Multivariate detrending of fMRI signal drifts for real-time multiclass pattern classification
NeuroImage 108, 203-213Corresponding author
Abstract
Signal drift in functional magnetic resonance imaging (fMRI) is an unavoidable artifact that limits classification performance in multi-voxel pattern analysis of fMRI. As conventional methods to reduce signal drift, global demeaning or proportional scaling disregards regional variations of drift, whereas voxel-wise univariate detrending is too sensitive to noisy fluctuations. To overcome these drawbacks, we propose a multivariate real-time detrending method for multiclass classification that involves spatial demeaning at each scan and the recursive detrending of drifts in the classifier outputs driven by a multiclass linear support vector machine. Experiments using binary and multiclass data showed that the linear trend estimation of the classifier output drift for each class (a weighted sum of drifts in the class-specific voxels) was more robust against voxel-wise artifacts that lead to inconsistent spatial patterns and the effect of online processing than voxel-wise detrending. The classification performance of the proposed method was significantly better, especially for multiclass data, than that of voxel-wise linear detrending, global demeaning, and classifier output detrending without demeaning. We concluded that the multivariate approach using classifier output detrending of fMRI signals with spatial demeaning preserves spatial patterns, is less sensitive than conventional methods to sample size, and increases classification performance, which is a useful feature for real-time fMRI classification.
Korean summary
fMRI 신호에는 시간이 지나면서 서서히 변하는 드리프트가 불가피하게 섞여 있어 다중 복셀 패턴 분석의 분류 성능을 떨어뜨립니다. 기존의 전역 평균 제거는 부위별 드리프트 차이를 무시하고, 복셀 단위 추세 제거는 잡음에 지나치게 민감하다는 한계가 있습니다. 이 연구는 매 스캔마다 공간적 평균을 제거한 뒤, 다중 클래스 선형 서포트 벡터 머신 분류기의 출력에 나타나는 드리프트를 실시간으로 재귀적으로 제거하는 다변량 방법을 제안했습니다. 이진 및 다중 클래스 자료 실험에서 이 방법은 복셀 단위 추세 제거나 전역 평균 제거보다 인공물과 온라인 처리에 강건했고, 특히 다중 클래스에서 분류 성능이 유의하게 높았습니다. 공간 패턴을 보존하면서 표본 크기에 덜 민감하다는 점에서 실시간 fMRI 분류에 유용한 방법입니다.