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« Classification de graphesde connectivité du cerveau »

Romain Chion

encadré par: S. Achard, M. Desvignes, F. Forbes

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SOMMAIRE

PRESENTATION DU CONTEXTE

METHODES USUELLES

NOUVELLE METHODE

COMPARAISON DES RESULTATS

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CONTEXTE

METHODES

3

CONTEXTE

• Comment comparer les graphes entre eux?

• Est il possible de modéliser les graphes de connectivité cérébrale (GCC)?

• A quel point peut-on catégoriser les GCC?

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CONTEXTE

METHODES

4

MODELES GENERATIFS

Illustration « Small World », Collective dynamics of‘small-world’ networks, D. J. Watts & S. H. Strogatz

Illustration « Preferential Attachement », Choice-driven phasetransition in complex networks, P. L. Krapivsky and S. Redner

• Erdos-Renyi

• Forest Fire

• Kronecker

• Preferential Attachment

• Random k-regular

• Random Power Law

• Random Typing

• Small-World

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CONTEXTE

METHODES

5

COMPARAISON DE GRAPHES

• Tansformation d’un graphe vers un autreex : Distance d’édition

MESURES STRUCTURELLES

• Tendance des nœuds à se regrouper, distribution des degrés, chemins entre nœudsex : Clustering, Plus Court Chemin

MESURES LOCALES

(pour chaque nœud)

• Mesures locales moyennées, formation de noyaux et de communautésex : Assortativité, Centralité, Modularité, Diamètre

MESURES GLOBALES

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METHODES

APPORTS

6

Comptage de Graphlets

Ensemble d’apprentissage

Instance de graphe

Nombre de Graphlets

Classifieur

Modèle de graphe

entrée du classifieurapprentissage du classifieur

ETAT DE L’ART : JANSSEN et al. 2012

Nombre de Graphlets

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METHODES

APPORTS

7

ETAT DE L’ART : MOTALLEBI et al. 2013

Classifieurde Réseaux Complexes

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METHODES

APPORTS

8

MODELISATION DES GCC

Caractérisation des GCC vers 4 modèles(Erdos-Renyi, Preferential Attachement, Random k-regular, Small-World)

Classe Prédiction E-R P A R k-R S-W

Control Small-World 0.2502 0.2501 0.2492 0.2505

Patient Small-World 0.2502 0.2501 0.2492 0.2505

Résultat de la caractérisation avec mesures globales et classifieur SVM

Intervalle deconfiance ~25%

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METHODES

APPORTS

9

IDENTIFICATION DES GCC

true Control true Patient class precisionpred. Control 13 11 54.17%pred. Patient 7 6 46.15%

class recall 65.00% 35.29% 50.16%

Résultat de l’identification avec mesures globales et classifieur SVM

Précision de la méthode à 50.16%, aléatoire à 50%

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METHODES

APPORTS

PROBLEMATIQUE

« Les mesures globales ne sont pas représentatives du comportement local »

Histogrammes du coefficient de clustering local pour 3 modèles

10

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APPORTS

RESULTATS

HISTOGRAMME NORMALISE

11

• Clustering Coefficient

• Characteristic Path Length

• Degrees Distribution

• Efficiency

Ensemble d’apprentissage

Instance de réseau

Histogrammes normalisés moyens

Distances entreHistogrammes

Modèle de graphe

Histogramme desmesures locales

Histogrammenormalisé

minimum des distances ou un classifieur

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APPORTS

RESULTATS

DISTANCE ENTRE HISTOGRAMMES

12

• Mesure de (dis)semblance bin à bin :

Battacharyya :

Chi²

Hellinger :

• Mesure de dissemblance avec conservation de la silhouette :

Earth Mover Distance : Optimisation du travail minimum qu'un

cantonnier doit fournir pour transporter un tas de terre en un autre

Match : Comparaison des histogrammes cumulés

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RESULTATS

DONNEES DE SYNTHESES

13

Performances graphlets : 78% mesures globales : 88% à 97.3% 6 mesures voire plus mesures locales : 86% ou 100% 1 seule mesure

Precision

SW 100%

RPL 100%

RkR 100%

PA 100%

KG 100%

FF 100%

ER 100%

100%

Precision

SW 100%

RTG 96%

RPL 98%

PA 99%

KG 96%

FF 98%

ER 93%97.2%

Résultat de la classification

histogrammes mesures globales

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RESULTATS

GRAPHES DE CONNECTIVITES

14

GLOBALES

A.N.N.

C PC 11 9 55%P 5 12 71%

69% 57% 63%

mesures globales 63% V.S. 83% MAX histogrammes

Matrice de confusion de l’identification Control / Patient

HISTOGRAMME

CLUSTERINGET

CHI²

C PC 18 2 90%P 4 13 76%

82% 87% 83%

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RESULTATS

MODELISATION DES GCC

15

7 Clustering DegrésER 0,418 0,133FF 0,207 0,074KG 0,112 0,211RPL 0,156 0,088PA 0,437 0,242

RkR 0,459 0,183SW 0,103 0,238

Distance EMD entre GCC et modèles pour deux mesures locales

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RESULTATS

CLASSE MANQUANTE

16

Erdos-Renyi

FFRPL

Forest Fire

RPLSW

Kronecker Graph

FF

77%SW 23%RPL

Preferential Attachment

FFRPL

Random k-Regular

FFRPL

Random Power Law

FF

92% SW 8% PA

Small-World

FFRPL

Graphes de Connectivités

FFRPLPASW…

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RESULTATS

ROBUSTESSE N ET D

17

100 200 300 400 500 600 700 800 900 100011001200130014001500160017001800190020000,01 11% 10% 10% 14% 14% 12% 7% 6% 14% 11% 23% 29% 29% 30% 29% 34% 34% 36% 36% 45%0,02 12% 18% 18% 16% 20% 22% 30% 39% 41% 42% 43% 42% 42% 44% 42% 43% 43% 42% 42% 43%0,03 10% 19% 20% 27% 28% 41% 41% 45% 43% 43% 43% 42% 41% 40% 44% 43% 44% 43% 43% 43%0,04 17% 26% 32% 40% 43% 41% 44% 40% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 45% 43% 43% 43% 43% 42%0,05 16% 25% 41% 42% 41% 43% 42% 43% 38% 40% 43% 42% 42% 43% 42% 43% 42% 43% 43% 43%0,06 33% 41% 43% 44% 43% 42% 42% 46% 41% 43% 43% 43% 42% 43% 43% 43% 49% 43% 44% 43%0,07 36% 57% 54% 65% 62% 70% 67% 72% 71% 72% 69% 71% 68% 72% 85% 85% 83% 86% 84% 86%0,08 44% 69% 72% 72% 72% 75% 69% 86% 84% 86% 86% 86% 86% 86% 86% 86% 84% 86% 86% 86%0,09 41% 81% 85% 93% 96% 93% 90% 97% 94% 90% 86% 86% 84% 85% 71% 71% 70% 72% 71% 71%0,1 49% 88% 86% 100% 96% 100% 99% 84% 81% 85% 86% 86% 86% 86% 86% 86% 86% 86% 86% 86%

0,11 52% 99% 93% 90% 89% 91% 92% 78% 74% 72% 71% 71% 69% 71% 71% 71% 71% 71% 71% 71%0,12 62% 83% 85% 72% 71% 68% 72% 68% 74% 73% 72% 71% 71% 71% 72% 71% 71% 72% 71% 71%0,13 62% 64% 70% 64% 68% 68% 71% 68% 67% 67% 70% 66% 69% 57% 65% 61% 56% 43% 48% 43%0,14 59% 57% 48% 43% 43% 44% 44% 44% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43%0,15 54% 49% 45% 49% 42% 42% 45% 42% 42% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43%0,16 45% 44% 43% 43% 44% 45% 42% 44% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 42% 43% 43%0,17 42% 41% 41% 40% 42% 42% 42% 42% 43% 44% 43% 43% 42% 41% 41% 42% 42% 41% 39% 39%0,18 45% 43% 44% 43% 43% 45% 42% 42% 43% 42% 43% 41% 41% 37% 40% 37% 34% 32% 31% 31%0,19 44% 45% 43% 39% 43% 42% 41% 42% 42% 40% 36% 33% 30% 32% 29% 29% 29% 29% 29% 29%0,2 43% 43% 41% 45% 41% 41% 40% 35% 30% 35% 31% 29% 29% 29% 29% 29% 29% 29% 29% 29%

nombre de nœuds croissant

den

sité

cro

issa

nte

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RESULTATS

ROBUSTESSE APPRENTISSAGE

18

CROSS-VALIDATION en d100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 200067% 70% 67% 69% 70% 71% 73% 75% 74% 77% 77% 78% 77% 78% 79% 80% 80% 78% 79% 81%

CROSS-VALIDATION en nd = 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,2

PREC 76% 82% 95% 97% 97% 97% 99% 99% 99% 99% 97% 99% 98% 99% 99% 99% 99% 99% 99% 99%MIN

PREC. 32% 31% 80% 88% 89% 91% 96% 96% 96% 96% 91% 93% 92% 94% 97% 96% 96% 98% 98% 98%MIN

CLASS. ER ER FF FF KG KG KG SW SW SW KG SW SW SW SW SW SW SW SW SW

densité croissante

nombre de nœuds croissant

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RESULTATS

RANDOMISATION

19

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90%ER 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100%FF 100% 100% 97% 97% 100% 97% 100% 100% 100% 100% 100% 97% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100%KG 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100%PA 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100%

RkR 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100%RPL 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100%SW 100% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

randomisation croissante

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RESULTATS

PCA : RESULTATS

20

PC 1 0.415 0.750 0.750PC 2 0.170 0.126 0.876PC 3 0.132 0.076 0.952PC 4 0.101 0.044 0.996PC 5 0.028 0.004 0.999PC 6 0.011 0.000 1.000PC 7 0.003 0.000 1.000

NBR DE COMPOSANTES PRINCIPALES

VARIANCE CUMULEE

STRD DEV %VAR ΣVAR

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CROSS-VALIDATION d : 5 à 16% d’augmentation moyenne grimpe de 75 à 84%RESULTATS

PCA : ROBUSTESSE

21

14% 14% 14% 2% 0% 20% 11% 5% 14% 15% 14% 15% 15% 15% 15% 17% 17% 20% 23%

1% 14% 25% 15% 20% 28% 25% 24% 19% 36% 36% 37% 37% 40% 40% 55% 43% 42% 43%

6% 26% 31% 30% 35% 43% 46% 63% 62% 64% 63% 58% 60% 61% 67% 61% 66% 63% 61%

27% 34% 42% 45% 53% 55% 60% 66% 67% 67% 66% 68% 66% 64% 63% 51% 55% 57% 55%

31% 43% 48% 57% 59% 60% 63% 70% 66% 69% 71% 70% 70% 71% 71% 58% 70% 78% 70%

32% 51% 56% 69% 70% 66% 68% 72% 71% 74% 72% 86% 86% 85% 84% 71% 85% 86% 83%

34% 62% 68% 71% 70% 71% 83% 86% 87% 86% 86% 85% 84% 85% 86% 79% 84% 86% 86%

36% 67% 67% 79% 85% 86% 86% 86% 84% 86% 86% 86% 86% 86% 86% 86% 85% 86% 86%

40% 76% 94% 99% 100% 100% 98% 99% 99% 100% 100% 100% 99% 100% 94% 96% 96% 83% 82%

46% 96% 99% 100% 98% 100% 99% 98% 98% 98% 100% 100% 100% 100% 88% 88% 87% 88% 86%

52% 100% 96% 100% 99% 100% 100% 95% 94% 92% 93% 96% 92% 91% 86% 86% 86% 86% 86%

57% 98% 100% 99% 100% 98% 87% 73% 74% 77% 75% 72% 72% 73% 72% 71% 71% 72% 71%

58% 80% 85% 68% 73% 67% 70% 57% 55% 59% 57% 57% 57% 58% 58% 57% 57% 57% 57%

61% 64% 69% 64% 66% 61% 63% 59% 58% 58% 57% 57% 58% 57% 57% 57% 57% 58% 57%

65% 57% 67% 62% 59% 60% 58% 56% 58% 57% 57% 58% 57% 57% 58% 58% 58% 58% 57%

68% 59% 61% 53% 56% 57% 57% 58% 58% 57% 57% 57% 57% 57% 57% 57% 58% 57% 57%

66% 56% 56% 42% 45% 52% 57% 57% 57% 58% 57% 58% 57% 57% 57% 57% 57% 57% 57%

62% 57% 61% 43% 43% 47% 54% 58% 58% 55% 57% 57% 57% 57% 58% 58% 58% 57% 57%

60% 58% 57% 43% 43% 43% 44% 49% 54% 47% 46% 56% 57% 57% 57% 57% 57% 56% 57%

57% 59% 52% 46% 43% 42% 43% 42% 41% 43% 44% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43%

11% 10% 10% 14% 14% 12% 7% 6% 14% 11% 23% 29% 29% 30% 29% 34% 34% 36% 36%

12% 18% 18% 16% 20% 22% 30% 39% 41% 42% 43% 42% 42% 44% 42% 43% 43% 42% 42%

10% 19% 20% 27% 28% 41% 41% 45% 43% 43% 43% 42% 41% 40% 44% 43% 44% 43% 43%

17% 26% 32% 40% 43% 41% 44% 40% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 45% 43% 43% 43% 43%

16% 25% 41% 42% 41% 43% 42% 43% 38% 40% 43% 42% 42% 43% 42% 43% 42% 43% 43%

33% 41% 43% 44% 43% 42% 42% 46% 41% 43% 43% 43% 42% 43% 43% 43% 49% 43% 44%

36% 57% 54% 65% 62% 70% 67% 72% 71% 72% 69% 71% 68% 72% 85% 85% 83% 86% 84%

44% 69% 72% 72% 72% 75% 69% 86% 84% 86% 86% 86% 86% 86% 86% 86% 84% 86% 86%

41% 81% 85% 93% 96% 93% 90% 97% 94% 90% 86% 86% 84% 85% 71% 71% 70% 72% 71%

49% 88% 86% 100% 96% 100% 99% 84% 81% 85% 86% 86% 86% 86% 86% 86% 86% 86% 86%

52% 99% 93% 90% 89% 91% 92% 78% 74% 72% 71% 71% 69% 71% 71% 71% 71% 71% 71%

62% 83% 85% 72% 71% 68% 72% 68% 74% 73% 72% 71% 71% 71% 72% 71% 71% 72% 71%

62% 64% 70% 64% 68% 68% 71% 68% 67% 67% 70% 66% 69% 57% 65% 61% 56% 43% 48%

59% 57% 48% 43% 43% 44% 44% 44% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43%

54% 49% 45% 49% 42% 42% 45% 42% 42% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43%

45% 44% 43% 43% 44% 45% 42% 44% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 43% 42% 43%

42% 41% 41% 40% 42% 42% 42% 42% 43% 44% 43% 43% 42% 41% 41% 42% 42% 41% 39%

45% 43% 44% 43% 43% 45% 42% 42% 43% 42% 43% 41% 41% 37% 40% 37% 34% 32% 31%

44% 45% 43% 39% 43% 42% 41% 42% 42% 40% 36% 33% 30% 32% 29% 29% 29% 29% 29%

43% 43% 41% 45% 41% 41% 40% 35% 30% 35% 31% 29% 29% 29% 29% 29% 29% 29% 29%

CROSS-VALIDATION n : Jusqu’à 5% d’augmentation moyenne grimpe de 96 à 97%

AVANT APRES

Page 22: Presentation Stage Graphe de Connectivité du Cerveau 2014 (FR)

gipsa-lab

RESULTATS

PCA : INTERPRETATION

22

CO

MP

OS

AN

TE

2

COMPOSANTE 1

Biplot: représentation visuelle

RANDOM POWER LAW

COMPONENT 1

SMALL WORLD

FOREST FIRE

PREF ATTACHMENT

ERDOS RENYI

K REGULAR

VECTEURS DES ANCIENNES VARIABLES

Page 23: Presentation Stage Graphe de Connectivité du Cerveau 2014 (FR)

gipsa-lab

CONCLUSION

De bonnes performances sur les graphes de synthèse

Les histogrammes locaux sont importants

Le clustering local est particulièrement intéressant

Dépendant du nombre et du choix des modèles

Les résultats sur les données réelles sontà approfondir

Une combinaison des modèles est à envisager


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