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SurgX:用于可解释手术阶段识别的神经元概念关联
KaYoungKim,HyeonBaeKim,andSeongTaeKim
KyungHeeUniversity,Yongin,RepublicofKorea
{uwrgoy7584,hyeonbae.kim,st.kim}@khu.ac.kr
摘要手术阶段识别在手术工作流分析中起着关键作用,使各种应用如手
术监控、技能评估和工作流程优化成为可能。尽管基于深度学习的手术阶
段识别取得了显著进展,这些模型仍然本质上不透明,使得理解它们如何
本做出决策变得困难。这种缺乏可解释性阻碍了信任,并且使得调试模型颇
译具挑战性。为了解决这一问题,我们提出了SurgX,这是一种新颖的概念
基础解释框架,通过将神经元与相关概念关联来增强手术阶段识别模型的
中可解释性。在本文中,我们介绍了选择代表性的示例序列以供神经元使用
1的过程,构建了一个专门针对手术视频数据集的概念集,将神经元与概念
v关联,并确定了对预测至关重要的神经元。通过在两个手术阶段识别模型
8
1上的广泛实验,我们验证了我们的方法并分析了预测的解释。这突显了我
4们在解释手术阶段识别方面的方法潜力。代码可在/
5ailab-kyunghee/SurgX获取。
1
.
7
0Keywords:手术阶段识别·内窥镜视频·可解释性·解释能力·神
5经元-概念关联
2
:
v
i1介绍
x
r
a
手术工作流程分析对于计算机辅助手术至关重要,因为它使外科人工智
能系统能够理解手术过程中固有的顺序和时间动态性[14,17,21]。手术阶段
识别是手术工作流程分析中的关键任务之一,将手术视频帧分类到其各自阶
段。反映其临床重要性,越来越多的研究集中在开发先进的基于深度学习的
手术阶段识别模型上[4,5,15,16,26]。
尽管深度学习模型在手术阶段识别方面取得了显著进展,但它们仍然面
临着由其固有的“黑箱”性质带来的持续挑战,这指的是难以解释这些模型
如何处理信息和做出决策的困难。主要的挑战在于信任模型决定的难度。在
手术领域,为了符合欧盟通用数据保护条例(GDPR)[23,25]等法规的要求,
通讯作者
2Kimetal.
需要模型具有透明的决策过程,强调了对模型决策进行充分解释的需求。如
果我们无法确定模型学习到了哪些概念以及为什么做出某些决定,那么有效
改进模型和信任其决定就会成为一个重大挑战。这种挑战在基于视频的模型
中进一步加剧,因为这些模型固有的时间依赖性和复杂性。
之前的基于概念的可解释性研究对于图像模型表明,深度网络中的神
经元倾向于与人类可理解的概念对齐[1,3,9,12,11]。最早的几种方法之一,
NetworkDissect[3]通过计算像素级分割掩模和单个神经元特征图之间的
重叠将神经元关联到人类可理解的概念上。为了解决昂贵的分割掩模数据
集稀缺的问题,Oikarinen等。提出了利用
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