Purpose: To investigate chest radiograph (CXR) classification performance of vision transformers (ViT) and interpretability of attention-based saliency using the example of pneumothorax classification. Materials and Methods: In this retrospective study, ViTs were fine-tuned for lung disease classification using four public data sets: CheXpert, Chest X-Ray 14, MIMIC CXR, and VinBigData. Saliency maps were generated using transformer multimodal explainability and gradient-weighted class activation mapping (GradCAM). Classification performance was evaluated on the Chest X-Ray 14, VinBigData, and SIIM-ACR data sets using the area under the receiver operating characteristic curve analysis (AUC) and compared with convolutional neural networks (CNNs). The explainability methods were evaluated with positive/negative perturbation, sensitivity-n, effective heat ratio, intra-architecture repeatability and interarchitecture reproducibility. In the user study, three radiologists classified 160 CXRs with/without saliency maps for pneumothorax and rated their usefulness. Results: ViTs had comparable CXR classification AUCs compared with state-of-the-art CNNs 0.95 (95% CI: 0.943, 0.950) versus 0.83 (95%, CI 0.826, 0.842) on Chest X-Ray 14, 0.84 (95% CI: 0.769, 0.912) versus 0.83 (95% CI: 0.760, 0.895) on VinBigData, and 0.85 (95% CI: 0.847, 0.861) versus 0.87 (95% CI: 0.868, 0.882) on SIIM ACR. Both saliency map methods unveiled a strong bias toward pneumothorax tubes in the models. Radiologists found 47% of the attention-based saliency maps useful and 39% of GradCAM. The attention-based methods outperformed GradCAM on all metrics. Conclusion: ViTs performed similarly to CNNs in CXR classification, and their attention-based saliency maps were more useful to radiologists and outperformed GradCAM.


翻译:目的:以气胸分类为例,探究视觉Transformer在胸部X光片分类中的性能及基于注意力的显著性图的可解释性。材料与方法:在本回顾性研究中,使用四个公开数据集(CheXpert、Chest X-Ray 14、MIMIC CXR和VinBigData)对视觉Transformer进行肺部疾病分类的微调。通过Transformer多模态可解释性方法和梯度加权类激活映射生成显著性图。分类性能在Chest X-Ray 14、VinBigData和SIIM-ACR数据集上使用受试者工作特征曲线下面积(AUC)进行评估,并与卷积神经网络进行比较。通过正/负扰动、敏感性-n、有效热图比率、架构内重复性和架构间可重复性对可解释性方法进行评估。在用户研究中,三位放射科医师对160张胸部X光片(使用/不使用针对气胸的显著性图)进行分类,并评估其有用性。结果:与最先进的CNN相比,视觉Transformer在胸部X光片分类上具有相当的AUC值:在Chest X-Ray 14上为0.95(95%置信区间:0.943,0.950)对比0.83(95%置信区间:0.826,0.842),在VinBigData上为0.84(95%置信区间:0.769,0.912)对比0.83(95%置信区间:0.760,0.895),在SIIM ACR上为0.85(95%置信区间:0.847,0.861)对比0.87(95%置信区间:0.868,0.882)。两种显著性图方法均揭示模型对气胸管存在显著偏向。放射科医师认为47%的基于注意力的显著性图有用,而GradCAM为39%。基于注意力的方法在所有指标上均优于GradCAM。结论:视觉Transformer在胸部X光片分类中性能与CNN相当,且其基于注意力的显著性图对放射科医师更具实用性且优于GradCAM。

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