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A Multi-Level Interpretable Sleep Stage Scoring System by Infusing Experts’ Knowledge Into a Deep Network Architecture

可解释性 计算机科学 人工智能 机器学习 卷积神经网络 深度学习 核(代数) 睡眠阶段 人工神经网络 集合(抽象数据类型) 脑电图 模式识别(心理学) 多导睡眠图 心理学 数学 组合数学 精神科 程序设计语言
作者
Hamid Niknazar,Sara C. Mednick
出处
期刊:IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence [IEEE Computer Society]
卷期号:46 (7): 5044-5061 被引量:2
标识
DOI:10.1109/tpami.2024.3366170
摘要

In recent years, deep learning has shown potential and efficiency in a wide area including computer vision, image and signal processing. Yet, translational challenges remain for user applications due to a lack of interpretability of algorithmic decisions and results. This black box problem is particularly problematic for high-risk applications such as medical-related decision-making. The current study goal was to design an interpretable deep learning system for time series classification of electroencephalogram (EEG) for sleep stage scoring as a step toward designing a transparent system. We have developed an interpretable deep neural network that includes a kernel-based layer guided by a set of principles used for sleep scoring by human experts in the visual analysis of polysomnographic records. A kernel-based convolutional layer was defined and used as the first layer of the system and made available for user interpretation. The trained system and its results were interpreted in four levels from microstructure of EEG signals, such as trained kernels and effect of each kernel on the detected stages, to macrostructures, such as transitions between stages. The proposed system demonstrated greater performance than prior studies and the system learned information consistent with expert knowledge.
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