論文の概要: Formally Verifying and Explaining Sepsis Treatment Policies with COOL-MC
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2602.14505v1
- Date: Mon, 16 Feb 2026 06:37:34 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-02-17 16:22:50.234519
- Title: Formally Verifying and Explaining Sepsis Treatment Policies with COOL-MC
- Title（参考訳）: COOL-MCによる敗血症治療薬の形式的検証と説明
- Authors: Dennis Gross,
- Abstract要約: COOL-MCは、訓練されたポリシーによって誘導される到達可能な状態空間のみを構築するモデルチェッカーである。
完全MDP解析が難解である場合でも、より小さな離散時間マルコフ連鎖を検証できる。
約17,000人の敗血症患者の記録から得られた指標であるICU-Sepsis MDPでCOOL-MCの能力を実証した。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Safe and interpretable sequential decision-making is critical in healthcare, yet reinforcement learning (RL) policies for sepsis treatment optimization remain opaque and difficult to verify. Standard probabilistic model checkers operate on the full state space, which becomes infeasible for larger MDPs, and cannot explain why a learned policy makes particular decisions. COOL-MC wraps the model checker Storm but adds three key capabilities: it constructs only the reachable state space induced by a trained policy, yielding a smaller discrete-time Markov chain amenable to verification even when full-MDP analysis is intractable; it automatically labels states with clinically meaningful atomic propositions; and it integrates explainability methods with probabilistic computation tree logic (PCTL) queries to reveal which features drive decisions across treatment trajectories. We demonstrate COOL-MC's capabilities on the ICU-Sepsis MDP, a benchmark derived from approximately 17,000 sepsis patient records, which serves as a case study for applying COOL-MC to the formal analysis of sepsis treatment policies. Our analysis establishes hard bounds via full MDP verification, trains a safe RL policy that achieves optimal survival probability, and analyzes its behavior via PCTL verification and explainability on the induced DTMC. This reveals, for instance, that our trained policy relies predominantly on prior dosing history rather than the patient's evolving condition, a weakness that is invisible to standard evaluation but is exposed by COOL-MC's integration of formal verification and explainability. Our results illustrate how COOL-MC could serve as a tool for clinicians to investigate and debug sepsis treatment policies before deployment.
- Abstract（参考訳）: 安全かつ解釈可能なシーケンシャルな意思決定は医療において重要であるが、敗血症治療最適化のための強化学習(RL)ポリシーは不透明で検証が難しいままである。
標準的な確率論的モデルチェッカーは、より大きなMDPでは不可能になり、学習されたポリシーが特別な決定を下す理由を説明することができない、完全な状態空間で動作する。
COOL-MC はモデルチェッカー Storm をラップするが、3つの重要な機能を追加する: トレーニングされたポリシーによって誘導される到達可能な状態空間のみを構築し、フルMDP 分析が難解な場合でも検証可能な離散時間 Markov チェーンを得る; 状態に臨床的に意味のあるアトミックな命題を自動ラベル付けする; 確率論的計算ツリーロジック (PCTL) クエリと説明可能性メソッドを統合して、処理軌跡間の決定を駆動する機能を明らかにする。
ICU-Sepsis MDP(約17,000人の敗血症患者の記録から得られたベンチマーク)でCOOL-MCの能力を実証し、敗血症治療方針の形式的分析にCOOL-MCを適用するケーススタディとして機能する。
本分析は, 完全MDP検証によるハードバウンドを確立し, 最適生存確率を実現する安全なRLポリシーを訓練し, 誘導DTMC上でのPCTL検証と説明可能性を用いてその挙動を解析する。
これは、例えば、トレーニングされた政策が患者の進行状態ではなく、先行投与履歴に大きく依存していることを明らかにし、これは標準的な評価には見えないが、COOL-MCの形式的検証と説明可能性の統合によって明らかになる。
以上の結果から,COOL-MCは,デプロイ前の敗血症治療方針を調査・デバッグするためのツールとして有効である可能性が示唆された。
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