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A Secure and Interpretable AI for Smart Healthcare System: A Case Study on Epilepsy Diagnosis Using EEG Signals

计算机科学 人工智能 脑电图 模式识别(心理学) 小波 特征(语言学) 过程(计算) 数据挖掘 领域(数学分析) 机器学习 数学 精神科 心理学 数学分析 语言学 哲学 操作系统
作者
Ijaz Ahmad,Mingxing Zhu,Guanglin Li,Danish Javeed,Prabhat Kumar,Shixiong Chen
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:28 (6): 3236-3247 被引量:6
标识
DOI:10.1109/jbhi.2024.3366341
摘要

The efficient patient-independent and interpretable framework for electroencephalogram (EEG) epileptic seizure detection (ESD) has informative challenges due to the complex pattern of EEG nature. Automated detection of ES is crucial, and Explainable Artificial Intelligence (XAI) is urgently needed to justify algorithmic predictions in clinical settings. Therefore, this study implements an XAI-based computer-aided ES detection system (XAI-CAESDs), comprising three major modules including of feature engineering module, a seizure detection module, and an explainable decision-making process module in a smart healthcare system. To ensure the privacy and security of biomedical EEG data, the blockchain is employed. Initially, the Butterworth filter eliminates various artifacts, and the Dual-Tree Complex Wavelet Transform (DTCWT) decomposes EEG signals, extracting real and imaginary eigenvalue features using frequency domain (FD), time domain (TD), and Fractal Dimension (FD) of linear and non-linear features. The best features are selected by using Correlation Coefficients (CC) and Distance Correlation (DC). The selected features are fed into the Stacking Ensemble Classifiers (SEC) for EEG ES detection. Further, the Shapley Additive Explanations (SHAP) method of XAI is implemented to facilitate the interpretation of predictions made by the proposed approach, enabling medical experts to make accurate and understandable decisions. The proposed ensemble-based stacking classifiers in XAI-CAESDs have demonstrated 2% best average accuracy, Recall, specificity, and F1-score using the University of California, Irvine, Bonn University, and Boston Children's Hospital-MIT EEG data sets. The proposed framework enhances decision-making and the diagnosis process using biomedical EEG signals and ensures data security in smart healthcare systems.

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