Machine vision models, particularly deep neural networks, are increasingly applied to physiological signal interpretation, including electrocardiography (ECG), yet they typically require large training datasets and offer limited insight into the causal features underlying their predictions. This lack of data efficiency and interpretability constrains their clinical reliability and alignment with human reasoning. Here, we show that a perception-informed pseudo-colouring technique, previously demonstrated to enhance human ECG interpretation, can improve both explainability and few-shot learning in deep neural networks analysing complex physiological data. We focus on acquired, drug-induced long QT syndrome (LQTS) as a challenging case study characterised by heterogeneous signal morphology, variable heart rate, and scarce positive cases associated with life-threatening arrhythmias such as torsades de pointes. This setting provides a stringent test of model generalisation under extreme data scarcity. By encoding clinically salient temporal features, such as QT-interval duration, into structured colour representations, models learn discriminative and interpretable features from as few as one or five training examples. Using prototypical networks and a ResNet-18 architecture, we evaluate one-shot and few-shot learning on ECG images derived from single cardiac cycles and full 10-second rhythms. Explainability analyses show that pseudo-colouring guides attention toward clinically meaningful ECG features while suppressing irrelevant signal components. Aggregating multiple cardiac cycles further improves performance, mirroring human perceptual averaging across heartbeats. Together, these findings demonstrate that human-like perceptual encoding can bridge data efficiency, explainability, and causal reasoning in medical machine intelligence.


翻译:机器视觉模型,特别是深度神经网络,正日益应用于生理信号解读(包括心电图),但它们通常需要大量训练数据,且对其预测背后的因果特征提供有限洞察。这种数据效率和可解释性的不足限制了其临床可靠性以及与人类推理的一致性。本文研究表明,一种先前被证明能增强人类心电图解读能力的感知启发的伪着色技术,能够改善深度神经网络在分析复杂生理数据时的可解释性和小样本学习性能。我们以获得性药物诱导的长QT综合征作为具有挑战性的案例研究,其特点是信号形态异质、心率多变以及与尖端扭转型室速等危及生命的心律失常相关的阳性病例稀少。这种设置为模型在极端数据稀缺情况下的泛化能力提供了严格检验。通过将QT间期持续时间等临床显著的时间特征编码为结构化颜色表示,模型能够从少至一个或五个训练样本中学习到具有区分性和可解释性的特征。利用原型网络和ResNet-18架构,我们评估了在源自单个心动周期和完整10秒节律的心电图图像上进行的一次性及小样本学习。可解释性分析表明,伪着色技术能够引导模型关注具有临床意义的心电图特征,同时抑制不相关的信号成分。聚合多个心动周期进一步提升了性能,这模仿了人类跨心跳的感知平均过程。综上所述,这些发现证明类人感知编码能够在医疗机器智能中弥合数据效率、可解释性与因果推理之间的鸿沟。

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