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首页心衰智能诊断与分级:深度学习驱动的心电信号融合模型
本篇毕业论文聚焦于"基于多特征融合的心衰分级模型研究",针对心血管疾病日益严峻的社会问题,特别是在老年人群中心力衰竭的高发情况,研究者利用深度学习算法和心电信号数据来开发计算机辅助诊断系统,以提高心衰诊断的效率和准确性。 首先,论文构建了一个基于单导联心电信号的心衰智能诊断模型。心电信号的形态特征,如各种波形,反映了心脏功能的状态,而时序特征则包含心动周期内的节律信息,对诊断至关重要。作者设计了一种融合形态特征和时序特征的方法,通过自动提取并整合这些特征,模型不仅能够区分心衰患者与正常人,还具备冠心病和心肌梗塞的识别能力,实现预警。经过噪声处理后的信号,模型在测试集上的性能表现优异,平均阳性预测值、灵敏度、特异性以及整体准确率均达到较高水平,这有助于医生做出更精确的诊断决策。 进一步,论文扩展到了多导联心电信号的应用,提出了心衰智能分级模型。由于心衰进程的渐进性,不同阶段需要不同的治疗策略。通过多尺度残差网络,模型能自动提取多导联信号的多尺度特征,筛选并分类,从而根据纽约心脏协会的分级指南将心衰信号分为四个等级。研究还探讨了信号长度和不同导联对分级结果的影响,结果显示使用5秒的多导联信号可以获得稳定且良好的预测指标。 整个研究不仅关注心衰的早期诊断,还注重提升分级的精确性,为临床实践提供了有力支持。通过模型的可解释性分析,研究人员能够理解模型决策背后的依据,增强了模型的可信度和实用性。这一系列工作有望在医疗领域推动人工智能在心力衰竭诊断和管理中的广泛应用,提高医疗服务的质量和效率。
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第
1
章
绪论
3
1.3
基于心电信号的心衰诊断模型研究现状
临床上对于心衰的诊断,医生主要依赖于欧洲心脏病学会(
European Society of
Cardiology, ESC
)发布的《
2016 ESC
急慢性心力衰竭诊断和治疗指南》
[12]
和我国中华
医学会编著的《中国心力衰竭诊断和治疗指南
2018
》
[3]
。这两本指南已经基本涵盖了
当前临床上对于心衰的诊断方法,但是该诊断过程过于繁琐,需要进行大量的临床检
查,大量的内外科检查在给患者带来额外的经济负担的同时,还需要漫长的时间才能
获得最终的检查结果。此外,患者与患者之间差异较大,有些心衰患者可能没有明显
症状,这些也为医生的工作带来了困难。随着机器学习技术和深度学习技术的发展,
科研人员希望通过应用这些新技术,找到一种新方法,辅助医生进行临床决策。
目前,科研人员大多使用贝丝以色列女执事医疗中心(
Beth Israel Deaconess
Medical Center, BIDMC
)的充血性心力衰竭数据库(
Congestive Heart Failure Database,
CHFDB
)
[13]
和充血性心力衰竭
RR
间隔数据库(
Congestive Heart Failure RR Interval
Database, CHF2DB
)两个公共数据库
[14]
中的数据,研究基于心电信号的心衰诊断和分
级模型。根据纽约心脏协会(
New York Heart Association, NYHA
)制定的心衰分级指
南,
CHFDB
和
CHF2DB
中的心衰患者被分为不同的等级。其中,
CHFDB
包含
15
名
NYHA Ⅲ-Ⅳ
级的心衰患者,男性
11
名,女性
4
名。每名心衰患者包含两个导联的心
电图数据,采样频率为
250Hz
。此外,每名心衰患者的心电图数据都通过心拍定位算
法对心拍进行了标注,经过算法标注之后,又有专业的医师进行纠正。
CHF2DB
包括
29
名心衰患者,其中
NYHA Ⅰ
级患者
4
名,
NYHA Ⅱ
级患者
8
名,
NYHA Ⅲ
级患者
17
名。每名心衰患者的心电图数据同样经过算法和医生注释,包括标注心拍的位置及心
拍的类型。但 是,该数据库没有保存病人的原始
ECG
信号,只能通过标注的心拍获得
病人的心率变异性(
Heart Rate Variability, HRV
)数据
[15]
。因此,使用该数据库的研究
大多是基于心率变异性。
CHFDB
和
CHF2DB
中数据的分布如表
1-1
所示。
表
1-1 CHFDB
和
CHF2DB
中数据的分布
Table 1-1 Overview of the data in CHFDB and CHF2DB
数据库名称
NYHA
等级
心衰病人数量
ECG
采样频率
CHFDB
NYHA Ⅲ-Ⅳ
级
15
250Hz
CHF2DB
NYHA Ⅰ
级
4
128Hz
(原始
ECG
不可用)
NYHA Ⅱ
级
8
NYHA Ⅲ
级
17
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太原理工大学硕士学位论文
4
为了实现对心衰病人和正常受试者的分类,
Bhurane
等人
[16]
首先使用频域局部化
离散小波变换对原始心电信号进行多分辨率分解,接着从分解后的心电信号中提取出
5
种不同的特征,最后使用二次核函数支持向量机(
Support Vector Machines, SVM
)
算法对提取出的特征进行分类。
Jovic
等人
[17]
从
5
分钟长的
HRV
信号片段中共提取出
111
种不同的特征,并使用特征选择方法对提取出的特征进行筛选,剔除大部分无用
特征,并对比了
SVM
、旋转森林和随机森林三种算法对于不同特征的分类结果。实验
结果表明,三种算法对于心衰的诊断都有着良好的效果。
Tripathy
等人
[18]
使用
Stockwell
变换对心电图信号进行时频分析,从不同频率尺度下心电信号的
S
变换系数出发,计
算出心电信号的时频熵特征。并采用了一种基于稀疏表示分类器和最近邻距离平均值
相结合的混合分类方法诊断心衰。
Hussain
等人
[19]
从
HRV
信号中提取出时频特征、线
性及非线性特征、熵特征等多种形式的特征,并采用合成少数类过采样技术
[20]
增加心
衰患者的
ECG
数量,用以平衡实验中心衰患者和正常受试者的数量,最后使用分类与
回归树算法(
Classification and Regression Tree, CART
)、
SVM
、朴素贝叶斯(
Naive
Bayesian, NB
)等算法对心衰进行诊断。
Acharya
等人
[21]
建立了一个
11
层的卷积神经
网络(
Convolutional Neural Network, CNN
)用以诊断心衰,其方法不需要进行特征提
取,便可直接对患者的心电信号分类。
Li
等人
[22]
从
HRV
信号片段中提取出距离分布
矩阵
(Distance Distribution Matrix, DDM)
,并将
DDM
视作图像输入多种经典
CNN
模型
进行心衰诊断,其提出的方法只使用一种特征就可实现心衰的诊断。
Huang
等人
[23]
设
计了一个双输入的
CNN
模型,将时域和频域的
HRV
信号片段同时输入该
CNN
模型,
该模型可以同时处理多个域的数据,自动获得不同域数据中用于识别心衰的特征,并
对获取到的特征进行分类。
综上所述,合理设计一套基于心电信号的心衰诊断算法可以减少临床上医师诊断
的主观性,并为知情决策提供定量评估。然而,上述研究大多都只关注对心衰患者和
正常受试者的区分,没有关注其他可能诱发心衰的心脏疾病。因此,一个更合理的心
衰诊断模型需要在区分心衰患者和正常受试者的基础上,还能检测出其他心脏疾病,
从而实现对心衰的预警。
1.4
基于心电信号的心衰分级模型研究现状
心衰的发展是一个缓慢的过程,不同阶段的心衰有着相应不同的治疗方法。《中国
心力衰竭诊断和治疗指南
2018
》建议:对于轻度的心衰患者,推荐改善饮食习惯并进
行适度的有氧运动,以改善体质,降低住院风险;对于中度的心衰患者,应在专业医
师的指导下,采用药物治疗;对于重度的心衰患者,需要视药物治疗效果后,通过器
械或手术治疗
[3]
。当病人确诊为心衰后,临床专家需要及时地评估病人心衰的严重程
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第
1
章
绪论
5
度,及时准确的评估可以指导医生采取最合适的治疗方法,从而减轻病人的痛苦。如
今,世界上有各种各样的指南用于指导医生评估心衰的严重程度,最广泛使用的是纽
约心脏协会制定的
NYHA
心衰分级指南
[24]
。
NYHA
心衰分级指南根据患者的身体状
况和心衰的症状,将心衰分为
4
级:
NYHA Ⅰ
级患者可以进行体力活动,并且体力活动
后不会引起明显的症状;
NYHA Ⅱ
级患者的心脏结构开始发生轻微的变化,只能进行
有限的体力活动,体力活动后有轻微症状;
NYHA Ⅲ
级患者的心脏结构发生明显变化,
体力活动后会出现明显的疲劳、气喘、心绞痛等症状;
NYHA Ⅳ
级患者的心脏结构完
全改变,不能从事任何体力活动,休息时也会出现呼吸困难、心绞痛等症状。心衰的
严重程度从
Ⅰ
级到
Ⅳ
级逐渐递增。但是,
NYHA
分级指南主要依赖于患者的陈述和医
生的经验。因此,对病人的分级结果易受医生对心衰认识水平的影响,不同的医生可
能会对同一个心衰病人的分级结果不同。综上所述,现代社会需要一种客观、有效且
方便的方法,以帮助医生评估心衰的严重程度。
Melillo
等人
[25]
将
NYHA Ⅰ
级和
NYHA Ⅱ
级心衰定义为轻度心衰,并将
NYHA Ⅲ
级
和
NYHA Ⅳ
级心衰定义为重度心衰。他们首先从心衰病人的
HRV
信号中提取出
13
个特征,接着使用
CART
算法对轻度心衰和重度心衰进行分类。
Shahbazi
等人
[26]
在
Melillo
等人
[25]
的研究基础上,采用了广义判别分析方法(
Generalized Discriminant
Analysis, GDA
)
[27]
减少从
HRV
信号中提取的特征数量,并使用
K
最近邻(
K-Nearest
Neighbor, KNN
)算法区分轻度心衰和重度心衰,他们定义轻度心衰和重度心衰的标准
和
Melillo
等人
[25]
相同。
Qu
等人
[28]
使用滑动窗口法将心衰病人的
HRV
信号裁剪成
300
长度的
HRV
片段,接着提取了
HRV
片段的时频特征、非线性特征等,并使用
SVM
和
CART
算法将心衰分为
NYHA Ⅰ
级、
NYHA Ⅱ
级和
NYHA Ⅲ
级三个级别。
Hua
等人
[29]
从心衰病人的
HRV
信号中提取了
34
个特征,接着采用序列前向选择算法(
Sequence
Forward Selection, SFS
)减少特征维度。他们采用
SVM
算法将筛选出的
5
个特征用于
区分心衰和正常受试者。此外,他们采用
KNN
算法将筛选出的
4
个特征用于将心衰
按照
NYHA
分级指南分为
4
个等级。
Chen
等人
[30]
将
HRV
信号裁剪为
5
分钟的长度,
并从
HRV
信号中提取出
180
种特征。此外,他们将后向消元(
Backward Elimination, BE
)
算法应用于特征选择。最后,他们采用了一种多阶段分类方法,将心衰分为四个级别:
正常人、轻度风险(
NYHA Ⅰ
级和
NYHA Ⅱ
级)、中度风险(
NYHA Ⅲ
级)和重度风险
(
NYHA Ⅲ-Ⅳ
级)。除了使用
ECG
信号或
HRV
信号对心衰进行分级外,
Tripoliti
等
人
[31]
和苏枫等人
[32]
基于心衰病人的临床特征对心衰进行分级,
Choi
等人
[33]
和
Zhang
等人
[34]
基于心衰病人的电子健康记录,使用自然语言处理的方法对心衰进行分级。
从上述研究现状可以看出,基于
HRV
信号的心衰分级方法的基本流程是:首先
从
HRV
信号中提取出时频特征、统计学特征、动态特征等,接着采用不同的特征选
取方法对提取出的特征进行筛选,最后使用不同的机器学习算法对筛选出的特征进行
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