Medical anomaly detection aims to identify abnormal findings using only normal training data, playing a crucial role in health screening and recognizing rare diseases. Reconstruction-based methods, particularly those utilizing autoencoders (AEs), are dominant in this field. They work under the assumption that AEs trained on only normal data cannot reconstruct unseen abnormal regions well, thereby enabling the anomaly detection based on reconstruction errors. However, this assumption does not always hold due to the mismatch between the reconstruction training objective and the anomaly detection task objective, rendering these methods theoretically unsound. This study focuses on providing a theoretical foundation for AE-based reconstruction methods in anomaly detection. By leveraging information theory, we elucidate the principles of these methods and reveal that the key to improving AE in anomaly detection lies in minimizing the information entropy of latent vectors. Experiments on four datasets with two image modalities validate the effectiveness of our theory. To the best of our knowledge, this is the first effort to theoretically clarify the principles and design philosophy of AE for anomaly detection. Code will be available upon acceptance.


翻译:医学异常检测旨在仅利用正常训练数据识别异常发现,在健康筛查和罕见疾病诊断中发挥着关键作用。基于重构的方法,特别是利用自编码器的方法,在该领域占据主导地位。其工作原理基于如下假设:仅在正常数据上训练的自编码器无法良好重构未见过的异常区域,从而能够根据重构误差实现异常检测。然而,由于重构训练目标与异常检测任务目标之间存在不匹配,该假设并非始终成立,导致这些方法在理论上存在缺陷。本研究致力于为基于自编码器的重构方法在异常检测中提供理论基础。通过利用信息论,我们阐明了这些方法的原理,并揭示出提升自编码器在异常检测中性能的关键在于最小化潜在向量的信息熵。在包含两种图像模态的四个数据集上的实验验证了我们理论的有效性。据我们所知,这是首次从理论上阐明自编码器用于异常检测的原理与设计理念。代码将在论文被接收后公开。

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在数据挖掘中,异常检测(英语:anomaly detection)对不符合预期模式或数据集中其他项目的项目、事件或观测值的识别。通常异常项目会转变成银行欺诈、结构缺陷、医疗问题、文本错误等类型的问题。异常也被称为离群值、新奇、噪声、偏差和例外。 特别是在检测滥用与网络入侵时,有趣性对象往往不是罕见对象,但却是超出预料的突发活动。这种模式不遵循通常统计定义中把异常点看作是罕见对象,于是许多异常检测方法(特别是无监督的方法)将对此类数据失效,除非进行了合适的聚集。相反,聚类分析算法可能可以检测出这些模式形成的微聚类。 有三大类异常检测方法。[1] 在假设数据集中大多数实例都是正常的前提下,无监督异常检测方法能通过寻找与其他数据最不匹配的实例来检测出未标记测试数据的异常。监督式异常检测方法需要一个已经被标记“正常”与“异常”的数据集,并涉及到训练分类器(与许多其他的统计分类问题的关键区别是异常检测的内在不均衡性)。半监督式异常检测方法根据一个给定的正常训练数据集创建一个表示正常行为的模型,然后检测由学习模型生成的测试实例的可能性。
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