論文の概要: Development of Interpretable Machine Learning Models to Detect
Arrhythmia based on ECG Data
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2205.02803v2
- Date: Sat, 7 May 2022 16:19:08 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2022-05-10 12:24:38.787269
- Title: Development of Interpretable Machine Learning Models to Detect
Arrhythmia based on ECG Data
- Title（参考訳）: ECGデータに基づく不整脈検出のための解釈可能な機械学習モデルの開発
- Authors: Shourya Verma
- Abstract要約: この論文は、最先端モデルに基づいた畳み込みニューラルネットワーク(CNN)とLong Short-Term Memory(LSTM)分類器を構築する。
大域的および局所的解釈可能性法は、依存変数と独立変数の相互作用を理解するために利用される。
提案したCNNモデルとLSTMモデルの予測を説明する上で,Grad-Camが最も効果的な解釈可能性技術であることが判明した。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/
- Abstract: The analysis of electrocardiogram (ECG) signals can be time consuming as it
is performed manually by cardiologists. Therefore, automation through machine
learning (ML) classification is being increasingly proposed which would allow
ML models to learn the features of a heartbeat and detect abnormalities. The
lack of interpretability hinders the application of Deep Learning in
healthcare. Through interpretability of these models, we would understand how a
machine learning algorithm makes its decisions and what patterns are being
followed for classification. This thesis builds Convolutional Neural Network
(CNN) and Long Short-Term Memory (LSTM) classifiers based on state-of-the-art
models and compares their performance and interpretability to shallow
classifiers. Here, both global and local interpretability methods are exploited
to understand the interaction between dependent and independent variables
across the entire dataset and to examine model decisions in each sample,
respectively. Partial Dependence Plots, Shapley Additive Explanations,
Permutation Feature Importance, and Gradient Weighted Class Activation Maps
(Grad-Cam) are the four interpretability techniques implemented on time-series
ML models classifying ECG rhythms. In particular, we exploit Grad-Cam, which is
a local interpretability technique and examine whether its interpretability
varies between correctly and incorrectly classified ECG beats within each
class. Furthermore, the classifiers are evaluated using K-Fold cross-validation
and Leave Groups Out techniques, and we use non-parametric statistical testing
to examine whether differences are significant. It was found that Grad-CAM was
the most effective interpretability technique at explaining predictions of
proposed CNN and LSTM models. We concluded that all high performing classifiers
looked at the QRS complex of the ECG rhythm when making predictions.
- Abstract（参考訳）: 心電図(ECG)信号の解析は、心臓医が手動で行うので時間がかかる。
そのため、機械学習(ML)分類による自動化がますます提案されているため、MLモデルは心拍の特徴を学習し、異常を検出することができる。
解釈可能性の欠如は、ヘルスケアにおけるディープラーニングの適用を妨げる。
これらのモデルの解釈可能性を通じて、機械学習アルゴリズムがどのように決定を行い、どのパターンが分類に追従されているかを理解する。
この論文は、最先端モデルに基づく畳み込みニューラルネットワーク(CNN)とLong Short-Term Memory(LSTM)分類器を構築し、それらの性能と解釈可能性を浅い分類器と比較する。
ここで、グローバルおよびローカルの解釈可能性メソッドは、データセット全体の依存変数と独立変数間の相互作用を理解し、各サンプルにおけるモデル決定を調べるために利用される。
部分依存プロット、共有付加説明、置換特徴重要度、勾配重み付きクラスアクティベーションマップ(Grad-Cam)は、ECGリズムを分類する時系列MLモデルで実装された4つの解釈可能性技術である。
特に,局所的解釈可能性技術であるGrad-Camを利用して,各クラス内のECGビートが正しく,正しく分類されていないかを調べる。
さらに,K-Foldクロスバリデーション法とLeft Groups Out法を用いて分類器の評価を行い,非パラメトリック統計検査を用いて差が有意かどうかを検証した。
その結果,Grad-CAMは提案したCNNモデルとLSTMモデルの予測を説明する上で,最も効果的な解釈可能性手法であることが判明した。
予測を行う際,すべての高パフォーマンス分類器は心電図リズムのqrs複合体に注目した。
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