We propose a novel anomaly detection method for echocardiogram videos. The introduced method takes advantage of the periodic nature of the heart cycle to learn three variants of a variational latent trajectory model (TVAE). While the first two variants (TVAE-C and TVAE-R) model strict periodic movements of the heart, the third (TVAE-S) is more general and allows shifts in the spatial representation throughout the video. All models are trained on the healthy samples of a novel in-house dataset of infant echocardiogram videos consisting of multiple chamber views to learn a normative prior of the healthy population. During inference, maximum a posteriori (MAP) based anomaly detection is performed to detect out-of-distribution samples in our dataset. The proposed method reliably identifies severe congenital heart defects, such as Ebstein's Anomaly or Shone-complex. Moreover, it achieves superior performance over MAP-based anomaly detection with standard variational autoencoders when detecting pulmonary hypertension and right ventricular dilation. Finally, we demonstrate that the proposed method enables interpretable explanations of its output through heatmaps highlighting the regions corresponding to anomalous heart structures.


翻译:我们建议对回声心血管视频采用新的异常检测方法。引入的方法利用心脏周期周期的周期性来学习变幻潜轨模型(TVAE)的三个变体。前两个变体(TVAE-C和TVAE-R)模型严格定期心脏运动,而第三种变体(TVAE-S)则比较一般,允许在整个视频中空间代表制的变化。所有模型都对婴儿回声心血管视频的新式内部数据集的健康样本进行了培训,该数据集由多个室视图组成,以学习健康人群之前的规范。在推断过程中,对基于外表的异常现象进行了最大程度的检测,以探测出处样本。拟议方法可靠地识别了严重的先天性心功能缺陷,如Ebstein's Anomaly 或Shone-complex等。此外,所有模型在探测肺部高血压和右心血管变异变相时,都比MAP的异常检测效果优。最后,我们证明拟议方法能够通过热光谱区域显示其输出结构的解释性。

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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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