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Layer-Wise Relevance Propagation for Explaining Deep Neural Network Decisions in MRI-Based Alzheimer's Disease Classification

相关性(法律) 计算机科学 卷积神经网络 人工智能 体素 临床意义 人工神经网络 机器学习 颞叶 功能磁共振成像 模式识别(心理学) 心理学 神经科学 医学 病理 癫痫 法学 政治学
作者
Moritz Böhle,Fabian Eitel,Martin Weygandt,Kerstin Ritter
出处
期刊:Frontiers in Aging Neuroscience [Frontiers Media SA]
卷期号:11 被引量:153
标识
DOI:10.3389/fnagi.2019.00194
摘要

Deep neural networks have led to state-of-the-art results in many medical imaging tasks including Alzheimer's disease (AD) detection based on structural magnetic resonance imaging (MRI) data. However, the network decisions are often perceived as being highly non-transparent, making it difficult to apply these algorithms in clinical routine. In this study, we propose using layer-wise relevance propagation (LRP) to visualize convolutional neural network decisions for AD based on MRI data. Similarly to other visualization methods, LRP produces a heatmap in the input space indicating the importance/relevance of each voxel contributing to the final classification outcome. In contrast to susceptibility maps produced by guided backpropagation ("Which change in voxels would change the outcome most?"), the LRP method is able to directly highlight positive contributions to the network classification in the input space. In particular, we show that (1) the LRP method is very specific for individuals ("Why does this person have AD?") with high inter-patient variability, (2) there is very little relevance for AD in healthy controls and (3) areas that exhibit a lot of relevance correlate well with what is known from literature. To quantify the latter, we compute size-corrected metrics of the summed relevance per brain area, e.g., relevance density or relevance gain. Although these metrics produce very individual "fingerprints" of relevance patterns for AD patients, a lot of importance is put on areas in the temporal lobe including the hippocampus. After discussing several limitations such as sensitivity toward the underlying model and computation parameters, we conclude that LRP might have a high potential to assist clinicians in explaining neural network decisions for diagnosing AD (and potentially other diseases) based on structural MRI data.

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