Evaluating gradient-based explanation methods for neural network ECG analysis using heatmaps

计算机科学 人工神经网络 人工智能 数据挖掘 模式识别(心理学) 机器学习
作者
Andrea M. Storås,S. Maeland,Jonas L. Isaksen,Steven A. Hicks,Vajira Thambawita,Claus Graff,Hugo L. Hammer,Pål Halvorsen,Michael A. Riegler,Jørgen K. Kanters
出处
期刊:Journal of the American Medical Informatics Association [Oxford University Press]
卷期号:32 (1): 79-88 被引量:4
标识
DOI:10.1093/jamia/ocae280
摘要

OBJECTIVE: Evaluate popular explanation methods using heatmap visualizations to explain the predictions of deep neural networks for electrocardiogram (ECG) analysis and provide recommendations for selection of explanations methods. MATERIALS AND METHODS: A residual deep neural network was trained on ECGs to predict intervals and amplitudes. Nine commonly used explanation methods (Saliency, Deconvolution, Guided backpropagation, Gradient SHAP, SmoothGrad, Input × gradient, DeepLIFT, Integrated gradients, GradCAM) were qualitatively evaluated by medical experts and objectively evaluated using a perturbation-based method. RESULTS: No single explanation method consistently outperformed the other methods, but some methods were clearly inferior. We found considerable disagreement between the human expert evaluation and the objective evaluation by perturbation. DISCUSSION: The best explanation method depended on the ECG measure. To ensure that future explanations of deep neural networks for medical data analyses are useful to medical experts, data scientists developing new explanation methods should collaborate tightly with domain experts. Because there is no explanation method that performs best in all use cases, several methods should be applied. CONCLUSION: Several explanation methods should be used to determine the most suitable approach.
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