拡散によるデータ拡張を用いた課題ガイド付き時空間ネットワーク:EEGによる認知症診断とMMSE予測

arXiv cs.LG / 2026/4/28

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要点

  • 本論文は、EEG信号から認知症を診断しMMSEスコアを予測するための課題ガイド付き時空間ネットワーク(TGSN)を提案し、認知機能低下と神経生理の関連性を背景にしています。
  • 従来のマルチタスク学習で起きがちな負の転移(タスク干渉)を抑えるために、課題ガイド付きクエリモジュールによるタスク固有の特徴抽出と、長距離の空間依存および時間ダイナミクスを捉えるゲート付き時空間アテンション機構を用います。
  • さらに、EEGのマルチバンド特徴融合で補完的な周波数情報を取り込み、拡散プロセスによる事前学習データ拡張でサンプル多様性を高める設計になっています。
  • 実験ではXY02データセットで先行手法を上回り、AD/FTDで97.78%、AD/FTD/VCIで83.93%の分類精度、MMSE予測のRMSE(1.93および2.38)の低減が報告されています。
  • DS004504データセットでの評価により、元の学習データを超えた横断的な汎化の良好さも示唆されています。

Abstract

Patients with dementia typically exhibit cognitive impairment, which is routinely assessed using the Mini-Mental State Examination (MMSE). Concurrently, their underlying neurophysiological abnormalities are reflected in Electroencephalography (EEG), providing a basis for joint modeling. However, traditional multi-task approaches suffer from feature entanglement, which leads to inter-task interference when handling heterogeneous objectives.To address this challenge, we propose a task-guided spatiotemporal network (TGSN) with diffusion augmentation for EEG-based dementia diagnosis and MMSE prediction. Specifically, TGSN integrates a multi-band feature fusion module to capture complementary spectral information from EEG. Meanwhile, a pre-trained data augmentation module utilizing a diffusion process is introduced toincrease sample diversity. To model the complex spatiotemporal patterns of EEG, we propose a gated spatiotemporal attention module that captures long-range spatial dependencies and temporal dynamics. Moreover, we design a task-guided query module to achieve task-specific feature extraction, thereby mitigating task interference. The effectiveness of TGSN is evaluated on the XY02 dataset. Experimental results demonstrate that the proposed network outperforms several state-of-the-art methods, achieving classification accuracies of 97.78\% for Alzheimer's Disease (AD)/Frontotemporal Dementia (FTD) and 83.93\% for AD/FTD/Vascular Cognitive Impairment (VCI), which exceed the best baselines by 16.39\% and 8.28\%, respectively. In parallel, it reduces the RMSE for MMSE prediction to 1.93 and 2.38, achieving significant error reductions of 1.44 and 1.43 compared to the best baselines. Additionally, validation on the DS004504 dataset demonstrates strong cross-dataset generalization...

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