AI預(yù)測(cè)心力衰竭，準(zhǔn)確率竟能100%？！AI研究引發(fā)強(qiáng)烈質(zhì)疑，網(wǎng)友：門外漢濫用機(jī)器學(xué)習(xí)

栗子 2019-10-19 14:06:56 來(lái)源：量子位

栗子 曉查 發(fā)自 凹非寺

量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

只要輸入一次心跳的波譜。

就能判斷一個(gè)人有沒有發(fā)生心力衰竭 (CHF) ，準(zhǔn)確率100%。

這是英國(guó)華威大學(xué)領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)，用機(jī)器學(xué)習(xí)方法做出的新成果。

還登上了影響因子2.943的Biomedical Signal Processing and Control期刊。

準(zhǔn)確率眼看就要突破天際，高得反常識(shí)，招來(lái)了鋪天蓋地的質(zhì)疑：

主要的疑點(diǎn)有兩個(gè)：疑似過(guò)擬合 (沒有規(guī)律硬拗出規(guī)律) ，疑似數(shù)據(jù)泄漏 (訓(xùn)練集和測(cè)試集有重疊) 。

一日之間，話題在Reddit論壇的熱度已經(jīng)超過(guò)了400：

那么，來(lái)看看到底發(fā)生了什么。

怎樣的研究

這項(xiàng)研究，是依靠心電圖 (ECG) 來(lái)推測(cè)，人有沒有出現(xiàn)充血性心力衰竭 (CHF) ，也就是人們常說(shuō)的心力衰竭：

指的是心臟沒能推送足夠的血量，維持身體所需。

來(lái)自華威大學(xué)、佛羅倫薩大學(xué)以及薩里大學(xué)的科學(xué)家們，想讓AI去看看心力衰竭的心電圖波形有沒有規(guī)律可尋。

于是，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一維的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (CNN) ，用公開的心電圖數(shù)據(jù)集，訓(xùn)練它給心電圖做二分類：正常 vs 心衰。

訓(xùn)練完成后，團(tuán)隊(duì)用490,505次心跳的數(shù)據(jù)集測(cè)試了模型，結(jié)果訓(xùn)練集上的分類準(zhǔn)確率達(dá)到了99.9%：

論文還寫到，重要的是模型發(fā)現(xiàn)了心衰的心電圖，有非常突出的形態(tài)特征可以用于診斷：

不過(guò)，研究用的數(shù)據(jù)集受到了質(zhì)疑，準(zhǔn)確率受到了質(zhì)疑，連AI發(fā)現(xiàn)的重要特征也受到了質(zhì)疑。

實(shí)驗(yàn)的漏洞

乍一看，論文的樣本數(shù)量似乎很大，論文作者采集了275,974正常的ECG心跳樣本和214,531個(gè)心臟衰竭患者的樣本，總數(shù)量達(dá)到了49萬(wàn)個(gè)。

但仔細(xì)一看，其實(shí)樣本的數(shù)量是非常少的，總共也只有33個(gè)人，一個(gè)人多個(gè)的心跳不是獨(dú)立樣本。

心衰患者的數(shù)據(jù)來(lái)自BIDMC數(shù)據(jù)集，每秒采樣250個(gè)樣本；正常人的數(shù)據(jù)來(lái)自MIT-BIH，每秒采樣128個(gè)樣本。

當(dāng)采用兩個(gè)不同數(shù)據(jù)集時(shí)，需要對(duì)其中一組數(shù)據(jù)進(jìn)行下采樣，匹配另一組數(shù)據(jù)的頻率。不過(guò)研究人員已經(jīng)注意到這一點(diǎn)，在訓(xùn)練前做了預(yù)處理，大漏洞不在這里。

但之后的訓(xùn)練過(guò)程，就令人產(chǎn)生了數(shù)據(jù)泄漏?(Data Leakage) 的質(zhì)疑。

首先，數(shù)據(jù)集被隨機(jī)分成三個(gè)較小的子集，分別進(jìn)行訓(xùn)練、驗(yàn)證和測(cè)試（相當(dāng)于總數(shù)據(jù)的50％、25％和25％）。

每個(gè)人的心跳數(shù)據(jù)只包含在了一個(gè)數(shù)據(jù)集中，沒有在多個(gè)數(shù)據(jù)集里重復(fù)出現(xiàn)。因?yàn)樽髡咧溃绻粋€(gè)人的心跳數(shù)據(jù)，在訓(xùn)練集和測(cè)試集都出現(xiàn)，存在交叉驗(yàn)證的可能性。

但是這又帶來(lái)一個(gè)問題，測(cè)試集中只有少數(shù)幾個(gè)人的數(shù)據(jù)，這就相當(dāng)于拿訓(xùn)練后的模型在個(gè)別樣本上進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果的可靠性也大打折扣。

為了保證結(jié)果在更多的數(shù)據(jù)上進(jìn)行測(cè)試，作者又想到了另一種方法，將樣本做10次隨機(jī)分割，分別進(jìn)行10次訓(xùn)練和評(píng)估，以減少分類結(jié)果帶來(lái)的差異性。

雖然一開始的方法避免了單次實(shí)驗(yàn)的交叉驗(yàn)證，但是多次實(shí)驗(yàn)取平均，等于又把交叉驗(yàn)證的問題帶了回來(lái)，造成了數(shù)據(jù)泄露（Data Leakage）。

然后，作者一個(gè)只有33個(gè)樣本的數(shù)據(jù)上，用了三個(gè)1D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行擬合，準(zhǔn)確率近乎100%，難免不讓人覺得是過(guò)擬合。

在訓(xùn)練集上避免過(guò)擬合，本來(lái)是“煉丹”過(guò)程的常識(shí)，卻被作者作為一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)來(lái)宣傳。難怪有網(wǎng)友在吐槽：這是一篇門外漢寫的機(jī)器學(xué)習(xí)論文。

100%對(duì)于非機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的人來(lái)說(shuō)是一件令人驚嘆的事情，而專業(yè)人士看到只會(huì)說(shuō)“什么鬼”。

這篇論文還被發(fā)表在正式期刊上，有網(wǎng)友感嘆：審稿人的水平哪去了，這個(gè)問題看不出來(lái)？

另外，Hacker News上還有人 (@Cass) 說(shuō)，AI總結(jié)出的兩類心電圖 (正常vs心衰)，根本就有問題：

看圖4 (下圖) ，正常心電圖的“平均”波形，壓根不是這樣。P太平了，Q太大了，R太鈍了，S和T之間也不應(yīng)該有那個(gè)額外的波。

如果，提取的正常人平均值都能這么混亂，得出怎樣的結(jié)果都不奇怪了。

一直被濫用

這篇論文在Reddit上引起了激烈討論。

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)大熱，很多其他領(lǐng)域的研究者，也開始用機(jī)器學(xué)習(xí)模型，來(lái)執(zhí)行自己領(lǐng)域的任務(wù)。而跨學(xué)科的研究人員，如果對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的理解不足，很容易出現(xiàn)大問題。

比如，數(shù)據(jù)泄漏的問題，讓人想起了去年8月在Nature發(fā)表的一篇預(yù)測(cè)余震的論文，來(lái)自谷歌和哈佛。今年，一位名叫Rajiv Shah的數(shù)據(jù)科學(xué)家用自己的實(shí)驗(yàn)證明，這篇文章是“深度學(xué)習(xí)的錯(cuò)誤用法”。

他一共提出了三個(gè)致命缺陷：

最大的缺陷就是數(shù)據(jù)泄漏。算法在測(cè)試集上的表現(xiàn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)訓(xùn)練集。查看數(shù)據(jù)集發(fā)現(xiàn)，測(cè)試集和訓(xùn)練集，包含許多相同的地震。把重疊部分去掉之后，模型的表現(xiàn)下降到了傳統(tǒng)方法的水平。

第二個(gè)缺陷是，用隨機(jī)森林這樣的簡(jiǎn)單方法，也得出了相似的表現(xiàn)和結(jié)論。能用簡(jiǎn)單的方法，卻用了復(fù)雜的方法，這就是消融實(shí)驗(yàn) (Ablation Studies) 沒做好。

第三個(gè)缺陷是，論文中訓(xùn)練用了470萬(wàn)行數(shù)據(jù)，而Shah用1500行數(shù)據(jù)，就得到了幾乎一樣的表現(xiàn)。Shah認(rèn)為，能用少量的數(shù)據(jù)解決問題，就不該用成千上萬(wàn)倍的數(shù)據(jù)量。

這次重大的質(zhì)疑，引起了業(yè)內(nèi)的巨大關(guān)注，甚至有許多同行都來(lái)一起找Bug：

10月2日，Nature又刊登了一篇質(zhì)疑這項(xiàng)余震預(yù)測(cè)的論文，證明一個(gè)神經(jīng)元的預(yù)測(cè)效果比一個(gè)六層的網(wǎng)絡(luò)還要好，相當(dāng)于否定了一年前的研究成果。

這篇后發(fā)的論文指出，僅使用兩個(gè)參數(shù)的邏輯回歸模型，可以達(dá)到與深度學(xué)習(xí)方法相同的預(yù)測(cè)能力。

機(jī)器學(xué)習(xí)是個(gè)好工具，但在使用它們的時(shí)候，需要充分了解它的特性、使用方法和局限性，而不是一味地套用，簡(jiǎn)單粗暴地進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。

目前機(jī)器學(xué)習(xí)還處在技術(shù)曲線的頂峰，等到熱潮褪去，才能知道誰(shuí)是真正的干貨。

新聞報(bào)道：

https://www.surrey.ac.uk/news/new-ai-neural-network-approach-detects-heart-failure-single-heartbeat-100-accuracy

https://www.forbes.com/sites/nicholasfearn/2019/09/12/artificial-intelligence-detects-heart-failure-from-one-heartbeat-with-100-accuracy/#228e5a067ac9

論文地址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1746809419301776

— 完 —