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基于对数谱图的深度学习心音分类

这篇论文非常有趣,它基于心音信号的对数谱图提出了两种心率音分类模型。我们都知道,在语音识别中广泛应用频谱图。这篇论文将心音信号作为语音信号处理,并且取得了很好的效果对心音信号进行一致长度的分帧,提取其对数谱图特征,论文提出了长短期记忆(LSTM)和卷积神经网络(CNN)两种深度学习模型,根据提取的特征对心跳声进行分类。心音数据集影像学诊断包括心脏核磁共振成像(MRI)、CT扫描、心肌灌注成像。这些技术的缺点也很明显对现代机械、专业人员的要求高,诊断时间长。论文使用的数据集是公共数据集,其中包含了1000个

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    这篇论文非常有趣,它基于心音信号的对数谱图提出了两种心率音分类模型。我们都知道,在语音识别中广泛应用频谱图。这篇论文将心音信号作为语音信号处理,并且取得了很好的效果

    对心音信号进行一致长度的分帧,提取其对数谱图特征,论文提出了长短期记忆(LSTM)和卷积神经网络(CNN)两种深度学习模型,根据提取的特征对心跳声进行分类。

    心音数据集

    影像学诊断包括心脏核磁共振成像(MRI)、CT扫描、心肌灌注成像。这些技术的缺点也很明显对现代机械、专业人员的要求高,诊断时间长。

    基于对数谱图的深度学习心音分类

    论文使用的数据集是公共数据集,其中包含了1000个.wav格式的信号样本,采样频率为8 kHz。该数据集被分为5个类别,包括1个正常类别(N)和4个异常类别:主动脉瓣狭窄(AS)、二尖瓣反流(MR)、二尖瓣狭窄(MS)和二尖瓣脱垂(MVP)

    主动脉瓣狭窄(AS)是指主动脉瓣太小、狭窄或僵硬。主动脉瓣狭窄的典型杂音是高音调的“菱形”杂音。

    二尖瓣逆流(MR)是指心脏的二尖瓣无法正常关闭,导致血液回流到心脏而不是被泵出。在听诊胎儿心脏时,S1的声音可能很低(有时很响),直到S2时,杂音的音量会增加。由于S3之后的二尖瓣急流,可以听到短而隆隆的舒张中期杂音

    二尖瓣狭窄(MS)是指二尖瓣受损不能完全打开。心音听诊显示二尖瓣狭窄早期S1加重,严重二尖瓣狭窄时S1软。随着肺动脉高压的发展,S2音将被强调。纯多发性硬化症患者几乎没有左室S3。

    二尖瓣脱垂(MVP)是指心脏收缩时二尖瓣的小叶脱垂至左心房。MVP通常是良性的,但可能会引发二尖瓣反流、心内膜炎和脊索断裂等并发症。体征包括收缩期中期的咔嗒声和收缩期晚期的杂音(若存在反流)

    预处理与特征提取

    声音信号有不同的长度,因此需要固定每个记录文件的采样率。为了确保声音信号包含至少一个完整的心脏周期,我们将长度进行裁剪。根据成年人每分钟心跳65-75次,心跳周期约为0.8秒,我们将信号样本裁剪为2.0秒、1.5秒和1.0秒的段落

    基于离散傅里叶变换(DFT),将心音信号的原始波形转换为对数谱图。声音信号的DFT y(k)为Eq.(1),对数谱图s定义为Eq.(2)。

    基于对数谱图的深度学习心音分类

    式中,N为向量x的长度,ε = 10^(- 6)是一个小偏移量。部分心音样本的波形和对数谱图如下:

    基于对数谱图的深度学习心音分类

    深度学习模型

    1、LSTM

    基于对数谱图的深度学习心音分类

    LSTM模型设计为2层直接连接,然后是3层完全连接。第三个完全连接的层输入softmax分类器。

    2、CNN模型

    基于对数谱图的深度学习心音分类

    根据上图所示,前两个卷积层之后是重叠的最大池化层。第三个卷积层直接连接到第一个全连接层。第二个全连接层提供给一个具有五个类标签的softmax分类器。在每个卷积层之后使用BN和ReLU

    3、训练细节

    基于对数谱图的深度学习心音分类

    结果

    基于对数谱图的深度学习心音分类

    训练集占据了整个数据集的70%,而测试集则包含了剩余部分

    当CNN模型片段持续时间为2.0 s时,准确率最高为0.9967;分割时间为1.0 s的LSTM准确率最低为0.9300。

    CNN模型的整体准确率分别为0.9967、0.9933和0.9900,片段持续时间分别为2.0秒、1.5秒和1.0秒,而LSTM模型的这三个数字分别为0.9500、0.9700和0.9300

    CNN模型在各个时间段的预测精度比LSTM模型更高

    以下是混淆矩阵:

    基于对数谱图的深度学习心音分类

    N类(Normal)的预测正确率最高,在5个案例中达到60个,而MVP类在所有案例中预测正确率最低。

    LSTM模型输入时间长度为2.0 s,最长预测时间为9.8631 ms。分类时间为1.0 s的CNN模型预测时间最短,为4.2686 ms。

    基于对数谱图的深度学习心音分类

    与其他SOTA相比,一些研究的准确率非常高,但这些研究仅仅涉及两个类别(正常和异常),而我们的研究则分为五个类别

    与使用相同数据集的其他研究相比(0.9700),论文研究有了显著提高,最高准确率为0.9967。

    基于对数谱图的深度学习心音分类


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