Deep time–frequency representation and progressive decision fusion for ECG classification
计 算 机 与 大 数 据 学 院 Fuzhou University Deep time–frequency representation and progressive decision fusion for ECG classification 论 文 出 处 ： Knowledge-Based Systems 发 表 时 间 ： 2020 汇 报 人 ： 陈 果 日 期 ： 2023-9-22 基 于 深 度 时 频 表 示 和 渐 进 决 策 融 合 的 ECG 分 类
1.引言
1. 引 言 早 期 识 别 ECG 信 号 中 的 异 常 节 奏 对 于 监 测 和 诊 断 患 者 的 心 脏 状 况 至 关 重 要 ， 可 以 增 加 治 疗 的 成 功 率 。 由 于 心 律 的 广 泛 分 类 、 噪 声 和 缺 乏 大 规 模 的 实 际 注 释 数 据 ， 将 异 常 节 奏 分 类 为 确 切 的 类 别 非 常 具 有 挑 战 性 。 与 先 前 利 用 手 工 制 作 的 特 征 或 从 原 始 信 号 域 中 学 习 特 征 的 方 法 不 同 ， 本 文 提 出 了 一 种 新 的 ECG 分 类 方 法 ， 通 过 学 习 深 度 的 时 频 表 示 并 在 不 同 的 时 间 尺 度 上 以 端 到 端 的 方 式 进 行 渐 进 的 决 策 融 合 。 首 先 ， 使 用 短 时 傅 里 叶 变 换 将 ECG 波 形 信 号 转 换 为 时 频 域 。 接 下 来 ， 在 特 定 长 度 的 ECG 样 本 上 训 练 了 几 个 尺 度 特 定 的 深 度 卷 积 神 经 网 络 。 最 后 ， 提 出 了 一 种 渐 进 的 在 线 决 策 融 合 方 法 ， 将 尺 度 特 定 模 型 的 决 策 融 合 成 更 准 确 和 稳 定 的 一 个 决 策 。
2.相关工作
2. 相 关 工 作 传 统 的 ECG 分 类 方 法 主 要 包 括 两 个 连 续 的 模 块 ： 特 征 提 取 和 分 类 器 训 练 。 特 征 提 取 ： 手 工 设 计 的 特 征 在 时 域 或 频 域 中 被 提 取 ， 包 括 振 幅 、 间 隔 和 高 阶 统 计 等 ； 还 有 一 些 方 法 如 滤 波 器 组 、 卡 尔 曼 滤 波 器 、 主 成 分 分 析 和 小 波 变 换 。 分 类 ： 各 种 分 类 模 型 也 已 研 究 ， 包 括 隐 马 尔 可 夫 模 型 、 支 持 向 量 机 、 人 工 神 经 网 络 和 专 家 混 合 方 法 。 其 中 ， 基 于 人 工 神 经 网 络 的 方 法 数 量 较 多 ， 因 其 具 有 更 好 的 建 模 能 力 。 尽 管 这 些 方 法 有 其 实 用 性 ， 但 它 们 也 存 在 一 些 共 同 的 缺 点 ： (1) 手 工 特 征 依 赖 于 领 域 专 家 的 知 识 ， 需 要 仔 细 设 计 和 测 试 ； (2) 分 类 器 需 要 适 当 地 建 模 这 些 特 征 的 能 力 ； (3) ECG 信 号 的 类 型 通 常 是 有 限 的 。
3.模型
3. 模 型
3.模型-问题定义
3. 模 型 - 问 题 定 义 将 ECG 波 形 信 号 集 表 示 为 ： 特 征 提 取 可 以 描 述 为 ： 分 类 器 预 测 其 类 别 为 :
3.模型
3. 模 型 首 先 通 过 使 用 短 时 傅 立 叶 变 换 将 原 始 ECG 波 信 号 变 换 到 时 频 域 以 获 得 ECG 频 谱 图 表 示 。
3.模型
3. 模 型 使 用 二 维 频 谱 图 作 为 输 入 ， 因 此 本 文 设 计 了 一 个 涉 及 二 维 卷 积 的 深 度 CNN 架 构 。 具 体 而 言 ， 所 提 出 的 架 构 包 括 3 个 卷 积 层 和 2 个 全 连 接 层 。 在 前 两 个 卷 积 层 之 后 分 别 存 在 最 大 池 化 层 和 ReLU 层 ， 并 且 在 最 后 一 个 卷 积 层 之 后 分 别 存 在 最 大 池 化 层 。 通 常 ， 单 个 心 跳 被 检 测 并 分 类 。 然 而 ， 由 于 长 信 号 在 给 定 的 采 样 率 下 包 含 更 多 的 心 跳 ， 因 此 对 其 的 预 测 会 更 加 准 确 。 在 本 文 中 ， 合 成 ECG 数 据 集 中 每 个 样 本 的 长 度 为 16384 ， 采 样 率 为 512 Hz ， 持 续 时 间 为 32 秒 。 我 们 将 每 个 样 本 分 割 成 长 度 相 同 的 512 的 子 样 本 。 此 外 ， 为 了 比 较 长 样 本 模 型 的 性 能 ， 我 们 还 将 每 个 样 本 分 割 成 不 同 长 度 的 子 样 本 ， 例 如 ， 2 秒 、 4 秒 、 8 秒 、 16 秒 。
3.模型-渐进式在线决策融合
3. 模 型 - 渐 进 式 在 线 决 策 融 合 对 于 在 线 测 试 ， 随 着 信 号 长 度 的 增 长 ， 可 以 使 用 特 定 尺 度 的 模 型 按 顺 序 进 行 测 试 。 较 低 级 别 的 模 型 基 于 短 信 号 内 的 局 部 模 式 做 出 决 策 ， 而 较 高 级 别 的 模 型 则 基 于 长 信 号 内 的 全 局 模 式 做 出 决 策 。 这 些 模 型 可 以 被 视 为 专 注 于 不 同 尺 度 的 不 同 专 家 ， 他 们 的 决 策 是 互 补 的 ， 并 且 可 以 被 融 合 为 更 准 确 和 稳 定 的 决 策 渐 进 式 在 线 决 策 融 合 方 法 ： 随 着 样 本 长 度 （ 尺 度 s ） 的 增 长 ， 方 差 σs 会 减 小 ， 因 为 会 积 累 更 多 的 “ 证 据 ”
4.实验
4. 实 验 使 用 ECG 模 拟 器 构 建 了 一 个 合 成 数 据 集 。 该 模 拟 器 可 以 在 不 同 的 参 数 设 置 下 生 成 不 同 类 型 的 ECG 信 号 。 通 常 ， ECG 信 号 包 括 四 种 类 型 的 特 征 ， 即 趋 势 、 周 期 、 不 规 则 性 和 突 发 。 为 了 涵 盖 这 些 特 征 ， 选 择 了 20 种 ECG 信 号 类 别 。 总 共 有 2426 个 样 本 ， 每 个 类 别 约 有 120 个 样 本 。 每 个 样 本 的 最 大 长 度 为 16384 点 ， 采 样 率 为 512Hz 。 在 随 机 位 置 分 割 序 列 并 通 过 改 变 它 们 的 顺 序 合 并 它 们 。 对 比 的 方 法 ：
4.实验
4. 实 验
4.实验
4. 实 验 比 较 了 两 种 融 合 权 重 （ 均 匀 模 型 和 有 利 于 高 级 模 型 的 一 个 计 算 ） ： 融 合 结 果 始 终 优 于 单 尺 度 模 型 的 结 果 。 证 明 了 所 提 出 的 在 线 决 策 融 合 方 法 的 有 效 性 。
4.实验
4. 实 验 分 别 记 录 了 该 方 法 在 GPU 和 CPU 模 式 下 的 运 行 时 间 。 可 以 看 出 ， 即 使 针 对 整 个 序 列 （ 级 别 6 ） 测 试 ， 运 行 时 间 也 仅 为 0.33ms 。 测 试 了 TX2 嵌 入 式 板 。 GPU 模 式 和 CPU 模 式 下 的 运 行 时 间 相 当 。 总 之 ， 所 提 出 的 方 法 是 非 常 有 效 的 ， 并 有 希 望 集 成 到 一 个 便 携 式 心 电 监 护 仪 有 限 的 计 算 资 源 。
5.贡献
5. 贡 献 （ 1 ） 提 出 了 一 种 基 于 深 度 CNN 的 新 颖 的 ECG 信 号 分 类 方 法 。 它 通 过 计 算 原 始 波 形 信 号 的 短 时 傅 立 叶 变 换 ， 从 时 频 域 中 学 习 到 有 区 分 性 的 特 征 表 示 。 （ 2 ） 所 提 出 的 在 线 决 策 融 合 方 法 将 来 自 不 同 尺 度 特 定 模 型 的 互 补 决 策 融 合 为 更 准 确 的 结 果 。 （ 3 ） 所 提 出 的 方 法 在 计 算 上 是 高 效 的 ， 并 有 望 集 成 到 具 有 有 限 计 算 资 源 的 便 携 式 ECG 监 测 器 中 。
谢谢！
计 算 机 与 大 数 据 学 院 Fuzhou University 谢 谢 ！