Toward explainable AI-empowered cognitive health assessment
Creators
- 1. Lebanese American University
- 2. Air University
- 3. Qatar University
- 4. National University of Computer and Emerging Sciences
- 5. Al Jouf University
- 6. University of Malakand
Description
Explainable artificial intelligence (XAI) is of paramount importance to various domains, including healthcare, fitness, skill assessment, and personal assistants, to understand and explain the decision-making process of the artificial intelligence (AI) model. Smart homes embedded with smart devices and sensors enabled many context-aware applications to recognize physical activities. This study presents XAI-HAR , a novel XAI-empowered human activity recognition (HAR) approach based on key features identified from the data collected from sensors located at different places in a smart home. XAI-HAR identifies a set of new features (i.e., the total number of sensors used in a specific activity), as physical key features selection (PKFS) based on weighting criteria. Next, it presents statistical key features selection (SKFS) (i.e., mean, standard deviation) to handle the outliers and higher class variance. The proposed XAI-HAR is evaluated using machine learning models, namely, random forest (RF), K-nearest neighbor (KNN), support vector machine (SVM), decision tree (DT), naive Bayes (NB) and deep learning models such as deep neural network (DNN), convolution neural network (CNN), and CNN-based long short-term memory (CNN-LSTM). Experiments demonstrate the superior performance of XAI-HAR using RF classifier over all other machine learning and deep learning models. For explainability, XAI-HAR uses Local Interpretable Model Agnostic (LIME) with an RF classifier. XAI-HAR achieves 0.96% of F-score for health and dementia classification and 0.95 and 0.97% for activity recognition of dementia and healthy individuals, respectively.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
يعد الذكاء الاصطناعي القابل للتفسير (XAI) ذا أهمية قصوى لمختلف المجالات، بما في ذلك الرعاية الصحية واللياقة البدنية وتقييم المهارات والمساعدين الشخصيين، لفهم وشرح عملية صنع القرار لنموذج الذكاء الاصطناعي (AI). مكّنت المنازل الذكية المضمنة بالأجهزة الذكية وأجهزة الاستشعار العديد من التطبيقات الواعية بالسياق من التعرف على الأنشطة البدنية. تقدم هذه الدراسة XAI - HAR، وهو نهج جديد للتعرف على النشاط البشري (HAR) مدعوم من XAI بناءً على الميزات الرئيسية التي تم تحديدها من البيانات التي تم جمعها من أجهزة الاستشعار الموجودة في أماكن مختلفة في المنزل الذكي. يحدد XAI - HAR مجموعة من الميزات الجديدة (أي العدد الإجمالي لأجهزة الاستشعار المستخدمة في نشاط معين)، مثل اختيار الميزات الرئيسية المادية (PKFS) بناءً على معايير الترجيح. بعد ذلك، يقدم اختيار السمات الرئيسية الإحصائية (SKFS) (أي الانحراف المعياري) للتعامل مع القيم المتطرفة وتباين الطبقة الأعلى. يتم تقييم XAI - HAR المقترح باستخدام نماذج التعلم الآلي، وهي الغابة العشوائية (RF)، K - nearest neighbor (KNN)، آلة ناقلات الدعم (SVM)، شجرة القرار (DT)، Bayes الساذجة (NB) ونماذج التعلم العميق مثل الشبكة العصبية العميقة (DNN)، الشبكة العصبية الالتوائية (CNN)، والذاكرة طويلة المدى القائمة على CNN (CNN - LSTM). تُظهر التجارب الأداء المتفوق لـ XAI - HAR باستخدام مصنف التردد اللاسلكي على جميع نماذج التعلم الآلي والتعلم العميق الأخرى. من أجل التفسير، يستخدم XAI - HAR نموذجًا محليًا قابلًا للتفسير (LIME) مع مصنف RF. حقق XAI - HAR 0.96 ٪ من درجة F لتصنيف الصحة والخرف و 0.95 و 0.97 ٪ للتعرف على نشاط الخرف والأفراد الأصحاء، على التوالي.Translated Description (French)
L'intelligence artificielle explicable (IAX) est d'une importance primordiale dans divers domaines, y compris les soins de santé, la condition physique, l'évaluation des compétences et les assistants personnels, pour comprendre et expliquer le processus de prise de décision du modèle d'intelligence artificielle (IA). Les maisons intelligentes intégrées avec des appareils et des capteurs intelligents ont permis à de nombreuses applications contextuelles de reconnaître les activités physiques. Cette étude présente XAI-HAR, une nouvelle approche de reconnaissance de l'activité humaine (HAR) basée sur les caractéristiques clés identifiées à partir des données collectées à partir de capteurs situés à différents endroits dans une maison intelligente. XAI-HAR identifie un ensemble de nouvelles caractéristiques (c'est-à-dire le nombre total de capteurs utilisés dans une activité spécifique), en tant que sélection de caractéristiques physiques clés (PKFS) basée sur des critères de pondération. Ensuite, il présente la sélection statistique des caractéristiques clés (SKFS) (c'est-à-dire la moyenne, l'écart type) pour gérer les valeurs aberrantes et la variance de classe supérieure. Le XAI-HAR proposé est évalué à l'aide de modèles d'apprentissage automatique, à savoir, la forêt aléatoire (RF), le plus proche voisin K (KNN), la machine à vecteur de support (SVM), l'arbre de décision (DT), Bayes naïf (NB) et des modèles d'apprentissage profond tels que le réseau neuronal profond (DNN), le réseau neuronal à convolution (CNN) et la mémoire à long terme basée sur CNN (CNN-LSTM). Les expériences démontrent la performance supérieure de XAI-HAR en utilisant le classificateur RF par rapport à tous les autres modèles d'apprentissage automatique et d'apprentissage profond. Pour des raisons d'explicabilité, XAI-HAR utilise Local Interpretable Model Agnostic (LIME) avec un classificateur RF. XAI-HAR atteint 0,96 % du score F pour la classification de la santé et de la démence et 0,95 et 0,97 % pour la reconnaissance de l'activité de la démence et des individus en bonne santé, respectivement.Translated Description (Spanish)
La inteligencia artificial explicable (XAI) es de suma importancia para varios dominios, incluidos la atención médica, la condición física, la evaluación de habilidades y los asistentes personales, para comprender y explicar el proceso de toma de decisiones del modelo de inteligencia artificial (IA). Las casas inteligentes integradas con dispositivos y sensores inteligentes permitieron que muchas aplicaciones sensibles al contexto reconocieran las actividades físicas. Este estudio presenta XAI-HAR, un novedoso enfoque de reconocimiento de actividad humana (HAR) potenciado por XAI basado en características clave identificadas a partir de los datos recopilados de sensores ubicados en diferentes lugares de un hogar inteligente. XAI-HAR identifica un conjunto de nuevas características (es decir, el número total de sensores utilizados en una actividad específica), como selección de características clave físicas (PKFS) basada en criterios de ponderación. A continuación, presenta la selección de características clave estadísticas (SKFS) (es decir, la media, la desviación estándar) para manejar los valores atípicos y la varianza de clase más alta. El XAI-HAR propuesto se evalúa utilizando modelos de aprendizaje automático, a saber, bosque aleatorio (RF), vecino más cercano a K (KNN), máquina de vectores de soporte (SVM), árbol de decisiones (DT), Bayes ingenuo (NB) y modelos de aprendizaje profundo como red neuronal profunda (DNN), red neuronal de convolución (CNN) y memoria a largo plazo basada en CNN (CNN-LSTM). Los experimentos demuestran el rendimiento superior de XAI-HAR utilizando el clasificador de RF sobre todos los demás modelos de aprendizaje automático y aprendizaje profundo. Para explicarlo, XAI-HAR utiliza Local Interpretable Model Agnostic (LIME) con un clasificador de RF. XAI-HAR alcanza el 0,96% de la puntuación F para la clasificación de salud y demencia y el 0,95 y el 0,97% para el reconocimiento de la actividad de la demencia y los individuos sanos, respectivamente.Files
pdf.pdf
Files
(2.3 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:770fbb287cd07e7f2c099cc646193551
|
2.3 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- نحو تقييم قابل للتفسير للصحة المعرفية مدعوم بالذكاء الاصطناعي
- Translated title (French)
- Vers une évaluation de la santé cognitive basée sur l'IA explicable
- Translated title (Spanish)
- Hacia una evaluación de la salud cognitiva explicable y potenciada por la IA
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4323666669
- DOI
- 10.3389/fpubh.2023.1024195
References
- https://openalex.org/W1636244751
- https://openalex.org/W1840019162
- https://openalex.org/W1995160531
- https://openalex.org/W2021361613
- https://openalex.org/W2092877006
- https://openalex.org/W2114474724
- https://openalex.org/W2131718037
- https://openalex.org/W2143684265
- https://openalex.org/W2148143831
- https://openalex.org/W2161897659
- https://openalex.org/W2296193698
- https://openalex.org/W2409233683
- https://openalex.org/W2436529436
- https://openalex.org/W2513779307
- https://openalex.org/W2516842942
- https://openalex.org/W2544377144
- https://openalex.org/W2557794071
- https://openalex.org/W2579323840
- https://openalex.org/W2593887237
- https://openalex.org/W2771014575
- https://openalex.org/W2789471414
- https://openalex.org/W2795179459
- https://openalex.org/W2796802878
- https://openalex.org/W2804604184
- https://openalex.org/W2886354130
- https://openalex.org/W2887010558
- https://openalex.org/W2895144199
- https://openalex.org/W2911034194
- https://openalex.org/W2928949141
- https://openalex.org/W2939268958
- https://openalex.org/W2967885500
- https://openalex.org/W2976876257
- https://openalex.org/W2999681686
- https://openalex.org/W3000541769
- https://openalex.org/W3007887826
- https://openalex.org/W3012400554
- https://openalex.org/W3016422726
- https://openalex.org/W3031765992
- https://openalex.org/W3085802240
- https://openalex.org/W3095677657
- https://openalex.org/W3099714368
- https://openalex.org/W3109877856
- https://openalex.org/W3119460354
- https://openalex.org/W3120777630
- https://openalex.org/W3159026521
- https://openalex.org/W3171628833
- https://openalex.org/W3172282874
- https://openalex.org/W3182967956
- https://openalex.org/W3184550865
- https://openalex.org/W3187140209
- https://openalex.org/W3208698339
- https://openalex.org/W4210969582
- https://openalex.org/W4242236625
- https://openalex.org/W4255262795
- https://openalex.org/W4281946785
- https://openalex.org/W4283079749
- https://openalex.org/W4297399257