Interpretable and intervenable ultrasonography-based machine learning models for pediatric appendicitis

阑尾炎 瓶颈 人工智能 机器学习 计算机科学 超声科 超声波 人工神经网络 急性阑尾炎 腹部超声 放射科 医学 普通外科 嵌入式系统
作者
Ričards Marcinkevičs,Patricia Reis Wolfertstetter,Ugne Klimiene,Kieran Chin-Cheong,Alyssia Paschke,Julia Zerres,Markus Denzinger,David Niederberger,Sven Wellmann,Ece Özkan,Christian Knorr,Julia E. Vogt
出处
期刊:Medical Image Analysis [Elsevier BV]
卷期号:91: 103042-103042 被引量:22
标识
DOI:10.1016/j.media.2023.103042
摘要

Appendicitis is among the most frequent reasons for pediatric abdominal surgeries. Previous decision support systems for appendicitis have focused on clinical, laboratory, scoring, and computed tomography data and have ignored abdominal ultrasound, despite its noninvasive nature and widespread availability. In this work, we present interpretable machine learning models for predicting the diagnosis, management and severity of suspected appendicitis using ultrasound images. Our approach utilizes concept bottleneck models (CBM) that facilitate interpretation and interaction with high-level concepts understandable to clinicians. Furthermore, we extend CBMs to prediction problems with multiple views and incomplete concept sets. Our models were trained on a dataset comprising 579 pediatric patients with 1709 ultrasound images accompanied by clinical and laboratory data. Results show that our proposed method enables clinicians to utilize a human-understandable and intervenable predictive model without compromising performance or requiring time-consuming image annotation when deployed. For predicting the diagnosis, the extended multiview CBM attained an AUROC of 0.80 and an AUPR of 0.92, performing comparably to similar black-box neural networks trained and tested on the same dataset.
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