A Hybrid CNN–GRU–LSTM Algorithm with SHAP-Based Interpretability for EEG-Based ADHD Diagnosis

2025

Полный текст Открытый доступ: Gold Метаданные (CSL-JSON)
DOI 10.3390/a18080453
Достоверность данных 70 средняя
Как считается эта оценка

Складывается из проверяемых признаков самой записи: есть ли у статьи DOI, сколько независимых источников подтвердили её данные, заполнены ли обязательные поля и насколько свежо последнее подтверждение. Снижают оценку расхождения между источниками и отсутствие идентификатора. Значение от 80 означает, что запись опубликована без дополнительной проверки; от 60 до 79 — что она опубликована с пониженной достоверностью и ручная проверка желательна. Запись, выверенную редактором вручную, пересчёт не опускает ниже 90. Это оценка наших данных о статье, а не оценка самой статьи.

Аннотация

This study proposes an interpretable hybrid deep learning framework for classifying attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) using EEG signals recorded during cognitively demanding tasks. The core architecture integrates convolutional neural networks (CNNs), gated recurrent units (GRUs), and long short-term memory (LSTM) layers to jointly capture spatial and temporal dynamics. In addition to the final hybrid architecture, the CNN–GRU–LSTM model alone demonstrates excellent accuracy (99.63%) with minimal variance, making it a strong baseline for clinical applications. To evaluate the role of global attention mechanisms, transformer encoder models with two and three attention blocks, along with a spatiotemporal transformer employing 2D positional encoding, are benchmarked. A hybrid CNN–RNN–transformer model is introduced, combining convolutional, recurrent, and transformer-based modules into a unified architecture. To enhance interpretability, SHapley Additive exPlanations (SHAP) are employed to identify key EEG channels contributing to classification outcomes. Experimental evaluation using stratified five-fold cross-validation demonstrates that the proposed hybrid model achieves superior performance, with average accuracy exceeding 99.98%, F1-scores above 0.9999, and near-perfect AUC and Matthews correlation coefficients. In contrast, transformer-only models, despite high training accuracy, exhibit reduced generalization. SHAP-based analysis confirms the hybrid model’s clinical relevance. This work advances the development of transparent and reliable EEG-based tools for pediatric ADHD screening.