Interpretable Sleep Stage Classification Based on Layer-Wise Relevance Propagation

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作者
Dongdong Zhou,Qi Xu,Jiacheng Zhang,Lei Wu,Hongming Xu,Lauri Kettunen,Zheng Chang,Qiang Zhang,Fengyu Cong
出处
期刊:IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:73: 1-10 被引量:8
标识
DOI:10.1109/tim.2024.3370799
摘要

Numerous deep learning-based methodologies have been proposed to facilitate automatic sleep stage classification tasks. Nevertheless, the black-box nature of these approaches is one of the skeptical factors hindering clinical application. Towards model interpretability, this study presents a novel interpretable sleep stage classification scheme based on layer-wise relevance propagation (LRP). We first adopt the short-time Fourier transform (STFT) to convert the raw electroencephalogram (EEG) signals to the time-frequency images, which could visually demonstrate EEG patterns of each sleep stage. Moreover, we introduce an efficient convolutional neural network (CNN) based model, namely MSSENet, that assembles with the Multi-Scale CNN module and residual Squeeze-and-Excitation block for the image input. The LRP method is eventually applied to evaluate the contribution of each frequency pixel in the input time-frequency image to the model prediction. Experimental findings show that the MSSENet could outperforms or achieves comparable performance to other state-of-the-art approaches on three polysomnography (PSG) datasets. Furthermore, through utilizing the heat mapping, the LRP-based explainability results validate the high relevance of specific EEG patterns to the prediction of the corresponding sleep stage, which is consistent with the sleep scoring guidelines.
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