深度醫(yī)療是筆者基于深度學(xué)習(xí)的醫(yī)學(xué)項(xiàng)目應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)踐，經(jīng)過(guò)整理輸出了文檔和本系列課程，希望通過(guò)分享可以和大家共同討論、相互學(xué)習(xí)，探索更好的解決方案。筆者是一名普通的大數(shù)據(jù)和人工智能領(lǐng)域從業(yè)者，過(guò)程中如有錯(cuò)誤和理解不到位的地方請(qǐng)廣大同仁不吝賜教。筆者一直堅(jiān)信深度學(xué)習(xí)和醫(yī)學(xué)的有機(jī)結(jié)合一定能碰撞出性能強(qiáng)大的深度醫(yī)療系統(tǒng)，服務(wù)大眾。
本文主要介紹了通過(guò)深度學(xué)習(xí)進(jìn)行心電圖特征識(shí)別的應(yīng)用，首先簡(jiǎn)單介紹了心電圖醫(yī)學(xué)背景和相關(guān)知識(shí)，接著介紹了目前能獲得的公開(kāi)的心電圖數(shù)據(jù)集，最后介紹了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方式和處理后的效果以及性能分析。
1.什么是心電圖
心臟在收縮跳動(dòng)過(guò)程，心肌內(nèi)的電流產(chǎn)生在前，心肌機(jī)械性收縮在后，應(yīng)用心電圖機(jī)以圖形形式記錄這些心肌電流的變化就叫做心電圖。大家對(duì)心電圖應(yīng)該都有直觀的印象，我們?nèi)メt(yī)院體檢一般都有這項(xiàng)功能的檢測(cè)。通過(guò)傳感器的連接檢測(cè)，會(huì)在終端打印出一張如下面所示的圖，這個(gè)就是記錄心臟整個(gè)生理周期過(guò)程的心電圖。
心電圖每一個(gè)橫格代表時(shí)間為0.04秒，每一個(gè)縱格代表電壓為0.1毫伏；1個(gè)大格=5個(gè)小格=0.04秒x5=0.2秒。所以可以得到下面的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣就可以簡(jiǎn)單的通過(guò)紙上坐標(biāo)快速得出心律的跳動(dòng)次數(shù)。
心電圖傳感器不同的連接方式對(duì)應(yīng)不同的導(dǎo)聯(lián)方式，主要分為下列兩種?
肢體導(dǎo)聯(lián)方式：
標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)Ⅰ：左上肢接正極，右上肢接負(fù)極?
標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)Ⅱ：左下肢接正極，右上肢接負(fù)極?
標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)Ⅲ：左下肢接正極，左上肢接負(fù)極?
aVR導(dǎo)聯(lián)：右手接正極，負(fù)極接中心電端?
aVL導(dǎo)聯(lián)：左手接正極，負(fù)極接中心電端?
aVF導(dǎo)聯(lián)：左下肢接正極，負(fù)極接中心電端?
胸導(dǎo)聯(lián)方式：
V1導(dǎo)聯(lián)：正極放在第四肋間胸骨旁右緣
V2導(dǎo)聯(lián)：正極放在第四肋間胸骨旁左緣
V3導(dǎo)聯(lián)：正極放在V2~V4導(dǎo)聯(lián)連線(xiàn)中點(diǎn)
V4導(dǎo)聯(lián)：正極放在第五肋間與鎖骨中線(xiàn)交點(diǎn)上
V5導(dǎo)聯(lián)：正極放在腋前線(xiàn)與V4導(dǎo)聯(lián)水平線(xiàn)的交點(diǎn)上
V6導(dǎo)聯(lián)：正極放在腋中線(xiàn)與V4導(dǎo)聯(lián)水平線(xiàn)的交點(diǎn)上
2.心電圖產(chǎn)生原理
當(dāng)心肌細(xì)胞一端的細(xì)胞膜受到一定程度的刺激時(shí)，其對(duì)鉀、鈉、氯、鈣等離子的通透性發(fā)生改變，引起細(xì)胞膜內(nèi)、外和正、負(fù)離子的流動(dòng)（主要是鈉離子的內(nèi)流），使細(xì)胞膜內(nèi)外正、負(fù)離子的分布發(fā)生逆轉(zhuǎn)，受刺激部位的細(xì)胞膜出現(xiàn)除極化，使膜外側(cè)具負(fù)電荷而膜內(nèi)側(cè)具正電荷，產(chǎn)生動(dòng)作電位使心臟產(chǎn)生收縮運(yùn)動(dòng)。
這樣周而復(fù)始，一個(gè)周期一個(gè)周期持續(xù)下去就行成了有規(guī)律的心電圖波形，也稱(chēng)為P-QRS-T波。
P-QRS-T波的形成?
心電活動(dòng)始于竇房結(jié)，并從此發(fā)出沖動(dòng)，循此特殊傳導(dǎo)系統(tǒng)的通道下傳，先后興奮心房和心室，使心臟收縮，執(zhí)行泵血功能。這種先后有序的電興奮的傳播，將引起一系列的電位改變，形成心電圖上相應(yīng)的波形。
3.數(shù)據(jù)集介紹?
我們采用的數(shù)據(jù)集是MIT-BIH Arrhythmia Database（心律失常數(shù)據(jù)庫(kù)）它是由Massachusetts Institute of Technology - 麻省理工學(xué)院和Beth Israel Hospital – 美國(guó)麻薩諸塞州波士頓Beth Israel醫(yī)院一起聯(lián)合創(chuàng)建的。
數(shù)據(jù)集中包含48 條充分標(biāo)注的2導(dǎo)聯(lián)ECG數(shù)據(jù)，每條數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)為30分鐘，其中標(biāo)注的數(shù)據(jù)是按每個(gè)心電圖周期進(jìn)行標(biāo)記的，也就是說(shuō)每個(gè)周期的P-QRS-T波形都進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)注非常的詳細(xì)，同時(shí)提供了對(duì)應(yīng)的label標(biāo)簽文件，標(biāo)注的信息可以從label標(biāo)簽文件中找到對(duì)應(yīng)的信息。標(biāo)注的信息可以從label標(biāo)簽文件中找到對(duì)應(yīng)的信息 可以通過(guò)按圖中的選擇進(jìn)行數(shù)據(jù)集的查看，做得非常的詳細(xì)。?
數(shù)據(jù)的下載地址
每條數(shù)據(jù)包含都.atr注釋文件，.dat數(shù)據(jù)文件，.hea頭文件?
頭文件主要包含一些基礎(chǔ)、單位信息
注釋文件記錄了心電專(zhuān)家對(duì)相應(yīng)的心電信號(hào)做出診斷信息
數(shù)據(jù)文件包含了心電圖的波形數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)格式是頭文件中的212格式（針對(duì)兩個(gè)信號(hào)的數(shù)據(jù)記錄，兩個(gè)信號(hào)交替存儲(chǔ)，每三個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)兩個(gè)數(shù)據(jù)）?
官方提供了PhysioBank ATM可視化網(wǎng)站，可進(jìn)行在線(xiàn)查看，非常方便
4.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)?
因?yàn)樾碾妶D是周期性的波形數(shù)據(jù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)了兩種方式進(jìn)行處理，包含一個(gè)周期波形的數(shù)據(jù)通過(guò)single pattern模式進(jìn)行處理，包含多個(gè)周期波形的數(shù)據(jù)通過(guò)multiple pattern模式處理。為什么這么做是因?yàn)閟ingle pattern模式下只包含一個(gè)周期的波形，我們簡(jiǎn)單的認(rèn)為在一個(gè)周期波形下只包含一種病變信息，也就是說(shuō)簡(jiǎn)單的認(rèn)為它只包含一個(gè)判決結(jié)果，而multiple pattern模式中多個(gè)波形有可能就會(huì)包含多種病變信息，也就是多分類(lèi)問(wèn)題了（這里的single pattern也有可能一個(gè)波形對(duì)應(yīng)幾個(gè)病變信息，為了把問(wèn)題簡(jiǎn)單化同時(shí)闡述得更清楚，這里就認(rèn)為single pattern模式只包含一種判別結(jié)果）
基于single pattern模式?
為了能完整的包含一個(gè)P-QRS-T波，所以數(shù)據(jù)兩頭多引入了半個(gè)波形。模型中用到了三層ResNet和一層全連接層，這個(gè)模型并不見(jiàn)得好，在這里只是為了拋磚迎玉，大家在實(shí)際開(kāi)發(fā)中可以進(jìn)行測(cè)試和架構(gòu)的優(yōu)化來(lái)提高性能。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
multiple pattern模式?
輸入數(shù)據(jù)包含幾個(gè)周期波形，所以該情況下就會(huì)出現(xiàn)某個(gè)波形數(shù)據(jù)下包含一個(gè)以上特征，意味著softmax輸出不是一種特征輸出，而是會(huì)出現(xiàn)幾種可能并列出現(xiàn)的情況，這個(gè)時(shí)候前面single pattern的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就不能處理這種情況；?
這里也以一個(gè)稍微簡(jiǎn)單的情況進(jìn)行講解，假設(shè)一個(gè)波形最多包含2種特征（最少也有一種，正?；蛘咂渌±恚?，這種情況下我們采用兩個(gè)并行的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)判別波形的一半label，另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)判別波形的另外一半label，完成鑒別后合并這些特征就能進(jìn)行多特征判別。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?
誤差收斂曲線(xiàn)
5.存在的問(wèn)題和優(yōu)化方案
1）實(shí)際項(xiàng)目中輸入數(shù)據(jù)不是.dat文件，可能是圖片數(shù)據(jù)，這個(gè)時(shí)候需要通過(guò)調(diào)整CNN的濾波器維度來(lái)進(jìn)行匹配，例如系統(tǒng)中現(xiàn)在用的是1x3的濾波器，圖片處理時(shí)，由于是二維數(shù)據(jù)，所以需要變換成3x3的濾波器；
2）通過(guò)其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，例如可以考慮引入dense net或在multiple pattern下把并行的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)完成dense net；
3）在特定場(chǎng)景下可以考慮RNN網(wǎng)絡(luò)的引入；
6.彩蛋
在心電圖識(shí)別這個(gè)領(lǐng)域有一個(gè)每年都舉辦的比賽，大家有興趣可以去參加。
下面是2017年比賽的結(jié)果
