Artificial intelligence has made great progresses in medical data analysis, but the lack of robustness and interpretability has kept these methods from being widely deployed. In particular, data-driven models are vulnerable to adversarial attacks, which are small, targeted perturbations that dramatically degrade model performance. As a recent example, while deep learning has shown impressive performance in electrocardiogram (ECG) classification, Han et al. crafted realistic perturbations that fooled the network 74% of the time [2020]. Current adversarial defense paradigms are computationally intensive and impractical for many high dimensional problems. Previous research indicates that a network vulnerability is related to the features learned during training. We propose a novel approach based on ensemble decorrelation and Fourier partitioning for training parallel network arms into a decorrelated architecture to learn complementary features, significantly reducing the chance of a perturbation fooling all arms of the deep learning model. We test our approach in ECG classification, demonstrating a much-improved 77.2% chance of at least one correct network arm on the strongest adversarial attack tested, in contrast to a 21.7% chance from a comparable ensemble. Our approach does not require expensive optimization with adversarial samples, and thus can be scaled to large problems. These methods can easily be applied to other tasks for improved network robustness.


翻译:人工智能在医学数据分析方面取得了巨大进步,但缺乏强健性和可解释性使这些方法无法广泛应用。特别是,数据驱动模型很容易受到对抗性攻击,而对抗性攻击是小规模的,有针对性的扰动使模型性能大打折扣。作为最近的一个实例,虽然深层次的学习在心电图(ECG)分类方面表现出了令人印象深刻的性能,但Han et al. 设计了现实的触动性能,使网络蒙蔽了74%的时间[202020年]。目前的对抗性防御模式对于许多高维度问题来说是计算上密集和不切实际的。以前的研究表明,网络的脆弱性与培训期间所学到的特征有关。我们提出了一种新颖的方法,其基础是串联的、有目标的、有目标的、有目标的、有目标的、有目标的干扰,使平行网络武器成为学习补充特征的装饰结构,从而大大减少了震动的可能性。我们在ECG分类中测试了我们的方法,表明在所测试的最强度的对抗性攻击上至少有一个正确的网络臂的可能性大大改进了77.2%,这与21.7%的机率是无法比作到最昂贵的。我们所要用的方法比得力的更大。

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