Articolo di revisione

Una revisione approfondita dei metodi di machine learning e deep learning per la diagnosi e l'analisi dei disturbi dello spettro autistico

DOI:

10.3791/71972

17 luglio 2026

In questo articolo

Sommario

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Questa revisione valuta 50 studi recenti che applicano il machine learning e il deep learning alla diagnosi del disturbo dello spettro autistico (ASD). Approcci multimodali che integrano neuroimaging, dati comportamentali e biologici hanno dimostrato un miglioramento delle prestazioni. Le sfide principali includono interpretabilità, scalabilità ed eterogeneità dei dati. Gli sforzi futuri dovrebbero concentrarsi su sistemi di IA spiegabili, che preservino la privacy e che siano clinicamente traducibili.

Abstract

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Il disturbo dello spettro autistico (ASD) è una condizione neuroevolutiva eterogenea caratterizzata da profili comportamentali, cognitivi, sensoriali e comunicativi diversi, rendendo difficili la diagnosi precoce e l'intervento personalizzato. I recenti progressi nel machine learning (ML) e nel deep learning (DL) hanno permesso lo sviluppo di strumenti computazionali per lo screening, la classificazione, la valutazione della gravità e il monitoraggio degli interventi dell'ASD. Questa revisione sintetizza i risultati di 50 studi recenti che hanno applicato tecniche di ML e DL a dataset correlati all'ASD, inclusi elettroencefalografia (EEG), eye-tracking, video comportamentali, microbioma, acustica vocale, dati demografici e multimodali. La revisione affronta tre domande chiave: (i) quali modalità di dati e approcci computazionali sono più frequentemente utilizzati, (ii) come vengono valutate le prestazioni diagnostiche attraverso diversi disegni di studio e (iii) quali sfide metodologiche limitano la traduzione clinica. La letteratura è organizzata in base alla modalità dei dati, all'approccio algoritmico e alla prontezza clinica. Gli approcci esaminati includono metodi convenzionali di ML, reti neurali convoluzionali, reti neurali a grafi, architetture ibride di deep learning, apprendimento federato, intelligenza artificiale spiegabile, analisi topologica dei dati e fusione multimodale. I risultati suggeriscono che gli approcci multimodali e basati su grafi forniscono una rappresentazione più completa dei fenotipi ASD rispetto ai metodi monomodali. L'apprendimento spiegabile e la preservazione della privacy sono emersi anche come considerazioni importanti per l'impiego clinico. Tuttavia, molti modelli ad alte prestazioni segnalati si basano su dimensioni di campioni ridotte, uso ripetuto del dataset ABIDE, squilibri di classe, validazione su sito singolo o test esterni limitati, sollevando preoccupazioni riguardo alla generalizzabilità. Oltre all'accuratezza diagnostica, questa revisione valuta l'interpretabilità del modello, la calibrazione, la scalabilità, il rigore della validazione e l'applicabilità clinica. Nel complesso, l'analisi evidenzia la necessità di benchmark standardizzati, dataset multimodali validati esternamente, metriche di valutazione clinicamente rilevanti e sistemi di supporto decisionale che completino piuttosto che sostituiscano la valutazione clinica esperta nella diagnosi e gestione dell'ASD.

Introduzione

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Il disturbo dello spettro autistico (ASD) è una complessa condizione neuroevolutiva caratterizzata da deficit nella comunicazione sociale, interessi limitati e comportamenti ripetitivi. La natura eterogenea dell'ASD e la sua sovrapposizione con altri disturbi neuroevolutivi rendono la diagnosi e la valutazione clinica particolarmente impegnative. Gli approcci diagnostici tradizionali si basano principalmente su osservazioni comportamentali e valutazioni cliniche, che possono contribuire a un ritardo nella diagnosi e alla variabilità degli esiti clinici. L'identificazione precoce e accurata dell'ASD è essenziale perché un intervento tempestivo ha dimostrato di migliorare significativamente il funzionamento cognitivo, sociale e adattivo. I recenti progressi nell'intelligenza artificiale (IA), in particolare nel machine learning (ML) e nel deep learning (DL), hanno ampliato le opportunità di sviluppare approcci oggettivi e basati sui dati per la diagnosi e l'analisidell'ASD 1,2,3.

Le tecniche di ML e DL permettono l'analisi di dataset ad alta dimensione derivati da risonanza magnetica funzionale (fMRI), elettroencefalografia (EEG), eye-tracking, valutazioni comportamentali, segnali del parlato e altri marcatori biologici. Questi approcci hanno dimostrato un notevole potenziale per lo screening, la classificazione, la previsione della gravità e il monitoraggio degli interventi per l'ASD. Studi recenti hanno riportato risultati incoraggianti utilizzando modelli basati su neuroimaging, analisi comportamentale, framework di apprendimento multimodale e architetture che preservano la privacy per il rilevamento e la valutazione dell'ASD 4,5,6. Tuttavia, il corpus letterario in rapida espansione rimane altamente frammentato perché molti studi si concentrano su modalità dati individuali, algoritmi specifici o obiettivi clinici isolati, rendendo difficile il confronto diretto di metodologie e risultati.

Nonostante i progressi sostanziali, diverse sfide continuano a limitare la traduzione clinica dei sistemi diagnostici ASD basati su IA. Molti modelli pubblicati sono sviluppati utilizzando dataset relativamente piccoli, coorti a sito singolo o procedure di validazione limitate, sollevando preoccupazioni riguardo alla generalizzabilità e all'applicabilità nel mondo reale. Inoltre, questioni relative all'interpretabilità, all'efficienza computazionale, alla scalabilità, all'equità e alla privacy dei dati restano importanti barriere all'adozione clinica. Le revisioni esistenti si sono tipicamente concentrate su metodologie specifiche o singole fonti di dati, spesso trascurando le relazioni più ampie tra modalità dei dati, progettazione algoritmica, rigore di validazione e prontezza clinica.

Per colmare queste lacune, questa revisione di ambito sintetizza evidenze provenienti da 50 studi recenti che hanno applicato tecniche di machine learning (ML) e deep learning (DL) alla diagnosi e analisi del disturbo dello spettro autistico (ASD). La letteratura revisionata comprende un ampio spettro di approcci computazionali e modalità di data, inclusi metodi basati su neuroimaging che utilizzano risonanza magnetica funzionale e strutturale (fMRI/sMRI), elettroencefalografia (EEG), analisi comportamentale e dello sguardo, elaborazione fisiologica del segnale, valutazione del parlato e acustico vocale, biomarcatori basati sul microbioma e framework di apprendimento multimodale. Studi recenti hanno esplorato approcci convenzionali di machine learning come le macchine a vettori di supporto e le foreste casuali, oltre a architetture avanzate di deep learning tra cui reti neurali convoluzionali, reti neurali a grafo, transfer learning, modelli basati sull'attenzione, framework di apprendimento federato, intelligenza artificiale spiegabile e approcci di analisi topologicadei dati 1,2,3,4,5,6 ,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16.

Gli studi esaminati dimostrano inoltre la crescente diversità delle fonti di dati e degli obiettivi analitici legati all'ASD. Le indagini hanno esaminato l'eterogeneità neuroanatomica, i modelli di connettività funzionale, la valutazione comportamentale, lo screening basato sulla realtà virtuale, il monitoraggio fisiologico, l'analisi EEG, la classificazione basata su elettroretinogramma, il profiling del microbioma, la metabolomica, l'acustica del linguaggio e la fusione multimodale dei dati per la diagnosi, la previsione della gravità, il monitoraggio dell'intervento e l'identificazione dei sottotipi 17,18,19,20. 21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35 . Questi sviluppi riflettono uno spostamento dai modelli diagnostici monomodali verso quadri integrativi capaci di catturare le manifestazioni cliniche eterogenee dell'ASD.

Oltre a riassumere la performance diagnostica, questa revisione valuta la relazione tra modalità dei dati, progettazione algoritmica, rigore di validazione, interpretabilità, scalabilità e applicabilità clinica. Si presta particolare attenzione agli approcci emergenti come l'apprendimento federato, la modellazione basata su grafi, la fusione multimodale, l'intelligenza artificiale spiegabile, i framework di apprendimento che preservano la privacy, le tecnologie di realtà estesa e la diagnostica di precisione guidata dabiomarcatori 36,37,38,39,40,41,42,43,44, 45,46,47,48,49,50. Integrando le evidenze attraverso modalità, algoritmi e strategie di validazione, questa revisione fornisce un benchmark strutturato delle tecnologie diagnostiche attuali dell'ASD, mettendo in evidenza punti di forza metodologici, limitazioni e considerazioni sulla qualità delle evidenze. L'analisi va oltre l'accuratezza riportata includendo interpretabilità, validazione esterna, prontezza clinica e fattibilità di implementazione, offrendo così un quadro per valutare il potenziale traslazionale dei sistemi diagnostici ASD guidati dall'IA. In definitiva, questa revisione mira a identificare le tendenze attuali della ricerca, evidenziare le lacune esistenti e delineare le direzioni future per lo sviluppo di soluzioni di IA scalabili, interpretabili e clinicamente traducibili per la valutazione e la gestione dell'ASD.

Metodologia di revisione

Questo studio è stato condotto come revisione di ambito per fornire una panoramica completa degli approcci recenti di machine learning (ML) e deep learning (DL) applicati alla diagnosi e analisi del disturbo dello spettro autistico (ASD). È stata scelta una metodologia di revisione a scoping perché la letteratura disponibile è altamente eterogenea tra modalità dati, obiettivi clinici, quadri algoritmici, dataset, strategie di validazione e misure di risultato riportate.

Gli studi esaminati hanno coinvolto un'ampia gamma di fonti di dato, tra cui neuroimaging, elettroencefalografia (EEG), eye-tracking, valutazioni comportamentali, segnali del linguaggio, profili del microbioma e dataset multimodali. Poiché esistevano differenze sostanziali tra popolazioni di studio, standard di riferimento, metriche di performance e disegni sperimentali, una meta-analisi quantitativa è stata ritenuta inappropriata. Invece, l'obiettivo di questa revisione era mappare il panorama attuale della ricerca, identificare le tendenze metodologiche, confrontare gli approcci computazionali, valutare la qualità delle evidenze e valutare la prontezza clinica dei sistemi ML e DL per la diagnosi e il monitoraggio dell'ASD.

Gli studi inclusi sono stati analizzati in base alla modalità dei dati, alla metodologia di machine learning, alla strategia di validazione, alle prestazioni diagnostiche, all'interpretabilità, alla scalabilità e al potenziale di traduzione clinica. Particolare attenzione è stata data ad aree emergenti come l'apprendimento multimodale, l'intelligenza artificiale spiegabile, l'apprendimento federato, la modellazione basata su grafi e i framework diagnostici che preservano la privacy.

Domande di ricerca

Questa revisione di ambito è stata guidata da tre domande generali. Innanzitutto, ha esaminato quali modalità di dati correlate all'ASD e approcci di machine learning/deep learning (ML/DL) siano stati più frequentemente impiegati per screening, diagnosi, previsione della gravità e monitoraggio degli interventi. In secondo luogo, ha valutato come le prestazioni del modello, le strategie di validazione, l'interpretabilità e la scalabilità siano state riportate nei recenti studi sull'intelligenza artificiale ASD. In terzo luogo, ha indagato i limiti metodologici, le preoccupazioni relative alla qualità delle evidenze e le barriere alla traduzione clinica che continuano a influenzare l'adozione di sistemi basati su ML/DL per la diagnosi e la gestione dell'ASD. Collettivamente, queste domande forniscono un quadro per sintetizzare le tendenze attuali della ricerca, valutare i punti di forza e le debolezze degli approcci esistenti e identificare priorità per lo sviluppo futuro di soluzioni di IA clinicamente applicabili per l'ASD.

Strategia di ricerca e fonti informative

È stata condotta una ricerca nella letteratura su IEEE Xplore, PubMed/MEDLINE, Scopus, Web of Science, ScienceDirect, SpringerLink e Google Scholar. La ricerca si è concentrata su studi pubblicati tra il 2022 e il 2025 per raccogliere i recenti progressi nel machine learning (ML), deep learning (DL), aprendaggio federato, reti neurali a grafo, fusione multimodale e intelligenza artificiale spiegabile (XAI) per la diagnosi e analisi del disturbo dello spettro autistico (ASD).

La strategia di ricerca combinava termini relativi all'ASD, metodologie di intelligenza artificiale, obiettivi diagnostici e modalità di dati. La query di ricerca principale includeva i termini: ("disturbo dello spettro autistico" O ASD O autismo) E ("machine learning" O "deep learning" O "intelligenza artificiale" O CNN O GNN O SVM o "foresta casuale" O "apprendimento federato" O "intelligenza artificiale spiegabile") E (diagnosi O screening O classificazione O previsione O gravità O intervento) E (fMRI o RM o EEG o "eye tracking" o video O microbioma O voce O multimodale). La sintassi di ricerca è stata adattata secondo necessità per i singoli database.

Per migliorare la copertura degli studi e ridurre il rischio di mancanza di pubblicazioni rilevanti, le liste di riferimento degli articoli di revisione idonei e degli studi di ricerca primaria sono stati controllati manualmente per ulteriori registri. L'ultimo insieme di studi è stato selezionato sulla base dei criteri di idoneità predefiniti descritti di seguito.

Criteri di ammissibilità

Gli studi sono stati selezionati secondo criteri predefiniti di inclusione ed esclusione per garantire la rilevanza per applicazioni di machine learning e deep learning focalizzate sull'ASD, la qualità metodologica e l'applicabilità clinica. I criteri di idoneità utilizzati per la selezione degli studi sono riassunti nella Tabella 1.

Procedura di screening

I titoli e gli abstract dei record recuperati sono stati inizialmente esaminati per valutarne la rilevanza per il disturbo dello spettro autistico (ASD), le metodologie dell'intelligenza artificiale e gli obiettivi diagnostici o analitici. Gli articoli a testo completo sono stati successivamente esaminati per confermare l'idoneità e per estrarre informazioni riguardanti le popolazioni di studio, le fonti di dati, gli approcci computazionali, le strategie di validazione e le misure di esito riportate. I record duplicati e gli studi con contenuti sovrapposti sono stati esclusi prima della sintesi finale. Quando più studi utilizzavano lo stesso dataset (ad esempio, ABIDE), venivano mantenuti solo studi con architetture di modello distinte, rappresentazioni di caratteristiche, framework di validazione o obiettivi clinici per evitare ridondanza e garantire una valutazione completa della diversità metodologica.

Estrazione e sintesi dei dati

I dati sono stati estratti da ciascuno studio incluso utilizzando un approccio strutturato. Le informazioni estratte includevano autore e anno di pubblicazione, modalità dei dati, dataset o fonte, dimensione del campione quando disponibile, popolazione target o fascia d'età, compito correlato all'ASD, algoritmo o tipo di modello, metodo di estrazione delle caratteristiche, strategia di validazione, metriche di performance riportate, approccio interpretabile, stato di validazione esterna, limitazioni dichiarate e applicabilità clinica. Gli studi sono stati poi sintetizzati in base alla modalità dei dati, alla categoria algoritmica, allo scopo clinico, al disegno di validazione e alla qualità delle evidenze, invece di essere classificati esclusivamente in base alle prestazioni riportate.

Valutazione della qualità e valutazione del rischio di pregiudizio

È stata condotta una valutazione metodologica per valutare il potenziale bias, la qualità delle evidenze e la prontezza clinica. Ogni studio è stato valutato in base all'adeguatezza della dimensione del campione, all'equilibrio delle classi, alla dipendenza da dataset di benchmark ripetuti come ABIDE, al rischio di perdita di dati tra le fasi di pre-elaborazione e validazione, al tipo di validazione incrociata o esterna, alla reportistica della calibrazione, all'equità demografica per età e genere, all'interpretabilità, alla riproducibilità e alla fattibilità del deployment. Gli studi che riportavano un'accuratezza molto elevata venivano interpretati con cautela a meno che non fossero supportati da una dimensione adeguata, test indipendenti, procedure di controllo delle perdite e metodi di validazione trasparenti.

Rendicontazione delle metriche di performance

Il confronto rivisto includeva solo metriche esplicitamente riportate negli studi originali. Quando una metrica non era disponibile, veniva contrassegnata come NR, indicando "non riportata", invece di essere stimata o approssimata. I confronti tra studi sono stati interpretati qualitativamente perché gli studi inclusi differivano sostanzialmente per dimensione del dataset, obiettivo clinico, strategia di validazione, metodologia, fascia d'età e standard di riferimento. Pertanto, i valori di accuratezza riportati non sono stati trattati come indicatori direttamente comparabili della superiorità del modello. Le tabelle aggiornate distinguono la performance predittiva dalla qualità delle prove includendo la popolazione target, la dimensione del dataset, il metodo di validazione, lo stato di validazione esterna e i limiti chiave.

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Revisione e prospettiva

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Il disturbo dello spettro autistico (ASD) è una condizione neuroevolutiva eterogenea caratterizzata da deficit nella comunicazione sociale e da schemi comportamentali limitatio ripetitivi 1. I recenti progressi nel machine learning (ML) e nel deep learning (DL) hanno permesso l'analisi di diverse modalità di dati legate all'ASD, tra cui neuroimaging, valutazioni comportamentali, segnali fisiologici e marcatori biologici. Le sezioni seguenti sintetizzano gli sviluppi chiave nella ricerca sull'ASD basata su ML/DL secondo modalità dei dati, approccio metodologico e applicazioneclinica 1.

Approcci basati su neuroimaging

L'imaging a risonanza magnetica funzionale (fMRI) e l'elettroencefalografia (EEG) sono tra le modalità più utilizzate per la classificazione ASD utilizzando approcci di machine learning (ML) e deep learning (DL). Gupta et al.1 hanno sviluppato un modello di rete neurale convoluzionale quantizzata (Q-CNN) per classificare i dati fMRI dal dataset ABIDE-1, raggiungendo un'accuratezza del 98%. Lo studio ha utilizzato l'incorporamento dello spazio tangente per l'estrazione delle caratteristiche e l'apprendimento federato integrato (FL) per preservare la privacy dei dati, dimostrando il potenziale di framework diagnostici leggeri e che preservano la privacy per applicazioni reali. Analogamente, Zhao et al.4hanno introdotto un framework di rete di connettività funzionale di alto ordine basato su cluster (Ho-FCN) che ha catturato interazioni dinamiche tra più regioni cerebrali e ha raggiunto un'accuratezza dell'86,2%.

La spiegazione è emersa come una considerazione importante per l'adozione clinica di modelli diagnostici basati su neuroimaging. Jung et al.10 hanno presentato un quadro di selezione della regione di interesse (ROI) guidato dalla spiegabilità, che identificava associazioni funzionali di alto ordine tra regioni cerebrali e superava i modelli convenzionali di connettività funzionale di basso ordine. Inoltre, Han et al.9hanno studiato un framework multimodale che combinava dati EEG e eye-tracking (ET) utilizzando autoencoder stacked denoiseing. Integrando informazioni neurofisiologiche e comportamentali complementari, l'approccio proposto ha ottenuto un miglioramento delle prestazioni diagnostiche rispetto ai metodi monomodalità.

Analisi comportamentale e dello sguardo

I dati comportamentali, in particolare i modelli di movimento oculare e le espressioni facciali, sono stati ampiamente studiati come indicatori oggettivi di caratteristiche correlate all'ASD. Artiran et al.3 hanno sviluppato un sistema di valutazione basato sulla realtà virtuale (VR) per valutare il comportamento dello sguardo durante colloqui di lavoro simulati. Utilizzando tecniche avanzate di elaborazione del segnale e clustering, lo studio ha fornito spunti sulla modulazione sociale dello sguardo tra individui neurotipici e neurodivergenti. Allo stesso modo, Zhang et al.5 hanno utilizzato dinamiche facciali e tecniche di apprendimento a poche foto per classificare i tratti ASD dai video di intervista dell'Autism Diagnostic Observation Schedule (ADOS), ottenendo un'accuratezza del 91,72%.

Gli approcci precoci di screening hanno inoltre dimostrato un notevole potenziale per l'identificazione dell'ASD. Liu et al.7 hanno convalidato un protocollo di Risposta alle Istruzioni (RTI) basato sulla vista per i bambini piccoli e hanno riportato un accordo del 95% con le diagnosi cliniche. Collettivamente, questi studi evidenziano il potenziale dell'analisi comportamentale basata sul machine learning per migliorare la scalabilità, l'obiettività e l'automazione dello screening e della valutazione dell'ASD.

Metodi multimodali e ibridi

L'integrazione di modalità di dati eterogenee migliora la robustezza e la generalizzazione dei modelli di classificazione ASD. Han et al.9 hanno sviluppato un quadro multimodale che combinava dati EEG e eye-tracking (ET), dimostrando un miglioramento delle prestazioni diagnostiche sfruttando informazioni neurofisiologiche e comportamentali complementari. Analogamente, Xiao et al.14 hanno utilizzato la risonanza magnetica strutturale (MRI) per estrarre le caratteristiche di flusso multilivello legate all'ASD. Il loro framework di apprendimento per la rappresentazione mista a norma e a margine ha affrontato le sfide associate all'eterogeneità dei dati e agli spazi di caratteristiche ad alta dimensione, raggiungendo un'area sotto la curva (AUC) di 0,907.

Approcci ibridi che integrano informazioni biologiche e ambientali sono emersi anche come strategie promettenti per la diagnosi dell'ASD. Peralta-Marzal et al.24 hanno analizzato i profili del microbioma intestinale utilizzando la selezione ricorsiva delle caratteristiche dell'ensemble (REFS), identificando taxa batterici associati all'ASD e ottenendo un AUC di 0,816. Collettivamente, questi studi evidenziano il potenziale dei framework multimodali e ibridi per migliorare la precisione diagnostica integrando fonti di informazione complementari oltre i soliti dati di neuroimaging convenzionali.

Innovazioni computazionali

Diversi studi si sono concentrati sul miglioramento dell'efficienza computazionale, della scalabilità e della robustezza dei modelli diagnostici per l'ASD. Sravani e Kuppusamy12 hanno sviluppato una rete neurale convoluzionale profonda (DCNN) ottimizzata integrata con l'algoritmo Dipper-Throated Particle Swarm Optimization (DTPSO), raggiungendo una precisione del 95,9%. Il framework proposto migliorava le prestazioni di ottimizzazione delle caratteristiche e classificazione, dimostrando il potenziale delle tecniche di ottimizzazione ibrida per il rilevamento dell'ASD.

Gli sforzi sono stati inoltre diretti allo sviluppo di sistemi diagnostici che preservino la privacy ed efficiano le risorse. Farooq et al.20 hanno applicato l'apprendimento federato (FL) per la rilevazione dell'ASD, riportando accuratezze del 98% per i bambini e dell'81% per gli adulti. Consentendo l'addestramento decentralizzato dei modelli senza condivisione diretta dei dati, l'approccio ha dimostrato la fattibilità di implementare sistemi diagnostici ASD basati su IA in ambienti con risorse limitate e sensibili alla privacy.

Tecnologie emergenti

Le tecnologie emergenti, tra cui dispositivi indossabili, sistemi assistivi e ambienti virtuali immersivi, hanno ampliato il campo di valutazione e intervento per l'ASD. Jayanthi et al.23hanno proposto un sistema di monitoraggio basato su machine learning che utilizzava dati fisiologici dei sensori per valutare i livelli di stress negli individui con ASD, evidenziando il potenziale delle tecnologie indossabili per supportare il monitoraggio della salute mentale e la cura personalizzata. Analogamente, Robles et al.6 hanno sviluppato una piattaforma basata sulla realtà virtuale (VR) per lo screening e la classificazione dell'ASD, dimostrando il valore degli ambienti immersivi per la valutazione comportamentale e il supporto diagnostico.

Nonostante questi progressi, diverse sfide continuano a limitare l'ampia adozione clinica dei sistemi diagnostici ASD basati su IA. Come riassunto nella Tabella 2, le questioni relative all'eterogeneità dei dati, alla generalizzabilità dei modelli e all'interpretabilità restano preoccupazioni significative. Per affrontare queste limitazioni, Kunda et al.11 hanno sottolineato l'importanza di grandi dataset multi-siti, mentre Fu et al.17hanno proposto approcci di sottotipizzazione specifici per età, per catturare meglio l'eterogeneità dello sviluppo dell'ASD. Inoltre, la traduzione efficace degli strumenti diagnostici basati su ML nella pratica clinica richiederà protocolli di validazione standardizzati, quadri di segnalazione trasparenti e un'attenta considerazione dei requisiti etici, sulla privacy e normativi.

Analisi comportamentale e fisiologica del segnale

Le analisi comportamentali e fisiologiche dei segnali si sono emerse come approcci promettenti per la diagnosi e lo screening dell'ASD. Jin et al.27 hanno condotto una meta-analisi delle tecniche di machine learning basate su video domestico e hanno riportato valori aggregati di sensibilità e specificità di 0,90 e 0,87, rispettivamente, evidenziando il potenziale di approcci scalabili e accessibili per la rilevazione precoce dell'ASD. In un altro studio, Manjur et al.29 hanno utilizzato segnali elettroretinografici per differenziare tra ASD, disturbo da deficit di attenzione/iperattività (ADHD) e individui in sviluppo tipico, dimostrando l'utilità dei biomarcatori fisiologici per la classificazione dei disturbi neurosviluppativi.

Anche gli approcci diagnostici basati sull'EEG hanno mostrato risultati incoraggianti. Singh eKakkar 38 hanno proposto il modello Chronological Sewing Training Optimization–Deep Residual Network (CSTO-DRN) per il rilevamento dell'ASD utilizzando segnali EEG, raggiungendo un'accuratezza dell'88,6% affrontando le sfide legate alla riduzione del rumore e all'ottimizzazione delle caratteristiche. Analogamente, Radhakrishnan et al.41 hanno sviluppato un framework di rete di attenzione a grafi che incorporava reti neurali a grafo e meccanismi di attenzione per la classificazione ASD basata su EEG, con una precisione del 96,2%. Collettivamente, questi studi dimostrano il crescente potenziale dell'analisi comportamentale e fisiologica dei segnali per sviluppare strumenti diagnostici oggettivi, non invasivi e scalabili per l'ASD.

Metodi multimodali e integrativi

Le tecniche di fusione multimodale hanno fatto avanzare significativamente l'analisi dell'ASD integrando fonti di informazione eterogenee. Wang et al.40hanno sviluppato il framework Federated Hypergraph Neural Network (FedHNN) per la diagnosi dell'ASD utilizzando dati multimodali provenienti da dataset medici distribuiti. Il framework proposto preservava la privacy dei dati superando i modelli locali in termini di accuratezza diagnostica, dimostrando la fattibilità di sistemi diagnostici collaborativi e che preservano la privacy.

L'analisi del microbioma intestinale è emersa anche come una modalità promettente per la ricerca sull'ASD. Olaguez-Gonzalez et al.49 hanno applicato tecniche di machine learning ai dati di composizione del microbioma e hanno raggiunto una precisione del 94,7% utilizzando un numero limitato di ceppi batterici. Estendendo questa linea di ricerca, Su et al.42 hanno incorporato dati sul microbiota multi-regno e hanno riportato un'area sotto la curva (AUC) di 0,91, identificando biomarcatori funzionali associati all'ASD, inclusi i percorsi di biosintesi dell'ubiquinolo-7.

Oltre agli approcci basati sul microbioma, sono stati studiati biomarcatori derivati dall'acustica del parlato e della voce come strumenti diagnostici non invasivi. Briend et al.48 hanno analizzato le caratteristiche acustiche estratte da campioni di linguaggio di bambini e hanno raggiunto un'accuratezza di classificazione del 91% nel distinguere individui con ASD da controlli in sviluppo tipico. Questi risultati evidenziano il potenziale dei biomarcatori basati sulla voce per integrare le valutazioni diagnostiche tradizionali e supportare strategie di screening per l'ASD più accessibili.

Progressi nei metodi computazionali

Come riassunto nella Tabella 3, i recenti progressi nelle metodologie computazionali hanno migliorato sostanzialmente la diagnosi e la classificazione dell'ASD. Vidyadhari et al.46 hanno sviluppato una rete neurale profondamente quantizzata (DQNN) ottimizzata utilizzando l'algoritmo Fractional Social Driving Training-Based Optimization (FSDTBO) e hanno riportato un'accuratezza del 90%. Il framework proposto ha dimostrato il potenziale di modelli di deep learning potenziati dall'ottimizzazione per migliorare le prestazioni diagnostiche.

Analogamente, Zhang et al.32 hanno adottato un approccio di analisi dei dati topologici (TDA) per estrarre caratteristiche dalle misure di omogeneità regionale e hanno raggiunto un'accuratezza del 96,5%, superando diverse metodologie convenzionali. Lo studio ha evidenziato il valore delle tecniche avanzate di rappresentazione delle caratteristiche per catturare complessi schemi neurobiologici associati all'ASD.

Sono stati inoltre esplorati i framework ibridi di machine learning per migliorare la selezione dei modelli e le prestazioni di classificazione. Alqaysi et al.39 hanno valutato 72 modelli ibridi di machine learning all'interno di un quadro decisionale multicriterio fuzzy che integrava strategie di selezione delle caratteristiche e classificazione. I loro risultati hanno indicato che gli approcci basati su alberi decisionali e gradienti sono tra i classificatori più stabili, mentre la selezione efficace delle caratteristiche ha avuto un ruolo fondamentale nell'ottimizzazione delle prestazioni complessive del modello.

Significato clinico dei quadri multimodali per l'ASD

L'apprendimento multimodale è emerso come una strategia importante per migliorare sia la performance diagnostica sia la rilevanza clinica dei sistemi di classificazione ASD. Poiché l'ASD si manifesta eterogeneamente tra gli individui attraverso differenze nella comunicazione sociale, nell'elaborazione sensoriale, nel funzionamento cognitivo, nella regolazione comportamentale e nelle caratteristiche biologiche, i modelli addestrati su una singola modalità di dati possono catturare solo una parte limitata della complessità del disturbo. Integrando informazioni provenienti da neuroimaging, elettroencefalografia (EEG), eye-tracking, video comportamentali, profili del microbioma, acustica vocale e dati demografici, i framework multimodali offrono una rappresentazione più completa delle caratteristiche correlate all'ASD.

Oltre a migliorare l'accuratezza della classificazione, i sistemi multimodali supportano un approccio alla diagnosi più informato dal fenotipo identificando evidenze convergenti tra più fonti di dati, preservando al contempo differenze clinicamente significative tra gli individui. I risultati riportati da Han et al.9, Wang et al.40, Su et al.42, Briend et al.48 e Olaguez-Gonzalez et al.49 dimostrano collettivamente il valore di integrare modalità complementari per migliorare la robustezza diagnostica, l'interpretabilità e l'applicabilità clinica. Di conseguenza, i framework multimodali per l'ASD dovrebbero essere considerati non solo come strumenti per migliorare le prestazioni predittive, ma anche come approcci che facilitano decisioni diagnostiche più personalizzate e clinicamente rilevanti.

Tecnologie emergenti e applicazioni

Le tecnologie emergenti hanno ampliato il campo di diagnosi, intervento e monitoraggio dell'ASD. Zhao et al.45 hanno esaminato l'applicazione delle tecnologie di realtà estesa (XR) per gli interventi sull'ASD e ne hanno evidenziato il potenziale di supportare lo sviluppo delle abilità cognitive, comportamentali e sociali attraverso ambienti immersivi e interattivi. Analogamente, Nogay eAdeli, 47 anni, hanno indagato l'influenza di età e genere sulla classificazione degli ASD e hanno dimostrato che l'incorporazione delle informazioni demografiche poteva migliorare le prestazioni dei modelli di deep learning.

Nonostante i progressi sostanziali, diverse sfide continuano a limitare l'adozione clinica diffusa dei sistemi diagnostici ASD basati su IA. L'eterogeneità dei dati, le dimensioni limitate dei campioni, la convalidazione esterna insufficiente e le preoccupazioni riguardo alla generalizzabilità del modello rimangono limitazioni comuni in molti studi. Per affrontare queste sfide, Quillet et al.34 hanno esplorato biomarcatori metabolomici associati all'ASD, mentre Thapa et al.50 hanno utilizzato dati clinici retrospettivi per migliorare la classificazione diagnostica e la robustezza del modello. Questi studi illustrano l'importanza di ampliare la diversità dei dati e di incorporare nuovi biomarcatori per aumentare l'affidabilità del modello e la rilevanza clinica.

Nel complesso, la letteratura revisionata dimostra il potenziale trasformativo del machine learning e del deep learning per la diagnosi e l'analisi dell'ASD su molteplici modalità di dati. I progressi nella neuroimaging, nella valutazione comportamentale, nell'apprendimento multimodale, nell'analisi fisiologica del segnale, nella ricerca sul microbioma e nei biomarcatori basati sulla voce hanno migliorato sostanzialmente la precisione diagnostica, la scalabilità e l'interpretabilità. La ricerca futura dovrebbe concentrarsi su convalida su larga scala e multi-coorte, quadri di valutazione standardizzati, maggiore interpretabilità e integrazione di diverse modalità di dati per supportare lo sviluppo di sistemi diagnostici robusti, clinicamente traducibili e personalizzati per l'ASD.

Analisi comparativa dei risultati rivista

L'analisi comparativa è stata rivista per enfatizzare la qualità delle evidenze, il rigore della validazione e l'applicabilità clinica piuttosto che la sola accuratezza diagnostica. Poiché gli studi revisionati differivano sostanzialmente nei dataset, nelle fasce d'età, nelle popolazioni target, nelle strategie di validazione e negli obiettivi metodologici, il confronto numerico diretto delle metriche di performance riportate è stato interpretato con cautela. Al contrario, la sintesi rivista integra la performance predittiva con la maturità della validazione, i test esterni, l'interpretabilità, la fattibilità del dispiegamento e la prontezza clinica.

La Figura 1 riassume le metriche di performance diagnostiche esplicitamente riportate estratte dagli studi esaminati, inclusi accuratezza, sensibilità e specificità. Sebbene molti studi riportano elevate prestazioni diagnostiche, è stata osservata una variabilità sostanziale tra le modalità e i disegni degli studi. Diverse indagini hanno raggiunto accuratezze superiori al 95%, ma i valori di sensibilità e specificità sono stati spesso riportati in modo meno coerente, evidenziando l'importanza di valutare le prestazioni diagnostiche utilizzando più metriche complementari piuttosto che solo accuratezza.

La relazione tra accuratezza riportata e sensibilità è ulteriormente illustrata nella Figura 2. È possibile osservare un'associazione positiva tra gli studi; tuttavia, la figura dimostra anche che un'alta accuratezza non corrisponde sempre a una sensibilità proporzionalmente maggiore. Questo risultato è clinicamente importante perché le applicazioni di screening ASD richiedono l'identificazione del maggior numero possibile di veri casi di ASD, rendendo la sensibilità un criterio critico di valutazione insieme all'accuratezza complessiva della classificazione.

Per valutare l'affidabilità dei risultati riportati, la Figura 3 presenta la distribuzione della maturità di validazione e dei segnali di rischio di bias tra i principali gruppi di modalità. Gli studi basati su neuroimaging, in particolare quelli che utilizzavano dataset fMRI e sMRI, costituivano il gruppo di evidenza più ampio ma si basavano spesso su dataset di benchmark ripetuti e quadri di validazione incrociata. Gli approcci federati e multimodali hanno dimostrato una maturità di validazione relativamente più forte perché hanno incorporato fonti di dati multi-sito e strategie di validazione più diversificate. Al contrario, le piattaforme di intervento basate su XR e diversi approcci comportamentali hanno mostrato una validazione esterna limitata, limitando le evidenze attuali per un'adozione clinica su larga scala.

La Figura 4 estende l'analisi oltre la performance predittiva riassumendo la prontezza clinica a livello di modalità. La sintesi incorpora sei dimensioni: maturità del dataset, maturità di validazione, validazione esterna, interpretabilità, fattibilità del deployment e prontezza clinica complessiva. Gli approcci di IA federata e multimodale hanno raggiunto i punteggi complessivi di prontezza più alti perché hanno dimostrato pratiche di validazione più forti e una scalabilità migliorata. Anche i metodi comportamentali basati sul video e lo sguardo hanno mostrato una prontezza promettente grazie alla loro interpretabilità relativamente alta e al potenziale di impiego pratico. Al contrario, modalità come la valutazione vocale e le piattaforme XR hanno mostrato una minore prontezza a causa di evidenze di validazione limitate e popolazioni di studio più piccole.

La relazione tra prontezza clinica e performance diagnostica riportata è visualizzata nella Figura 5. La figura dimostra che valori di accuratezza molto elevati non si traducono necessariamente in una forte prontezza clinica. Diversi studi che hanno riportato accuratezze superiori al 95% sono rimasti posizionati a livelli di prontezza moderati perché si sono basati su piccoli dataset, coorti a singolo sito o non hanno avuto una validazione esterna indipendente. Al contrario, studi con prestazioni diagnostiche leggermente inferiori hanno spesso mostrato un potenziale traslazionale più forte quando accompagnati da una migliore interpretabilità, una validazione più ampia e percorsi di distribuzione più chiari.

Le limitazioni metodologiche individuate tra i gruppi di modalità sono riassunte nella Figura 6. Le preoccupazioni comuni includevano dimensioni di campioni ridotte, dipendenza da dataset a sito singolo come ABIDE, convalida esterna insufficiente, potenziale perdita di dati, analisi di calibrazione limitata e incertezza riguardo alla fattibilità del deployment. La mappa delle evidenze evidenzia che il rigore metodologico e la qualità della validazione rimangono ostacoli importanti alla traduzione clinica nonostante incoraggino la performance diagnostica. Di conseguenza, la credibilità delle evidenze dovrebbe essere considerata insieme all'accuratezza riportata nella valutazione dei sistemi diagnostici per l'ASD.

Analisi estesa dei risultati

È stata condotta una sintesi più ampia per confrontare l'influenza delle modalità dati, delle strategie algoritmiche, delle caratteristiche dei dataset, dei framework di interpretabilità, dell'efficienza computazionale e delle tecnologie emergenti sulle prestazioni diagnostiche dell'ASD e sulla traduzione clinica.

La Figura 7 fornisce una panoramica integrata dei fattori associati alle prestazioni diagnostiche dell'ASD. Il confronto delle modalità indica che gli approcci multimodali hanno raggiunto le prestazioni complessive più elevate, seguiti dai metodi basati su neuroimaging. I confronti a livello di algoritmo suggeriscono che architetture avanzate, incluse le reti neurali a grafo e i framework di apprendimento federati, hanno dimostrato costantemente ottime prestazioni affrontando contemporaneamente le sfide legate all'eterogeneità dei dati e alla conservazione della privacy. L'analisi relativa ai dataset indica che i dataset più grandi e multi-sito generalmente producono risultati più stabili e generalizzabili rispetto alle coorti più piccole. Inoltre, i metodi che incorporano meccanismi di spiegabilità hanno ottenuto una migliore accettazione clinica perché hanno fornito maggiore trasparenza nel processo decisionale del modello.

Le matrici di qualità delle evidenze presentate nelle Tabelle 4 e 5 rafforzano queste osservazioni. Gli studi supportati da dataset più ampi, procedure di validazione più robuste e test esterni hanno generalmente dimostrato prestazioni più affidabili rispetto a studi basati esclusivamente sulla validazione interna. In entrambe le tabelle, la qualità delle evidenze è aumentata quando gli studi hanno incorporato coorti multi-siti, popolazioni di test indipendenti o quadri di validazione federati. Questi risultati suggeriscono che i futuri sistemi diagnostici per l'ASD dovrebbero dare priorità alla validazione, al rigore e alla riproducibilità, oltre all'accuratezza predittiva.

La Tabella 6 riassume l'importanza relativa dei criteri di valutazione per i sistemi di IA diagnostica per l'ASD. Sensibilità, specificità, validazione esterna, interpretabilità, valutazione dell'equità e fattibilità di implementazione sono emerse come fattori critici per la traduzione clinica. Sebbene l'accuratezza diagnostica rimanga importante, l'analisi dimostra che nessuna metrica singola è sufficiente a stabilire l'utilità clinica. Piuttosto, è necessaria una combinazione di performance, affidabilità, trasparenza e evidenza di validazione per un'adozione significativa nei contesti sanitari.

La sintesi a livello di modalità presentata nella Tabella 7 illustra ulteriormente le differenze nella maturità delle evidenze tra gli approcci diagnostici dell'ASD. I metodi basati su neuroimaging hanno dimostrato forti prestazioni diagnostiche ma hanno frequentemente mostrato limitazioni legate alla dipendenza dal dataset e alla validazione esterna. Gli approcci comportamentali e basati sullo sguardo hanno offerto una migliore interpretabilità e fattibilità di implementazione, mentre i framework di apprendimento multimodali e federati hanno mostrato il più forte equilibrio complessivo tra prestazione, maturità di validazione e prontezza clinica. Approcci emergenti che coinvolgono analisi del microbioma, biomarcatori acustici vocali e sistemi basati su XR rimangono promettenti, ma richiedono studi di validazione più ampi prima di una vasta implementazione clinica.

Collettivamente, questi risultati dimostrano che il futuro dell'IA diagnostica ASD probabilmente dipenderà da framework multimodali, validati esternamente, interpretabili e che preservano la privacy, piuttosto che da una sola ottimizzazione delle prestazioni. La sintesi sottolinea che la prontezza clinica è determinata non solo dall'accuratezza predittiva, ma anche dalla qualità della validazione, trasparenza, scalabilità e applicabilità nel mondo reale.

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Conclusioni

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Questa revisione dimostra il ruolo in espansione del machine learning (ML) e del deep learning (DL) nella diagnosi e analisi del disturbo dello spettro autistico (ASD). Negli studi esaminati, sono stati applicati approcci computazionali a diverse modalità di dati, tra cui risonanza magnetica funzionale (fMRI), elettroencefalografia (EEG), video comportamentali, profili del microbioma intestinale e segnali acustici vocali. I classificatori ML tradizionali, in particolare le macchine vetto...

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Dichiarazioni

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Gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse legati a quest'opera.

Ringraziamenti

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Gli autori desiderano ringraziare la VIT-AP University per aver fornito l'ambiente accademico e le risorse che hanno supportato questo lavoro. Gli autori apprezzano inoltre i preziosi contributi dei ricercatori i cui studi sono stati inclusi in questa recensione. Questa ricerca non ricevette finanziamenti esterni.

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