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重新思考基於EEG的疾病診斷:解耦實例表示學習與受試者級監督

文章摘要

一種名為BridgeMIL的新框架通過將實例表示學習與受試者級監督解耦,改進了基於腦電圖(EEG)的疾病診斷。它採用兩階段方法:首先在無繼承實例標籤的情況下自監督預訓練編碼器,然後通過僅對受試者級別進行監督的注意力多實例學習進行遷移。在三個EEG疾病數據集和五個骨幹網絡上,BridgeMIL優於基線,達到76.57%的平均準確率,並展現出更好的表示結構。

來源arXiv Machine Learning作者: Zhiyuan Ma, Zeyuan Li, Zhiyi Lu, Jiacheng Hao, Youlang Du, Zhen Jiang, Xinche Zhang, Yuhao Sun, Sen Song
重新思考基於EEG的疾病診斷:解耦實例表示學習與受試者級監督
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基於腦電圖(EEG)的疾病診斷通常需要對每個受試者給出一個預測結果,但現有流程往往將記錄分割成短實例,並將受試者標籤繼承給每個實例,然後訓練實例級分類器。這種方式隱含地假設所有實例都提供同等可靠的診斷證據,但實際中並非如此。為了克服這一侷限,多實例學習(MIL)將每個受試者視為一個“包”,避免直接繼承實例標籤。然而,EEG數據集中受試者數量遠少於實例數量,這限制了端到端MIL學習到的表示質量。

針對這些問題,來自學術界的研究者提出了BridgeMIL,一個將實例表示學習與受試者級監督解耦的兩階段框架。第一階段在不使用繼承實例標籤的情況下預訓練編碼器:通過對齊時間上相鄰的窗口以及獨立採樣的受試者內子袋,使模型學習到有意義的表示。同時引入方差和協方差正則化,防止表示坍縮並減少冗餘,而無需使用負樣本對。第二階段將編碼器遷移到基於注意力的MIL聚合器中,僅對受試者級預測施加監督,並通過特徵保留來限制表示漂移。

實驗在三個EEG疾病數據集和五個代表性骨幹網絡上進行。結果表明,BridgeMIL在15個數據集-骨幹網絡設置中的14個取得了最高平均準確率,整體平均準確率達到76.57%,比最強基線高出4.28個百分點。這一優勢説明,解耦實例表示學習與受試者級監督能夠更有效地利用大量EEG實例,同時避免將疾病標籤錯誤分配給單個實例。

進一步分析揭示了幾個重要發現:首先,不同實例的繼承標籤可靠性存在顯著差異,這驗證了直接使用實例標籤的弊端;其次,模型性能對受試者稀缺性的敏感程度高於對實例稀缺性的敏感程度,表明受試者級多樣性更為關鍵;最後,BridgeMIL學習到的表示空間具有更清晰的結構,呈現出明顯的受試者級聚類,並改善了診斷類別之間的分離。

總體而言,這項研究強調了在利用豐富EEG實例的同時,將監督信號與受試者級預測目標對齊的重要性。BridgeMIL為腦電疾病診斷提供了一種新的建模思路,也為未來在醫療時間序列中處理多實例與多受試者問題提供了參考。

展開要點與分析

文章情報

研究者進階

要點

  • BridgeMIL是一個兩階段框架,在EEG診斷中將實例表示學習與受試者級監督分離。
  • 第一階段利用時間對齊和受試者內子袋,配合方差和協方差正則化,在不使用繼承實例標籤的情況下進行預訓練。
  • 第二階段應用注意力多實例學習聚合,僅進行受試者級監督,並通過特徵保持防止表示漂移。
  • 該方法在15個數據集-骨幹網絡設置中的14個取得最高平均準確率,比最強基線提高4.28個百分點。

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