基于卷积长短时记忆网络的心律失常分类方法

图共 6个表共 5个

图 1 心电信号预处理

Figure 1.
图 2 C-LSTM网络结构

Figure 2.
图 3 各类别心电信号分段结果

Figure 3.
图 4 CNN提取到的信号特征

Figure 4.
图 5 网络训练和验证性能图

Figure 5.
图 6 网络测试集混淆矩阵

Figure 6.

层数	层名称	卷积核大小	卷积核个数	激活函数	步长	参数	输出大小
0	输入	–	–	–	–		300×1
1	1维卷积	5×1	16	ReLU	1	96	300×16
2	批归一化	–	–	–	–	128	300×16
3	1维卷积	5×1	16	ReLU	1	1424	300×16
4	批归一化	–	–	–	–	1456	300×16
5	最大池化	2	16	–	2	32	150×16
6	1维卷积	3×1	32	ReLU	1	3024	150×32
7	批归一化	–	–	–	–	3088	150×32
8	1维卷积	3×1	32	ReLU	1	6192	150×32
9	批归一化	–	–	–	–	6256	150×32
10	最大池化	2	32	–	2	64	75×32
11	1维卷积	5×1	64	ReLU	1	16560	75×64
12	批归一化	–	–	–	–	16688	75×64
13	1维卷积	5×1	1	ReLU	1	28800	75×1
14	批归一化	–	–	–	–	28928	75×1
15	最大池化	2	1	–	2	2	38×1

表 1 CNN模型的细节和参数

层名称隐含单元激活函数参数

长短时记忆层 32 – 12
全连接 256 ReLU 9996
全连接 5 Softmax 11024

表 2 LSTM模型的细节和参数

AAMI类别	类别数量	MIT-BIH心跳节拍类别
Normal(N)	89972	正常(NOR)
		左束支传导阻塞(LBBB)
		右束支传导阻塞(RBBB)
		房性逸搏(AE)
		结性逸搏(NE)
Supraventricular(S)	2758	房性早搏(AP)
		异常房性早搏(aAP)
		交界性早搏(NP)
		室上性早搏(SP)
Ventricular(V)	7140	室性早搏(PVC)
Ventricular(V)	7140	室性逸搏(VE)
Fusion(F)	800	心室融合心跳(fVN)
Unknown(Q)	30	起搏心跳(P)
		起搏融合心跳(fPN)
		未分类心跳(U)

表 3 AAMI标准在心电信号分类中描述

网络	评价参数	模型类别
网络	评价参数	N	S	V	F	Q
LSTM	Acc	99.54	99.62	99.44	99.71	99.97
	Sen	99.87	91.06	95.66	80.19	0
	Spe	96.91	99.86	99.76	99.58	99.99
	PPV	99.61	95.09	97.00	78.70	0.00
C-LSTM	Acc	99.52	99.61	99.51	99.84	99.97
	Sen	99.78	92.11	96.63	88.52	0
	Spe	98.36	99.83	99.73	99.93	99.99
	PPV	99.68	94.08	96.45	91.53	0.00

表 4 LSTM网络和C-LSTM网络测试集的相关评价参数(%)

研究	类型	分类器	信号长度	性能(%)
研究	类型	分类器	信号长度	Acc	Sen	Spe	PPV
文献[19]	4	FFNN	250 samples (0.69 s)	96.94	97.78	96.31	–
文献[17]	17	KNN	360 samples (1.00 s)	97.00	97.10	96.90	–
文献[18]	5	SVM+RBF	200 samples (0.56 s)	98.91	98.91	97.85	–
文献[4]	14	NPE+SVM	300 samples (0.83 s)	98.51	98.51	–	98.51
文献[11]	5	CNN	360 samples (1.00 s)	94.03	96.71	91.54	97.86
文献[20]	4	SVM	8×1071	98.39	96.86	98.92	96.85
文献[12]	5	CNN	73×73	98.42	72.06	97.83	65.91
文献[15]	5	FCMDBN	200 samples (0.56 s)	96.54	94.55	93.31	93.91
文献[14]	2	CNN+RNN	211×24	95.76	87.85	87.85	94.99
本文方法	5	LSTM	300 sample (0.83 s)	99.14	91.70	99.22	92.60
本文方法	5	C-LSTM	300 →38 samples(0.83 s)→(0.12 s)	99.23	94.26	99.57	95.44

表 5 自动检测心律失常分类结果性能比较