ly   m ild   c o g n itiv im p ai r m en ( E MCI)   a n d   n o r m al   co n tr o l   ( NC ) ,   with   th o b jectiv o f   ea r ly   d etec tio n   o f   th d is ea s e.   I n itially ,   th ey   p er f o r m e d   p r e - p r o ce s s in g   co n s is tin g   of   r eg is tr atio n   u s in g   th e   s tan d ar d   MN I 1 5 2   m o d el   an d   s k u ll   ex tr ac tio n   u s in g   th e   FMB I R   s o f twar e   lib r a r y   ( FS L ) .   T h e   d ata   was   allo ca ted   8 0 %   f o r   tr ain in g   a n d   v alid ati o n   an d   2 0 %   f o r   test in g .   T h is   m o d el  ac h iev ed   an   ac cu r ac y   of   81 . 8 0 %,   a   r ec all   of   82 . 5 0 %,   an d   a   s p ec if icity   of   80 . 5 0 %,   t h u s   ef f ec tiv ely   d is ti n g u is h in g   b etwe en   in d iv id u als with   m ild   co g n itiv im p air m en t ( MCI)   a n d   th o s with   n o r m al  c o g n itiv f u n ctio n   ( NC F).   W ith   th r is o f   co n v o lu tio n al  n eu r al  n etwo r k s   an d   th d if f icu lties   en co u n ter e d   b y   class ical  alg o r ith m s   [ 1 8 ] ,   b io - in s p ir ed   a lg o r ith m s   h av r et u r n e d   to   t h f o r ef r o n o f   th s cien tific   s ce n as  p o wer f u co m p u tatio n al  m eth o d   f o r   ex p lo r in g   co m p lex   an d   m u ltid im en s io n al  p ar am eter s   [ 1 9 ] .   T h ese  m etah eu r is tics   o f f er   r o b u s an d   ad ap tiv ap p r o ac h es  to   o p tim izatio n   p r o b lem s   th at  h av p r o v en   d if f i cu lt  to   s o lv u s in g   tr ad itio n al  m eth o d s .   I n   th is   s tu d y   [ 2 0 ] ,   f o r   ex am p le,   th au th o r s   co m b in ed   AI B L   an d   A DNI   d ata  in   f o u r - s tag e   f r am ewo r k f u zz y - lo g ic  R OI   clu s ter in g ,   f ea tu r ex tr ac tio n   v ia  PLT P,  R e s Net - 5 0   an d   VGG - 1 6 ,   f ea tu r e   s elec tio n   with   th e   m o d if ied   g o r illa  tr o o p   o p tim izer   ( MG T O) ,   an d   C ap s Net  class if icatio n .   T h m o d el  r ep o r ted   99 . 7 6 %,  9 9 . 8 8 %,  an d   9 9 . 9 2 ac cu r ac y   f o r   AD  v s .   NC ,   MCI  v s .   AD,   an d   NC   v s .   MCI,   r es p ec tiv ely .   A   h y b r id   m o d el   c o m b in in g   a   c o n v o lu ti o n al   n eu r al   n etwo r k   a n d   a   s p ik in g   n eu r al   n etwo r k   ( C NN - SNN)   was   p r o p o s ed   in   th is   s tu d y   [ 2 1 ] .   T h is   h y b r id   m o d el   lev er ag es   t h e   s p atial   f ea tu r e   ex tr ac tio n   ca p ab ilit ies   of   C NNs   an d   th e   tem p o r al   d y n am ics   of   SNNs .   I n   o th er   wo r d s ,   th e   C N N   m o d u le   ex tr ac ts   f ea tu r es   f r o m   th e   in p u t   im ag e,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 5 2   I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci Vo l.  4 3 ,   No .   1 ,   Ju ly   20 2 6 :   192 - 20 6   194   wh ile   th e   SNN   m o d u le   p r o c ess es   th em   o v er   tim e.   Acc o r d in g   to   th e   au th o r s ,   th is   co m b in atio n   allo ws   th e   m o d el   to   ca p tu r e   b o th   s p atial   an d   tem p o r al   in f o r m atio n ,   m ak i n g   it   s u itab le   f o r   task s   r eq u ir in g   an   u n d er s tan d in g   of   th s tr u ctu r an d   d y n am ics  o f   th e   in p u t   d ata.   To   h ig h lig h t   th e   im p o r tan ce   of   th e   SNN,   th e   au th o r s   co n d u cted   an   ab latio n   s tu d y its   r em o v al   r e d u ce d   ac c u r ac y   f r o m   99 . 58%   to   75 . 6 7 %.  T h e   p r ep r o ce s s in g   s tep   co n s is ted   of   im ag e   re - im p o r tin g ,   d ata   a u g m en tatio n ,   an d   u p s am p lin g   ( S MO T E   [ 2 2 ] ) .   2 0 2 5   s tu d y   f u r th er   co n f ir m ed   th d iag n o s tic  p o ten tial  o f   d ee p   C NN  ar ch itectu r es  f o r   ea r ly   AD  d etec tio n   f r o m   MRI  d ata  [ 2 3 ] ,   r ein f o r cin g   th r elev an ce   o f   co n v o lu ti o n al  ap p r o ac h es a s   s o lid   f o u n d atio n   f o r   AD  d iag n o s tic  s y s tem s .   @ ar ticlep eter s en 2 0 1 0 alz h eim er ,   tit le= Alzh eim er s   d is ea s Neu r o im ag in g   I n itiativ e   ( ADNI )   clin ical  ch a r ac ter izatio n ,   a u th o r =Pete r s en ,   R o n ald   C ar an d   Ais en ,   Pau l   an d   B ec k ett,   L au r el   an d   Do n o h u e ,   Mic h ae C   an d   Gam s t,  An th o n y   C o llin s   an d   Har v ey ,   Dan ielle  J   an d   J ac k   J r ,   C liff o r d   R   an d   J ag u s t,   W ill iam   J   an d   Sh aw,   L e s lie  an d   T o g a,   Ar th u r   W   an d   o th er s ,   jo u r n al= Neu r o l o g y ,   v o l u m e= 7 4 ,   n u m b er = 3 ,   p ag es=2 0 1 2 0 9 ,   y ea r = 2 0 1 0 ,   p u b lis h er =L ip p i n co tt  W illi am s   &   W ilk in s   T h in teg r atio n   o f   co n v o lu tio n al   n eu r al  n etwo r k s   with   b i o - in s p ir ed   o p tim izatio n   al g o r ith m s   r ep r esen ts   a n   em e r g in g   f r o n tier   in   m ed ical   im ag in g   r esear ch ,   t h o u g h   s p e - cif ic  ap p licatio n s   t o   AD   d ete ctio n   r em ain   r elativ ely   u n d er d ev elo p e d .   C u r r e n t   liter atu r r ev ea ls   a   g r a d u al  b u t   co n s is ten p r o g r ess io n   t o war d   au to m ated   ar c h itectu r d esig n   an d   o p tim izatio n ,   with   m etah eu r is tic  ap p r o ac h e s   o f f er in g   p r o m is in g   p ath way s   to   ad d r ess   th e   well - d o cu m e n ted   lim itatio n s   o f   m an u ally   en g in ee r ed   DL   m o d els.       3.   M E T H O D   3 . 1 .     O v er v iew   of   t he   pro po s ed   f r a me w o r k   T h p r o p o s ed   m et h o d o lo g y   in teg r ates  C NNs  w ith   two   b io - in s p ir ed   alg o r ith m s   th GA  an d   PS to   au to m ate  th e   d esig n   an d   f u s io n   o f   DL   m o d els  f o r   AD   class if icatio n .   As  illu s tr ated   in   Fig u r 1 ,   th e   p ip elin e   s tar ts   with   an   ess en tial  p r e p r o ce s s in g   s tep ,   f o llo wed   b y   t h r ee   s eq u e n tial  s tag es:  GA   s ea r ch es  f o r   C NN  ar ch itectu r es  ad ap ted   t o   ea ch   an ato m ical  o r ien tatio n th o p tim ized   m o d els  ar r etr ai n ed   an d   v alid ated   o n   a   lar g er ,   in d ep en d en d ataset  to   ass es s   g en er aliza b ilit y an d   f in ally ,   PS d eter m in es  th f u s io n   weig h ts   th at   co m b in th e   p r ed ictio n s   f r o m   th th r ee   an ato m ical  v iews.           Fig u r 1 .   Ov e r all  ar ch itectu r o f   th p r o p o s ed   C NN - GA - PS f r am ewo r k       3 . 2 .     Da t a   a cquis it io n a nd   pr epro ce s s ing   3 . 2 . 1 .   Da t a s et s   T h Kag g le  d ataset  [ 2 4 ]   p r o v id es  6 , 4 0 0   p r e p r o ce s s ed   2 D   MRI  s lices  ( 1 2 8   ×  1 2 8   p x )   d is tr ib u ted   ac r o s s   f o u r   d em e n tia  s ev er ity   class es,  r e - lab elled   in to   a   b in a r y   s ch em e   ( Dem en ted   v s .   No n - Dem en ted )   f o r   th e   GA  ar ch itectu r s ea r ch   p h as e.   T h ADNI   d ataset  [ 2 5 ]   p r o v id es  1 , 7 1 5   f u ll  3 s tr u ct u r al  MRI  v o lu m es     ( 8 2 3   AD,   8 9 2   NC )   ac q u ir ed   at  1 . 5   T   an d   3   T   f ield   s tr e n g th s ,   p ar titi o n ed   in t o   tr ain in g   ( 6 0 %),   v alid atio n     ( 1 5 %),   a n d   h eld - o u test   ( 2 5 % )   s u b s ets;   s u b ject  co u n ts   p e r   s p lit  ar g iv e n   in   T ab le  1 .   T wo   d atasets   wer u s ed   ac r o s s   th d if f er e n t stag es o f   t h is   s tu d y   T ab le  2 .       T ab le  1 .   ADNI   s u b ject  d is tr ib u tio n   ac r o s s   d ataset  s p lits   S p l i t   A D   su b j e c t s   N C   su b j e c t s   To t a l   Tr a i n i n g   ( 6 0   %)   4 9 4   5 3 5   1 , 0 2 9   V a l i d a t i o n   ( 1 5   %)   1 2 3   1 3 4   2 5 7   Te st   ( 2 5   %)   2 0 6   2 2 3   4 2 9   To t a l   8 2 3   8 9 2   1 , 7 1 5       T ab le  2 .   Su m m a r y   o f   d atasets   u s ed   in   th is   s tu d y   C h a r a c t e r i s t i c   A D N I   K a g g l e   To t a l   su b j e c t /   i ma g e s   1 , 7 1 5   s u b j e c t s   6 , 4 0 0   i ma g e s   AD   8 2 3   3 , 2 0 0   NC   8 9 2   3 , 2 0 0   D a t a   t y p e   3 D   v o l u m e s   2 D   sl i c e s   U sag e   Tr a i n i n g ,   v a l i d a t i o n ,   t e s t   G A   a r c h i t e c t u r e   se a r c h   F i e l d   s t r e n g t h   1 . 5   T   a n d   3   T   U n k n o w n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2502 - 4 7 5 2       A   h yb r id   a p p r o a ch   fo r   mu lti - view MR I   A lz eh imer’ s   d etec tio n   u s in g   …  ( I h eb   C h emss   E l D in Ha g a n i )   195   3 . 2 . 2 .   P re pro ce s s ing   p ipeli ne   Pre p r o ce s s in g   MRI  im ag es  is   cr itical  s tep   in   th m eth o d o l o g ical  ch ain ,   as  th e   p er f o r m a n ce   o f   DL   m o d els  d ep e n d s   h ea v ily   o n   t h q u ality ,   co n s is ten cy ,   an d   s tan d ar d izatio n   o f   th e   in p u t   d ata.   R aw  MRI   v o lu m es   ex h ib it   v ar io u s   s o u r ce s   of   v ar iab ilit y ,   r elate d   to   d if f er en ce s   in   ac q u is itio n ,   s ca n n er s ,   n o is e,   n o n - h o m o g en eo u s   in ten s ities ,   an d   th p r esen ce   o f   n o n - b r ain   s tr u ctu r es.   T o   r ed u ce   th ese  b iases   an d   en s u r r o b u s lear n in g ,   a   s tr u ctu r ed   p r ep r o c ess in g   p ip elin is   ap p lied   to   all  v o lu m es.   I r elies  o n   f o u r   m ain   s tep s :   s k u ll   s tr ip p in g ,   in ten s ity   n o r m aliza t io n ,   n o is f ilter in g ,   an d   in ter - s u b ject  h ar m o n izatio n .   Sk u ll  s tr ip p in g ,   also   k n o wn   a s   b r ain   s tr ip p i n g ,   i n v o lv es  r e m o v in g   ex tr ac er e b r al  s tr u ct u r es  s u ch   as  b o n es,  s k i n ,   an d   n o n - n eu r o n al   tis s u es  to   f o c u s   th a n aly s is   ex clu s iv ely   o n   in t r ac r an ial  r e g io n s .   A   DL   m o d el  ca lled   d ee p b r ain   [ 2 6 ] ,   s p ec ializin g   in   b r ain   s eg m en tatio n ,   was  ch o s en   d u to   its   s u p er io r   ac cu r ac y   an d   r o b u s tn ess   to   in ter - s u b ject   v ar iatio n .   T h is   ap p r o ac h   y i el d s   s h ar p   b r ain   m ask s ,   p r ese r v in g   co r tical   an d   s u b co r tical  s tr u ctu r es wh ile  ef f ec tiv ely   elim in atin g   n o n - i n f o r m ativ r eg io n s .   I n t e n s i t y   N o r m a l i z at i o n :   T h is   s t e p   p r o m o t es   t h e   s t a b il i t y   o f   n e u r a l   n e t w o r k   t r a i n i n g   a n d   i m p r o v e s     t h e   m o d e l s   a b il i t y   t o   g e n e r a l iz e   t o   n e w   s u b j e c ts .   I t   r e li es   o n   l i n e a r   s t r e t c h i n g   o f   i n te n s it i es,   t r a n s f o r m i n g   e a c h   v o x e l   a c c o r d i n g   t o   t h e   m i n im u m   a n d   m a x i m u m   v a l u e s   o f   t h e   v o l u m e .   T h i s   p r o c es s   u n i f ie s   i n t e n s i t y   d i s t r i b u ti o n s   a n d   l i m it s   t h e   im p a c t   o f   n o n - b i o l o g i c a l   v a r i a t i o n s ,   w h i le   p r e s e r v i n g   i n t e r n a l   c o n t r a s ts   b e t we e n   b r a i n   t i s s u e s .      =   ( 1 )     No is f ilter in g   an d   in ter - s u b je ct  h ar m o n izatio n :   th is   n o is r ed u ctio n   im p r o v es  th v is u al  q u ality   o f   th v o lu m es  an d   e n h an ce s   th e   r eliab ilit y   o f   t h f ea tu r es  ex tr ac ted   in   s u b s eq u e n s tep s .   T h g o al  is   to   r em o v e   r an d o m   v ar iatio n s   with o u al ter in g   s u b tle  m o r p h o l o g ical  p atter n s ,   s u ch   as  co r tical  th i n n in g   o r   v o l u m etr ic  v ar iatio n   o f   th h i p p o ca m p u s ,   wh ich   ar k e y   m ar k er s   o f   n eu r o d eg en e r atio n .   E v en   a f ter   n o r m aliza tio n   an d   f ilter in g ,   r esid u al   d if f er e n ce s   m ay   r e m ain   b etwe en   s u b je cts  d u to   s ca n n er s ,   ac q u is itio n   ce n ter s ,   o r   ex p er im en tal  p r o to co ls .   I n t er - s u b ject  h ar m o n izatio n   is   th er ef o r a p p lied   to   m itig ate  th ese  d is cr ep a n cies  a n d   s tan d a r d ize  t h r e p r esen tati o n   o f   v o lu m es   with in   th e   d ata s et.   T ab le  3   r e p o r ts   th av er ag wall - clo c k   tim p er   p r ep r o ce s s in g   s tep   m ea s u r e d   o n   r ep r esen tativ ADNI   v o lu m u s in g   Go o g le   c o lab   ( T esla T 4   GPU) .       T ab le  3 .   Av e r ag wall - clo ck   ti m p er   p r ep r o ce s s in g   s tep   ( p er   MRI  v o lu m e,   Go o g le  C o lab   T 4 )   S t e p   A v e r a g e   t i me   R e o r i e n t a t i o n   a n d   i s o t r o p i c   r e sam p l i n g   1 4   s   B r a i n   e x t r a c t i o n   ( D e e p B r a i n )   3 2   s   I n t e n s i t y   n o r m a l i sa t i o n   3   s   N o i se   f i l t e r i n g   9   s   I n t e r - su b j e c t   h a r m o n i s a t i o n   7   s   2 D   sl i c e   e x t r a c t i o n   ( p e r   p l a n e )   4   s   To t a l   p e r   s u b j e c t   1   mi n   1 0   s       3 .3 .   St a g 1 :   G enet ic  a lg o rit hm   f o CNN  a rc hite ct ure  o p t im iza t io n   3 . 3 . 1 .   Arc hite ct ure  enco din g   a nd   s ea rc h sp a ce   E ac h   ca n d id ate  C NN  is   r ep r es en ted   as a   ch r o m o s o m e,   with   g en es e n co d i n g   ar c h itectu r al  p ar am eter s :     Nu m b er   of   c o n v o lu tio n al - p o o l in g   b l o ck s   (1 - 5) .     Ker n el   s izes   ( e. g . ,   3   ×   3,   5   ×   5)   an d   f ilter   co u n ts   p er   lay er   ( e. g . ,   32,   6 4 ,   128) .     R eg u lar izatio n   an d   o p tim izatio n   p ar am ete r s :   d r o p o u r ate  ( 0 . 2 - 0 . 5 ) ,   o p tim izer   ty p ( Ad a m   an d   SGD) ,   an d   ac tiv atio n   f u n cti o n s   ( R eL U   an d   L ea k y   R eL U) .   T h is   s ea r ch   s p ac e   co m b in es   d is cr ete   o r d in al   v ar iab les   ( lay e r   co u n ts   an d   f ilter   s izes)   an d   ca teg o r ical   v ar iab les   ( ac tiv atio n   f u n cti o n s ,   o p tim izer   ty p e) ,   f o r   wh ich   g r ad ien t - b ased   o p tim izatio n   ca n n o t   be     ap p lied   d ir ec tly .   E x h au s tiv e n u m er atio n   is   co m p u tatio n ally   in tr ac tab le  g iv en   th co m b i n ato r ial  ex p lo s io n   o f   co n f ig u r atio n s ,   an d   r a n d o m   s ea r ch   p r o v id es  n o   m ec h a n is m   to   d ir ec ex p lo r atio n   to war d   h ig h - f itn ess     r eg io n s .   GA  ad d r ess es  th ese   co n - s tr ain ts   n atu r ally :   it  o p er ates  with o u g r ad ien ts ,   en co d es  h eter o g en e o u s   v ar iab le  ty p es  th r o u g h   c h r o m o s o m r ep r esen tatio n ,   m ai n tain s   p o p u latio n   d iv er s ity   v ia   m u tatio n   to   av o i d     p r em atu r e   co n v er g en ce ,   an d   s teer s   th s ea r ch   p r o g r ess iv ely   th r o u g h   s elec tio n   p r ess u r an d   cr o s s o v e r   r ec o m b in atio n .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 5 2   I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci Vo l.  4 3 ,   No .   1 ,   Ju ly   20 2 6 :   192 - 20 6   196   3 . 3 . 2 .   E v o lutio na ry   o pti m iza t io n pro ce s s   T h e   GA   b eg in s   by   in itializin g   a   p o p u latio n   of   r a n d o m   ar c h itectu r es.   E ac h   ca n d id ate   is   tr ain ed   o n   s u b s et  o f   th e   Kag g le  d ataset ,   an d   its   v alid atio n   ac c u r ac y   s er v es  as  th e   f itn ess   m etr ic.   S elec tio n ,   cr o s s o v er ,   an d   m u tatio n   o p er ato r s   ar e   ap p lied   iter ativ ely   to   ev o lv e   th e   p o p u latio n   o v er   m u ltip le  g en er atio n s .   Selectio n   p r io r itizes  h ig h - f itn ess   in d iv id u als;   cr o s s o v er   r ec o m b i n es  ar ch itectu r al  co m p o n en ts   f r o m   p ar en t   m o d els;   an d   m u tatio n   i n tr o d u ce s   r an d o m   v ar iatio n s   to   m ain tain   d i v er s ity .   T h e   p r o ce s s   ter m in ates   wh en   f itn ess   im p r o v em en t   s tag n ates  o r   m ax im u m   g en er atio n   co u n is   r ea ch ed .   T h e   o p tim izatio n   wo r k f l o is   d ep icted   in   Fig u r 2 .   T ab le  4   s u m m ar is es   th co m p l ete  s et  o f   h y p e r p ar am eter s   g o v er n in g   th e   GA  o p tim izatio n   p r o ce d u r e.           Fig u r 2 .   Gen etic  a lg o r ith m   o p tim izatio n   wo r k f lo f o r   C NN  ar ch itectu r d esig n       T ab le  4 .   Hy p er p ar a m eter s   o f   t h g en etic  alg o r ith m   f o r   C NN  ar ch itectu r s ea r ch   P a r a me t e r   V a l u e   P o p u l a t i o n   s i z e   20   M a x i m u m   g e n e r a t i o n s   50   S e l e c t i o n   m e c h a n i s m   To u r n a me n t   ( k   =   3 )   C r o ss o v e r   o p e r a t o r   U n i f o r m   c r o sso v e r   C r o ss o v e r   r a t e   0 . 8 0   M u t a t i o n   r a t e   0 . 1 0   El i t i sm   2   i n d i v i d u a l s   Tr a i n i n g   b u d g e t   p e r   c a n d i d a t e   1 0   e p o c h s   Tr a i n i n g   su b s e t   ( K a g g l e )   6 , 4 0 0   i ma g e s   ( 1 2 8   ×   1 2 8   p x ,   b i n a r y   l a b e l s)   F i t n e ss  met r i c   V a l i d a t i o n   a c c u r a c y   S t o p p i n g   c r i t e r i o n   M a x   g e n e r a t i o n o r   1 0   st a g n a t i n g   g e n e r a t i o n s         3 . 3 . 3 .   O rient a t io n - s pecif ic  a r chit ec t ure  s ea rc h   u n iq u asp ec o f   th is   f r am e wo r k   is   th ex ec u tio n   o f   in d e p en d en GA  r u n s   f o r   ax ial,   co r o n al,   an d   s ag ittal  MRI  p lan es.  T h is   ac k n o wled g es  th at  ea c h   o r ie n tatio n   ca p tu r es  d is tin ct  n eu r o an at o m ical  f ea tu r es  an d   m ay   r eq u ir s p ec ialized   f e atu r ex tr ac tio n   h ier a r c h ies.  T h b est - p e r f o r m in g   a r ch i tectu r f r o m   ea c h   o r ien tatio n   is   r etain ed   f o r   s u b s eq u en t stag es.     3 . 4 .     St a g 2 :   CNN  t ra ini ng   a nd   v a lid a t io n   T h ar ch itectu r es  o p tim ized   b y   th GA  wer r etr ai n ed   u s in g   3 MRI  d ata  f r o m   th e   ADNI   d atab ase   to   ev alu ate  th eir   g en e r aliza b ilit y   to   r ea lis tic  clin ical  co n d itio n s .   Fig u r 3   s h o ws  r ep r esen tativ co r o n al,   s ag ittal,  an d   ax ial   s lices  ex tr ac ted   f r o m   th ese  v o lu m es:  Fig u r e   3 ( a)   d ep icts   s lices  f r o m   a   s u b ject  d iag n o s ed   with   AD ,   wh ile  Fig u r e   3 ( b )   s h o ws th co r r esp o n d in g   s lices   f o r   co g n itiv ely   NC .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2502 - 4 7 5 2       A   h yb r id   a p p r o a ch   fo r   mu lti - view MR I   A lz eh imer’ s   d etec tio n   u s in g   …  ( I h eb   C h emss   E l D in Ha g a n i )   197   E ac h   o r ien tatio n - s p ec if ic  C NN  was  tr ain ed   in d ep e n d en tly   f o r   6 0   ep o ch s   u s in g   t h Ad a m   o p tim izer   with   lear n in g   r ate  o f   1   ×  1 0 −4 ,   b atch   s ize  o f   3 2 ,   a n d   ca te g o r ical  cr o s s - en tr o p y   lo s s .   T o   m itig ate  o v er f itti n g ,   ea r ly   s to p p i n g   ( p atien ce   1 0   ep o ch s )   a n d   lear n in g   r ate   r e d u ctio n   ( f ac t o r   =   0 . 5 )   wer a p p li ed   wh en   v alid atio n   p er f o r m an ce   p latea u ed .   s u b ject - in d ep e n d en t   5 - f o ld   cr o s s - v alid atio n   s ch em en s u r ed   n o   d ata  leak ag e   b etwe en   tr ain in g   an d   v alid atio n   s p lits .   T h f in al  m o d el  f o r   ea ch   v iew  w as  s e lecte d   b ased   o n   th h ig h est  m ea n   v alid atio n   ac cu r ac y   ac r o s s   f o ld s .           ( a)   ( b )     Fig u r 3 .   R ep r esen tativ MRI  s lices f r o m   th ADNI   d atab ase,   illu s tr atin g   co r o n al,   s ag ittal,  an d   ax ial  o r ien tatio n s ;   ( a )   f o r   b o th   AD   p atien ts   an d   ( b )   h ea lth y   c o n tr o l s   [ 2 7 ]       3 . 5 .     St a g 3   m ulti - v iew  f us io n v ia   pa rt icle  s wa rm   o pti m iz a t io n   3 . 5 . 1 .   F us io n m o t iv a t io n a nd   f o rm ula t i o n   W h ile  ea ch   o r ien tatio n - s p ec if i C NN  p r o v id es  v alu ab le   d is cr im in ato r y   in f o r m atio n ,   co m b in in g   th ei r   p r ed ictio n s   ca n   ca p tu r co m p lem en tar y   asp ec ts   o f   AD - r ela ted   n eu r o an ato m ical  ch an g es.  R ath er   th an   u s in g   u n if o r m   av e r ag in g ,   we   f o r m u l ate  v iew  f u s io n   as   an   o p tim iz atio n   p r o b lem   wh er e   PS d et er m in es  th e   o p tim al   weig h tin g   s ch em t h at  m ax im izes  class if icat io n   ac cu r ac y .   PS is   s elec ted   f o r   th is   task   f o r   two   r ea s o n s .   First,   th f itn ess   s ig n al  -   class if icati o n   ac cu r ac y   is   a   n o n - d if f er en tiab le  s tep   f u n ctio n   o f   th e   f u s io n   weig h ts   at  t h e   d ec is io n   b o u n d ar y ,   wh ic h   r u le s   o u g r a d ien t - b ased   o p tim izer s   s u ch   as  Ad am   o r   SGD.   Seco n d ,   th e   s u m - to - o n e   co n s tr ain t   ( = 1 , 0 )   is   h an d led   n ativ e ly   b y   n o r m alizin g   p ar ticle  p o s itio n s   af ter   ea ch   v elo city   u p d ate,   with o u r eq u ir in g   p en alty   ter m s   o r   p r o jectio n   alg o r ith m s .   T h ese  p r o p er ties   m ak e   PS p r in cip led   an d   lig h tweig h t c h o ice  f o r   th is   lo w - d im en s io n al,   c o n s tr ain ed ,   n o n - d if f er en tiab le  o p tim izatio n   p r o b lem .     3 . 5 . 2 .   F us io n m ec ha nis m   s ep ar ate  in d e p en d e n d atase o f   5 0 0   MRI  s lices - d is tin ct  f r o m   all  d ata   u s ed   in   p r e v io u s   s tag es - was   u tili ze d   to   tr ai n   th e   PS f u s io n   m o d u le.   E ac h   o p tim ized   C NN  g en er ated   p r o b ab ilit y   s co r es  f o r   th ese  s lices,   f o r m in g   m atr ix       500 3   wh er c o lu m n s   co r r esp o n d   to   a x ial,   co r o n al,   an d   s ag ittal  p r ed ictio n s ,   a n d   r o ws   r ep r esen t sli ce s .     = [ 1 , 1 ,  1 ,  2 , 2 ,  2 ,  500 , 500 ,  500 ,  ]       T h PS alg o r ith m   s ee k s   an   o p tim al  weig h t v ec to r ,     = [ ,    ,    ]       th at  s atis f ies:     +    +    = 1 , 0       f o r   ea ch   s lice  ,   th f in al  f u s ed   p r o b a b ilit y   is   co m p u ted   as:     ̂ = , 3 = 1       with   th f in al  p r e d ictio n   d ete r m in ed   b y :     ̂ = { 1 ,    ̂ 0 . 5 0 ,   .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 5 2   I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci Vo l.  4 3 ,   No .   1 ,   Ju ly   20 2 6 :   192 - 20 6   198   3 . 5 . 3 .   P SO   o ptim iz a t io n pro c edure   E ac h   p ar ticle  in   th s war m   r e p r esen ts   ca n d id ate  weig h v ec to r   .   Par ticle  f itn ess   i s   d ef in ed   as  th class if icatio n   ac cu r ac y   o n   t h in d ep en d en t f u s io n   d ataset:     ( ) = 1 / 1 = 1 ( ̂ = )       a t e ac h   iter atio n   ,   p ar ticles u p d ate  th eir   v elo city   a n d   p o s itio n   ac co r d in g   to :     , ( + 1 ) =  , ( ) + 1 1 ( ,  , ( ) ) + 2 2 (  , ( ) )       , ( + 1 ) = , ( ) + , ( + 1 )       wh er   is   th in er tia  weig h t,   1   an d   2   ar ac ce ler atio n   co e f f icien ts ,   1 , 2 ~ ( 0 , 1 )   an d      r ep r esen p er s o n al  an d   g l o b al  b est  p o s itio n s ,   r esp ec tiv ely .   W eig h ts   ar n o r m alize d   af te r   ea ch   u p d ate  to   s atis f y   th co n s tr ain t.     3 . 6 .     I m ple m ent a t io n det a ils   a nd   re pro du cib ility   T ab le  5   co n s o lid ates  all  h y p e r p ar am eter s   an d   d ataset  s p lits   r eq u ir ed   to   r ep r o d u ce   th ex p er im en ts .   GA - s p ec if ic  p ar am eter s   ar f u r th er   d etailed   in   T ab le  4 .       T ab le  5 .   C o m p lete  h y p er p ar a m eter   an d   d ataset  co n f ig u r atio n   f o r   r ep r o d u cib ilit y   C o m p o n e n t   P a r a me t e r   V a l u e   K a g g l e   d a t a se t   To t a l   i m a g e s   6 , 4 0 0   ( 1 2 8   ×   1 2 8   p x )   B i n a r y   s p l i t   D e men t e d :   3 , 2 0 0 / n o n - d e m e n t e d :   3 , 200   A D N I   d a t a se t   A D / N C   s u b j e c t s   8 2 3   A D / 8 9 2   N C   ( 1 , 7 1 5   t o t a l )   Tr a i n / V a l / Te s t   6 0 %/ 1 5 % / 2 5 %   ( 1 , 0 2 9 / 2 5 7 / 4 2 9   su b j e c t s)   2 D   sl i c e p e r   p l a n e   5 3   4 0 0   ( t r a i n i n g ) ,   2 2   3 0 0   ( t e st )   C N N   t r a i n i n g   ( S t a g e   2 )   Ep o c h s   60   O p t i mi z e r   A d a m   Le a r n i n g   r a t e   1   ×   1 0 −4   B a t c h   si z e   32   Lo ss f u n c t i o n   C a t e g o r i c a l   c r o ss - e n t r o p y   Ea r l y   st o p p i n g   P a t i e n c e   =   1 0   e p o c h s   LR   r e d u c t i o n   F a c t o r   0 . 5   o n   p l a t e a u   C r o ss - v a l i d a t i o n   5 - f o l d   ( s u b j e c t - i n d e p e n d e n t )   P S O   ( S t a g e   3 )   S w a r m si z e     30   M a x   i t e r a t i o n   40   I n e r t i a   w e i g h t     0 . 7   C o g n i t i v e   c o e f f .   1   1 . 5   S o c i a l   c o e f f .   2   1 . 5   F u si o n   d a t a se t   s i z e   5 0 0   M R I   sl i c e s   R a n d o m s e e d s   G A / C N N / P S O   4 2   ( f i x e d )       3 . 7 .     Co m pu t a t io na l r eso urc es   T ab le  6   r ep o r ts   th c o m p u tatio n al  r eso u r ce s   co n s u m ed   at  ea c h   s tag o f   th e   f r am ewo r k .     All  ex p er im en ts   wer co n d u ct ed   o n   Go o g le  C o lab o r ato r y ,   u s in g   an   NVI DI T esla  T 4   GP ( 1 6   GB   VR AM ,   7 0   W   T DP)   with   an   I n tel  Xeo n   C PU  an d   1 2   GB   R AM   all o ca ted   b y   th e   p latf o r m .   T h t o tal  wall - clo ck   tim e   was  ap p r o x im ately   5 0   h o u r s ,   d is tr ib u ted   ac r o s s   m u ltip le  C o lab   s ess io n s .   E s tim ated   en er g y   c o n s u m p tio n ,   d er iv ed   f r o m   th T 4 s   r ated   T DP,  is   ap p r o x im ately   5 0   h   ×  7 0   W     3 . 5   k W h .   T h co m p lete  en d - to - e n d   wo r k f lo w,   f r o m   MRI  in p u t to   f in al  d iag n o s is   an d   in ter p r eta b ilit y   v is u aliza tio n ,   is   s u m m ar ized   in   Fig u r e   4.       T ab le  6 .   C o m p u tatio n al  co s t o f   th p r o p o s ed   f r am ewo r k   S t a g e   C a n d i d a t e s/ i t e r a t i o n s   G P U - h o u r s   GA    A x i a l   2 0   ×   3 5   =   7 0 0   c a n d i d a t e s   ~   9   GA    C o r o n a l   2 0   ×   3 8   =   7 6 0   c a n d i d a t e s   ~   1 0   GA    S a g i t t a l   2 0   ×   4 1   =   8 2 0   c a n d i d a t e s   ~   1 0   S t a g e   2   ( A D N I ,   5 - f o l d )   5   ×   3   =   1 5   t r a i n i n g   r u n s   ( 5 3   0 0 0   c o u p e s / f o l d )   ~   2 1   P S O   f u si o n   3 0   p a r t i c l e ×   2 5   i t e r   <   0 . 1   To t a l     ~   5 0   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2502 - 4 7 5 2       A   h yb r id   a p p r o a ch   fo r   mu lti - view MR I   A lz eh imer’ s   d etec tio n   u s in g   …  ( I h eb   C h emss   E l D in Ha g a n i )   199       Fig u r 4 .   E n d - to - en d   w o r k f l o o f   th p r o p o s ed   h y b r id   f r am ewo r k   f o r   AD   class if icatio n       4.   RE SU L T   AND  DI SCUS SI O N   T h is   s ec tio n   p r esen ts   a   co m p r eh en s iv ev alu atio n   o f   o u r   C NN - GA - PS h y b r id   f r am ewo r k   f o r   AD   class if icatio n .   W e   s y s tem atic ally   ev alu ate  ea ch   m eth o d o l o g ical  s tep C NN  ar ch itectu r o p tim izatio n   u s in g   GA,   m o d el   tr ain in g   o n   th e n tire   ADNI   d ataset,   a n d   m u lti - v iew  f u s io n   u s in g   PS O.   T h is   ev alu atio n   r elieso n   q u an titativ m etr ics  an d   v is u al  an aly s is .   All  ex p er im en ts   ad d r ess   b in ar y   class if icatio n   ta s k .   Du r in g   th e   GA  ar ch itectu r s ea r ch   p h ase,   th e   f o u r - class   Kag g le  d ataset  ( m ild   d em en ted :   8 9 6 ,   m o d er ate  d em en ted 6 4 ,   v er y   m ild   d em e n ted 2 , 2 4 0 ,   n o n   d e m en ted 3 , 2 0 0 to tal   6 , 4 0 0   im ag es  r esized   to   1 2 8   ×  1 2 8   p x )   is   r e - lab elled   in to   two   b alan ce d   ca teg o r ies:   d e m en ted   ( m ild   +   m o d er ate  +   v er y   m ild ;   n   3 , 2 0 0 )   v er s u s   n o n   d em en te d     ( n   3 , 2 0 0 ) .   Fin al  r etr ain in g   a n d   ev alu atio n   u s th ADNI   d ataset  u n d er   th s am b in ar y   s ch em e:  AD   v er s u s   co g n itiv ely   NC .   Per f o r m a n ce   is   r ep o r ted   as   b o th   ag g r eg a te  an d   p er - class   m etr ics  to   c h ar ac ter ize  m o d el   b eh av io r   o n   ea c h   d iag n o s tic  c ateg o r y .     4 . 1 .     G enet ic  a lg o rit h m   f o r   CNN  a rc hite ct ure  o ptim iza t io n   4 . 1 . 1 .   Co nv er g ence   b eha v io r   T h GA   d em o n s tr ated   co n s is ten co n v er g e n ce   f o r   all  th r e an ato m ical   o r ien tatio n s ,   al b eit  alo n g   d if f er en tr ajec to r ies.  Star tin g   with   an   ac cu r ac y   o f   ap p r o x im ately   4 9 %,  all  o r ien tati o n s   s h o wed   s tead y   im p r o v em e n t o v e r   g e n er atio n s .   T h ax ial  b r an ch   r ea ch e d   c o n v er g e n ce   m o s r ap id ly ,   s tab ilizin g   b y   g en er atio n   3 5   wit h   f i n al   v alid atio n   ac c u r ac y   o f   7 5 . 3 % .   T h e   co r o n al   o r ien tatio n   r e q u ir ed   s lig h tly   m o r g en er atio n s ,   co n v er g in g   b y   g en er atio n   3 8   with   an   ac cu r a cy   o f   7 3 . 6 %.   T h e   s ag ittal  b r a n ch   e x h ib ited   th e   s lo west  co n v er g en c e,   r ea c h in g   s tab ilit y   b y   g en er atio n   4 1   with   an   ac cu r ac y   o f   7 2 . 4 %.  T h is   p r o g r ess iv r ef in em e n co n f ir m s   th GA   ab il ity   to   s y s tem atica lly   ev o lv th ar ch itectu r e.     4 . 1 . 2 .   O ptim ized  a rc hite ct ur es   T h GA - o p tim ized   ar ch itect u r es  ex h ib ited   d is tin ct  ch ar ac ter is ti cs  tailo r ed   to   th eir   r esp ec tiv an ato m ical  p lan es,  as  s u m m a r ized   in   T a b le  7 .   T h e   ax ial  ar ch itectu r e,   with   f o u r   co n v o lu tio n al  lay er s   a n d   m o d er ate   r eg u la r izatio n ,   a ch i ev ed   th e   h ig h est  p er f o r m a n ce .   T h e   co r o n al  m o d el   ad o p ted   d ee p e r   f i v e - lay er   s tr u ctu r with   s tr o n g er   r e g u l ar izatio n ,   wh ile   th s ag ittal  n etwo r k   em p lo y ed   a   m o r c o m p ac th r ee - lay er   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 5 2   I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci Vo l.  4 3 ,   No .   1 ,   Ju ly   20 2 6 :   192 - 20 6   200   d esig n   with   m in i - m al  d r o p o u t.  T h ese  ar ch itectu r al  d if f er en ce s   r ef lect  th v ar y in g   co m p lex ity   o f   f ea tu r e   ex tr ac tio n   r e q u ir ed   f o r   d if f er e n t a n ato m ical  v iews.       T ab le  7 .   S tr u ctu r al  p ar am ete r s   an d   p e r f o r m an ce   o f   GA - o p ti m ized   C NN  ar ch itectu r es   O r i e n t a t i o n   F i l t e r   p r o g r e ssi o n   D r o p o u t   r a t e   A c c u r a c y   ( %)   A x i a l   [ 3 2 ,   6 4 ,   1 2 8 ,   2 5 6 ]   0 . 2 8   7 5 . 3   C o r o n a l   [ 3 2 ,   6 4 ,   1 2 8 ,   2 5 6 ,   5 1 2 ]   0 . 4 0   7 3 . 6   S a g i t t a l   [ 1 6 ,   3 2 ,   6 4 ]   0 . 2 0   7 2 . 4       4 . 1 . 3 .   P er f o r m a nce  lim it a t io ns   in o ptim iza t io n pha s e   T h m o d e r ate  ac cu r ac y   lev els   ac h iev ed   d u r in g   th GA  o p ti m izatio n   p h ase  ( 7 2 . 4 7 5 . 3 %)   p r im ar ily   r ef lect  th co m p u tatio n al  co n s tr ain ts   o f   ev o lu tio n ar y   s ea r c h .   T h u s o f   r ed u ce d   d atas et  was  n ec es s ar y   to   m ain tain   f ea s ib le  o p tim izatio n   tim es,  as  ea ch   g en er atio n   r e q u ir ed   tr ain in g   an d   e v alu atin g   m u ltip le  ca n d id ate   ar ch itectu r es.  C o n s eq u en tly ,   t h ese  ac cu r ac ies  r ep r esen ar ch itectu r al  p o ten tial  r ath er   th a n   f in al  p er f o r m an ce ,   with   th tr u e   ca p a b ilit y   o f   th e   o p tim ized   n etwo r k s   b ec o m i n g   ap p a r en o n ly   af ter   r etr ain in g   o n   th e   co m p lete   ADNI   d ataset.     4 . 2 .     P er f o r m a nce  ev a lua t io n o n AD NI da t a s et   R etr ain in g   th g en etica lly   o p tim ized   ar ch itectu r es  o n   th ADNI   d ataset  r esu lted   in   s u b s tan tial  p er f o r - m an ce   im p r o v em e n ts   a cr o s s   all  o r ien tatio n s .   T h e   ax i al  n etwo r k   m ain tain e d   its   s u p er io r   p er f o r m an ce ,   ac h iev in g   8 5 . 0 v alid atio n   a cc u r ac y   a n d   8 4 . 6 test   ac cu r ac y .   T h co r o n al  a n d   s ag itt al  m o d els  s h o wed   co m p ar ab le   im p r o v em e n tr e n d s ,   with   test   ac cu r ac ies  o f   8 3 . 1 an d   8 2 . 0 r esp ec tiv e ly .   T h e   co n s is ten p er f o r m an ce   g a p   b etwe en   v a lid atio n   an d   test   m etr ics  ( ap p r o x im ately   0 . 4 - 0 . 6   p er ce n ta g p o in ts )   in d icate s   ef f ec tiv g e n er aliza tio n   with   m in im al  o v e r f itti n g .   T ab le  8   r ep o r ts   th v alid atio n   ac cu r ac y ,   test   ac cu r ac y ,   an d   v alid atio n   lo s s   o b tain ed   f o r   ea ch   o r ien tatio n - s p ec if ic  m o d el  af ter   f u ll r etr ain i n g   o n   th AD NI   d ataset.       T ab le  8 .   Per f o r m an ce   m etr ics af ter   r etr ain in g   o n   ADNI   d ataset   O r i e n t a t i o n   V a l .   A c c .   ( %)   Te st   A c c .   ( %)   V a l .   Lo ss   A x i a l   8 5 . 0   8 4 . 6   0 . 3 6   C o r o n a l   8 3 . 8   8 3 . 1   0 . 4 1   S a g i t t a l   8 2 . 6   8 2 . 0   0 . 4 4       4 . 3 .     M ulti - v iew  f us io n v ia   pa rt icle  s wa rm   o pti m iza t io n   4 . 3 . 1 .   Co nv er g ence   a nd   weig ht  dis t ributio n   PS d em o n s tr ated   ef f icien t   co n v er g en ce ,   g en er ally   r e ac h in g   s tab ilit y   in   2 5   iter a tio n s   with     3 0   p ar ticles  an d   m a x im u m   o f   4 0   iter atio n s .   T h co n v er g en ce   p r o f ile  in   Fig u r e   5   e x h i b its   two   s u cc ess iv e   p h ases .   Du r in g   th e   in itial  iter atio n s ,   p ar ticles  s wee p   b r o a d   r eg io n   o f   th f ea s ib le  weig h s p ac an d   f itn ess   im p r o v es st ee p ly   as p r o g r ess iv ely   b etter   f u s io n   co n f ig u r atio n s   ar id en tifie d .           Fig u r 5 .   C o n v er g e n ce   b eh a v i o r   o f   PS o p tim izatio n   f o r   m u lti - v iew  f u s io n       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2502 - 4 7 5 2       A   h yb r id   a p p r o a ch   fo r   mu lti - view MR I   A lz eh imer’ s   d etec tio n   u s in g   …  ( I h eb   C h emss   E l D in Ha g a n i )   201   T h is   ex p lo r ato r y   p h ase  tr a n s itio n s   in to   an   ex p lo itatio n   p h ase  ar o u n d   iter atio n   1 0 ,   wh er e   im p r o v em e n ts   b ec o m in c r ea s in g ly   in cr em en tal  as  th s war m   co n tr ac ts   to war d   t h g lo b al  b est.  s tab le  p latea u   is   r ea ch e d   at  a p p r o x im ately   iter atio n   2 5 - 6 2 . 5 % o f   th m ax im u m   b u d g et   -   in d icatin g   th at  th e   s war m   o f   3 0   p a r ticles  lo ca tes  h ig h - q u ality   s o lu tio n   well  b ef o r th e   iter atio n   lim it  is   r ea ch ed .   T h s m o o th ,   m o n o to n ic   p r o g r ess io n   an d   th ab s en ce   o f   o s cillatio n s   in   th later   ite r atio n s   co n f ir m   th at  th PS co n tr o p ar am eter s   m ain tain   p r o d u ctiv b ala n ce   b etwe en   ex p lo r atio n   an d   ex p lo itatio n   th r o u g h o u th r u n .   T h is   r ap id   co n v er g en ce   is   co n s is ten wit h   th lo ef f ec tiv d im en s io n ality   o f   th p r o b lem th s u m - to - o n co n s tr ain o n   th th r ee   f u s io n   weig h ts   r ed u ce s   th s ea r ch   to   two - d im en s io n al  s im p lex ,   wh ich   is   well   with in   th ca p ac ity   o f   m o d er ate - s ized   s war m .   T h weig h d is tr ib u tio n   in   th last   iter atio n   ass ig n s   th g r ea test   weig h to   th ax ial  v iew  ( 0 . 4 6 ) ,   f o llo wed   b y   th co r o n al  ( 0 . 3 3 )   an d   s ag ittal  ( 0 . 2 1 )   v iews,  wh ich   co r r esp o n d s   to   th in d iv id u al  p er f o r m an ce   h i er ar ch y   o f   C NNs  s p ec if ic  to   ea ch   o r ien tatio n .   T h is   asy m m etr ic   weig h tin g   s ch em e   d em o n s tr ates  th alg o r ith m s   ab ilit y   to   q u a n titativ ely   ass ess   th r elativ d is cr im in ativ p o wer   o f   ea c h   an ato m ical  v iew,   r ath e r   th an   r ely in g   o n   u n if o r m   a v er ag in g .     4 . 3 . 2 .   F us io n   p er f o rm a nce   T h PS O - b ased   f u s io n   m ec h an is m   y ield ed   s ig n if ican p er f o r m an ce   g ain s .   T h f u s ed   m o d el  ac h iev ed   8 7 . 4 ac cu r ac y ,   r e p r esen tin g   2 . 8   p er ce n tag p o in i m p r o v e m en o v er   th b est  in d iv id u al  m o d el     ( ax ial  C NN) .   Mo r im p o r tan tly ,   th e   b alan ce d   p er f o r m a n c ac r o s s   p r ec is io n   ( 8 6 . 8 %),   r ec all  ( 8 7 . 0 %),   a n d     F1 - s co r ( 8 6 . 9 %)  i n d icate s   th at  th f u s io n   m ec h an is m   ef f ec tiv ely   lev er a g es  co m p le m en tar y   in f o r m atio n   ac r o s s   v iews with o u t in tr o d u ci n g   s ig n if ican b ias.   T ab le  9   p r o v id es  d etailed   co m p a r is o n   o f   class if icat io n   m etr ics  b etwe en   ea ch   in d iv id u al   o r ien tatio n - s p ec if ic   C NN  an d   th PS O - f u s ed   m o d el.   T o   f u r t h er   a n aly ze   t h p er f o r m an ce   o f   th e   f u s ed   m o d el  ac r o s s   in d iv id u al   d iag n o s tic  ca teg o r ies,  T ab le  1 0   r ep o r ts   th e   p er - class   p r ec is io n ,   r ec all,   a n d   F1 - s co r o b tain e d   on  th ADNI   test   s et.   T h r es u lts   d em o n s tr ate  b alan ce d   p er f o r m an ce   f o r   b o th   NC   an d   A class es,  in d icatin g   th at  th p r o p o s ed   f u s io n   s tr ateg y   im p r o v es  o v er all  cla s s if icatio n   p er f o r m a n ce   with o u in tr o d u cin g   a   n o ticea b le  b ias to war d   eith e r   c lass .       T ab le  9 .   Per f o r m an ce   co m p a r is o n   b etwe en   in d i v id u al  C NNs a n d   PS O - f u s ed   m o d el   M o d e l   A c c .   ( %)   P r e c .   ( %)   R e c .   ( %)   F 1   ( %)   A U C   ( %)   A x i a l   C N N   8 4 . 6   8 4 . 0   8 4 . 2   8 4 . 1   8 7 . 3   C o r o n a l   C N N   8 3 . 1   8 2 . 3   8 1 . 9   8 2 . 1   8 6 . 2   S a g i t t a l   C N N   8 2 . 0   8 1 . 3   8 0 . 9   8 1 . 1   8 4 . 8   P S O   f u si o n   8 7 . 4   8 6 . 8   8 7 . 0   8 6 . 9   9 0 . 1       T ab le  1 0 .   Per - class   class if icat i o n   m etr ics o f   t h PS O - f u s ed   m o d el  o n   th ADNI   test   s et   C l a s s   P r e c i s i o n   ( %)   R e c a l l   ( %)   F1 - sc o r e   ( %)   N C   ( N o r ma l   c o n t r o l )   8 8 . 4   8 5 . 2   8 6 . 8   A D   ( A l z h e i m e r s)   8 5 . 2   8 8 . 8   8 7 . 0   M a c r o   a v g .   8 6 . 8   8 7 . 0   8 6 . 9       4 . 4 .     Vis ua l In t er pret a t io n v i a   G ra dient - weig hte d CA M   Ap p ly in g   g r ad ien t - weig h ted   c lass   ac tiv atio n   m ap p in g   ( Gr a d - C AM )   p r o v id e d   b etter   u n d er s tan d in g   o f   th m o d el s   d ec is io n - m a k in g   p r o ce s s .   Gr ad - C AM   was  ap p lied   to   th last   co n v o lu ti o n al  b lo ck   o f   ea c h     GA - o p tim ize d   C NN - th f o u r th ,   f if t h ,   an d   th ir d   b lo ck   f o r   th e   ax ial,   co r o n al,   a n d   s ag ittal  n etwo r k s ,   r esp ec tiv ely   T ab le  7   im m ed i ately   p r io r   to   th g lo b al  av e r ag p o o lin g   o p er atio n .   T h is   ch o ice  is   s tan d ar d   p r ac tice:  th last   co n v o lu tio n al  lay er   r etain s   th r ich est  s em an tic  co n ten wh ile  p r eser v i n g   s u f f icien s p atial  r eso lu tio n   f o r   m ea n i n g f u l   lo ca lizatio n   -   ea r lier   lay e r s   ca p tu r lo w - lev el  te x tu r es  b u lack   d is cr im in ativ e   p o wer ,   wh ile  p o s t - p o o lin g   la y er s   d is ca r d   s p atial  in f o r m atio n   en tire ly .   Fr o m   th e   1 2 8   ×  1 2 8   in p u t,  th es b lo ck s   p r o d u ce   ac tiv atio n   m ap s   o f   8   ×  8 ,   4   ×  4 ,   an d   1 6   ×  1 6   f o r   th ax ial,   co r o n al,   an d   s ag ittal  m o d els,  wh ich   we r b ilin ea r ly   u p s am p le d   to   th i n p u r eso lu tio n   an d   o v er laid   o n   th s lice  f o r   v is u al  in ter p r etatio n .   Fig u r 6   illu s tr ates  r ep r esen tativ v is u aliza tio n s   f o r   b o th   co r r ec a n d   in co r r ec class if icatio n s .   I n   f alse  n eg ativ e   ca s es   ( Fig u r 6 ( a) ) ,   th m o d el  ex h i b ited   d if f u s an d   p o o r ly   lo ca l ized   ac tiv atio n   p atter n s ,   s u g g esti n g   th m o d el u n ce r tain ty   wh e n   d is cr im in a tin g   f ea tu r es  wer less   p r o n o u n ce d .   I n   c o n tr ast,  in   tr u p o s itiv ca s es     ( Fig u r 6 ( b ) ) ,   th m o d el  co n s is ten tly   f o cu s ed   o n   r eg io n s   o f   m ed ical  in ter est,  in clu d in g   th m ed ial  tem p o r al  lo b an d   h ip p o ca m p u s ,   r eg i o n s   clin ically   ass o ciate d   with   AD   p ath o l o g y .   T h ese  v is u aliza tio n s   n o o n l y   en h an ce   in te r p r etab ilit y   b u t a l s o   p r o v id clin ical  v alid atio n   b y   d em o n s tr atin g   th at  th m o d el s   atten tio n   alig n s   with   k n o wn   n eu r o p ath o l o g ical   m ar k er s   o f   AD.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.