In recent years, explainable methods for artificial intelligence (XAI) have tried to reveal and describe models' decision mechanisms in the case of classification tasks. However, XAI for semantic segmentation and in particular for single instances has been little studied to date. Understanding the process underlying automatic segmentation of single instances is crucial to reveal what information was used to detect and segment a given object of interest. In this study, we proposed two instance-level explanation maps for semantic segmentation based on SmoothGrad and Grad-CAM++ methods. Then, we investigated their relevance for the detection and segmentation of white matter lesions (WML), a magnetic resonance imaging (MRI) biomarker in multiple sclerosis (MS). 687 patients diagnosed with MS for a total of 4043 FLAIR and MPRAGE MRI scans were collected at the University Hospital of Basel, Switzerland. Data were randomly split into training, validation and test sets to train a 3D U-Net for MS lesion segmentation. We observed 3050 true positive (TP), 1818 false positive (FP), and 789 false negative (FN) cases. We generated instance-level explanation maps for semantic segmentation, by developing two XAI methods based on SmoothGrad and Grad-CAM++. We investigated: 1) the distribution of gradients in saliency maps with respect to both input MRI sequences; 2) the model's response in the case of synthetic lesions; 3) the amount of perilesional tissue needed by the model to segment a lesion. Saliency maps (based on SmoothGrad) in FLAIR showed positive values inside a lesion and negative in its neighborhood. Peak values of saliency maps generated for these four groups of volumes presented distributions that differ significantly from one another, suggesting a quantitative nature of the proposed saliency. Contextual information of 7mm around the lesion border was required for their segmentation.


翻译:近年来,人工智能可解释性方法试图揭示和描述模型在分类任务中的决策机制。然而,针对语义分割特别是单个实例的可解释性研究迄今仍较为有限。理解单个实例自动分割的底层过程对于揭示检测和分割特定感兴趣对象时所使用的信息至关重要。本研究基于SmoothGrad和Grad-CAM++方法,提出了两种用于语义分割的实例级解释图。随后,我们探究了这些方法在白质病变检测与分割中的适用性——白质病变是多发性硬化症中一种磁共振成像生物标志物。研究收集了巴塞尔大学医院687名确诊多发性硬化症患者的4043例FLAIR和MPRAGE磁共振扫描数据。数据被随机划分为训练集、验证集和测试集,用于训练三维U-Net进行多发性硬化病灶分割。我们观察到3050例真阳性、1818例假阳性和789例假阴性病例。通过开发两种基于SmoothGrad和Grad-CAM++的可解释性方法,我们生成了语义分割的实例级解释图。具体研究内容包括:1)显著性图中梯度在两种输入磁共振序列中的分布特征;2)模型对合成病灶的响应特性;3)模型分割病灶所需的病灶周围组织范围。基于SmoothGrad的FLAIR序列显著性图显示病灶内部呈正值而邻域呈负值。四组数据生成的显著性图峰值分布呈现显著差异,表明所提显著性具有定量特性。病灶分割需要边界周围7mm范围内的上下文信息。

0
下载
关闭预览

相关内容

多媒体系统(MS)期刊详细介绍了多媒体计算,通信,存储和应用的各个方面的创新研究思想,新兴技术,最新方法和工具。它包含理论,实验和调查文章。多媒体系统的覆盖范围包括:在计算机系统中集成数字视频和音频功能;多媒体信息编码和数据交换格式;数字多媒体的操作系统机制;数字视频和音频网络与通信;存储模型和结构;用于支持多媒体应用程序的方法、范式、工具和软件体系结构;多媒体应用程序和应用程序接口,以及多媒体终端系统架构。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/mms/
【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
学习自然语言处理路线图
专知会员服务
140+阅读 · 2019年9月24日
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7月6日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
利用动态深度学习预测金融时间序列基于Python
量化投资与机器学习
18+阅读 · 2018年10月30日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
5+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
69+阅读 · 2022年9月7日
Arxiv
16+阅读 · 2022年5月17日
Arxiv
18+阅读 · 2021年3月16日
Arxiv
10+阅读 · 2020年11月26日
Augmentation for small object detection
Arxiv
13+阅读 · 2019年2月19日
VIP会员
最新内容
CVPR 2026教程:统一多模态模型走向收敛之路
专知会员服务
1+阅读 · 6月8日
《人工智能在网络防御中的机遇》
专知会员服务
4+阅读 · 6月8日
认知战:定义与能力发展
专知会员服务
4+阅读 · 6月8日
乌军利用美国“黄蜂”无人机摧毁俄军后勤
专知会员服务
7+阅读 · 6月7日
《支持作战级人机协同智能的交互式OODA流程》
专知会员服务
15+阅读 · 6月7日
ICML 2026 | SARDI:扩散语言模型的自增强检索
专知会员服务
8+阅读 · 6月6日
相关资讯
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7月6日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
利用动态深度学习预测金融时间序列基于Python
量化投资与机器学习
18+阅读 · 2018年10月30日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
相关基金
国家自然科学基金
1+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
5+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员