Electrocardiogram (ECG) is the most widely used diagnostic tool to monitor the condition of the cardiovascular system. Deep neural networks (DNNs), have been developed in many research labs for automatic interpretation of ECG signals to identify potential abnormalities in patient hearts. Studies have shown that given a sufficiently large amount of data, the classification accuracy of DNNs could reach human-expert cardiologist level. A DNN-based automated ECG diagnostic system would be an affordable solution for patients in developing countries where human-expert cardiologist are lacking. However, despite of the excellent performance in classification accuracy, it has been shown that DNNs are highly vulnerable to adversarial attacks: subtle changes in input of a DNN can lead to a wrong classification output with high confidence. Thus, it is challenging and essential to improve adversarial robustness of DNNs for ECG signal classification, a life-critical application. In this work, we proposed to improve DNN robustness from the perspective of noise-to-signal ratio (NSR) and developed two methods to minimize NSR during training process. We evaluated the proposed methods on PhysionNets MIT-BIH dataset, and the results show that our proposed methods lead to an enhancement in robustness against PGD adversarial attack and SPSA attack, with a minimal change in accuracy on clean data.


翻译:心心电图(ECG)是用于监测心血管系统状况的最广泛使用的诊断工具。许多研究实验室都开发了深神经网络(DNN),对心血管系统信号进行自动解释,以自动解读ECG信号,查明病人心脏中潜在的异常现象。研究显示,鉴于数据数量足够多,DNN的分类准确性可以达到人类专家心脏病学家的水平。基于DNN的自动ECG诊断系统将是发展中国家缺乏人类专家心脏病学家的病人负担得起的解决方案。然而,尽管在分类准确性方面表现优异,但事实证明DNNN极易受到对抗性攻击攻击:DNNN投入的微妙变化可能导致错误的分类输出,并具有高度信心。因此,提高DNNNN的对抗性能是具有挑战性和必要性的,而且对于提高ECG信号的信号分类来说,这是一个生命临界应用。在这项工作中,我们提议从噪音对信号比率的角度提高DNNN的稳健性。我们用两种方法在培训过程中尽量减少NSR。我们评估了在PhysionNet上拟议的方法,即加强防攻击性PMISBH数据,显示我们在加强防攻击中拟议的精确性PGISGMD数据。

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