Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

شناسایی کمپلکس QRS جنین از ثبت غیرتهاجمی سیگنال الکتروکاردیوگرام شکمی به کمک روش‌های یادگیری ژرف

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه بیوالکتریک، دانشکده‌ی مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران

2 استادیار، گروه بیوالکتریک، دانشکده‌ی مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران

چکیده
نارسایی‌های ‌قلبی مادرزادی یکی ‌از‌ دلایل‌ اصلی ‌مرگ‌های ‌مرتبط ‌با نارسایی‌ در زمان تولد ‌است. پایش سیگنال الکتروکاردیوگرام قلب جنین (FECG) در تشخیص زودهنگام نارسایی‌های قلبی و الگوهای غیرطبیعی در ضربان قلب موثر و حائز اهمیت است. تشخیص کمپلکس QRS در سیگنال FECG در تعیین معیار‌های مرتبط با سلامت جنین هم‌چون نرخ ضربان قلب جنین، تشخیص بیماری‌های قلبی مادرزادی، دیسترس، هیپوکسی جنین و برخی از بیماری‌های دیگر نقش به سزایی دارد. از این رو در این مطالعه روشی نوین و خودکار مبتنی بر روش‌های یادگیری عمیق ارائه گردیده است که از این طریق می‌توان اقدام به شناسایی کمپلکس QRS جنین از سیگنال ECG شکمی (AECG) نمود. پایگاه داده‌ی مورد استفاده در این مطالعه برگرفته از پایگاه داده‌ی معرفی شده در مجموعه‌ی a از چالش 2013 فیزیونت است. در مطالعه‌ی حاضر استفاده از یک معماری شبکه‌ی عصبی کانولوشنی (CNN) یک‌بعدی پیشنهاد شده است. شبکه‌ی عمیق پیشنهادی دارای 20 لایه شامل 5 لایه‌ی کانولوشنی، 7 لایه‌ی نرمال‌سازی دسته‌ای، 3 لایه‌ی حذف تصادفی و 3 لایه‌ی متراکم است. در گام اول از الگوریتم پیشنهادی ابتدا سیگنال AECG تحت پیش‌پردازش قرار گرفته، سپس با تغییر اندازه‌ی سیگنال ورودی، داده‌افزایی و هم‌چنین ساخت برچسب‌های قابل استفاده توسط شبکه، داده‌ها برای استفاده توسط شبکه‌ی عمیق پیشنهادی آماده شده است. در گام بعد داده‌ها با هدف آموزش و ارزیابی به عنوان ورودی در اختیار شبکه‌ی پیشنهادی قرار داده شده است. روش پیشنهادی به کمک معیارهایی هم‌چون صحت، میانگین مربعات خطا، امتیاز F1، حساسیت، اختصاصیت و دقت مورد ارزیابی قرار گرفته و در ادامه با نتایج حاصل از سایر تحقیقات صورت گرفته روی این پایگاه داده، مقایسه شده است. در این مطالعه چندین رویکرد برای ارزیابی شبکه‌ی پیشنهادی مورد استفاده قرار گرفته است. در بهترین رویکرد صحت، حساسیت، اختصاصیت و دقت شبکه‌ی پیشنهادی در شناسایی کمپلکس QRS جنین به ترتیب معادل 79/96%، 91/97%، 79/92% و 88/97% است. از جمله نوآوری‌های شبکه‌ی پیشنهادی عدم حذف الکتروکاردیوگرام مادر و قابلیت آموزش شبکه تنها با استفاده از 20 سیگنال از ثبت‌های AECG است. 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Detection of Fetal QRS Complex from Non-Invasive Abdominal ECG Signals using Deep Learning Methods

نویسندگان English

Kimia Esmaeili Alidash 1
Hamed Danandeh Hesar 2
1 M.Sc. Student, Faculty of Biomedical Engineerin, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran
2 Assistant Professor, Faculty of Biomedical Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran
چکیده English

Heart defects are the leading cause of birth defect-related deaths. Monitoring fetal electrocardiogram (FECG) is very important for early detection of heart defects and abnormal FHR patterns. The detection of QRS complexes in FECG signals has a notable role in determining benchmarks correlated with fetal health e.g. fetal heart rate, intervals between each heartbeat, identification of congenital heart diseases, distress, Hypoxia etc. In this study a novel and automated approach based on deep learning methods has been introduced through applying which we’re be capable of detecting fetal QRS complexes from FECG signals. Data used in this experiment are collected from set-a of PhysioNet/computing in the cardiology challenge database (NI-FECGDB). This study proposes a 1-D Convolutional neural network architecture. The architecture of neural network consists of 5 convolutional layers, 7 batch normalization layers, 3 dropout layers and 3 dense layers. First step is consisted of preprocessing the data. In this step the data is being prepared to be used by the suggested approach through changing scale input signal, data augmentation and also building annotations that are applicable to the suggested network. Next step is consisted of application of the suggested algorithm. The performance of suggested method is the evaluated using evaluation criteria such as accuracy, mean error square, F1-score, sensitivity, specificity and precision, and following that the calculated results has been compared to the accumulated results of other studies done on NI-FECGDB database. In this study several methods have been used for evaluating the suggested neural network. In the best method accuracy, sensitivity, specificity and precision of the suggested method in detection of fetal QRS complex is 96.79%, 97.91%, 92.79% and 97.88% respectively. It is noteworthy that some of innovations of the suggested method are the capability of training the suggested network with only 20 of AECG signals and not removing maternal ECG from AECG signals.

کلیدواژه‌ها English

Detection of Fetal QRS Complex
Fetal Heart Rate
Deep Learning Methods
  1. Sameni and G. D. Clifford, "A review of fetal ECG signal processing; issues and promising directions," The open pacing, electrophysiology & therapy journal, vol. 3, p. 4, 2010.
  2. Widatalla, Y. Kasahara, Y. Kimura, and A. Khandoker, "Model based estimation of QT intervals in non-invasive fetal ECG signals," Plos one, vol. 15, no. 5, p. e0232769, 2020.
  3. Zhong, L. Liao, X. Guo, and G. Wang, "A deep learning approach for fetal QRS complex detection," Physiological measurement, vol. 39, no. 4, p. 045004, 2018.
  4. Shaw, C. Lees, and D. Giussani, "Variations on fetal heart rate variability," The Journal of Physiology, vol. 594, no. 5, p. 1279, 2016.
  5. S. Lee, M. Seo, S. W. Kim, and M. Choi, "Fetal QRS detection based on convolutional neural networks in noninvasive fetal electrocardiogram," in 2018 4th International Conference on Frontiers of Signal Processing (ICFSP), 2018: IEEE, pp. 75-78.
  6. Podziemski and J. Gieraltowski, "Fetal heart rate discovery: algorithm for detection of fetal heart rate from noisy, noninvasive fetal ECG recordings," in Computing in Cardiology 2013, 2013: IEEE, pp. 333-336.
  7. Noninvasive Fetal ECG [Online] Available: https://physionet.org/content/challenge-2013/1.0.0/
  8. Zhong, L. Liao, X. Guo, and G. Wang, "Fetal electrocardiography extraction with residual convolutional encoder–decoder networks," Australasian physical & engineering sciences in medicine, vol. 42, pp. 1081-1089, 2019.
  9. Vo, T. Le, A. M. Rahmani, N. Dutt, and H. Cao, "An efficient and robust deep learning method with 1-D octave convolution to extract fetal electrocardiogram," Sensors, vol. 20, no. 13, p. 3757, 2020.
  10. Fotiadou, M. Xu, B. van Erp, R. J. van Sloun, and R. Vullings, "Deep convolutional long short-term memory network for fetal heart rate extraction," in 2020 42nd Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC), 2020: IEEE, pp. 1-4.
  11. Fotiadou, R. J. van Sloun, J. O. van Laar, and R. Vullings, "A dilated inception CNN-LSTM network for fetal heart rate estimation," Physiological Measurement, vol. 42, no. 4, p. 045007, 2021.
  12. -C. Ting, F.-W. Lo, and P.-Y. Tsai, "Implementation for fetal ECG detection from multi-channel abdominal recordings with 2D convolutional neural network," Journal of Signal Processing Systems, vol. 93, no. 9, pp. 1101-1113, 2021.
  13. Ghonchi and V. Abolghasemi, "A dual attention-based autoencoder model for fetal ECG extraction from abdominal signals," IEEE Sensors Journal, vol. 22, no. 23, pp. 22908-22918, 2022.
  14. J. Lee and B. Lee, "End-to-end deep learning architecture for separating maternal and fetal ecgs using w-net," IEEE Access, vol. 10, pp. 39782-39788, 2022.
  15. J. D. Krupa, S. Dhanalakshmi, K. W. Lai, Y. Tan, and X. Wu, "An IoMT enabled deep learning framework for automatic detection of fetal QRS: A solution to remote prenatal care," Journal of King Saud University-Computer and Information Sciences, vol. 34, no. 9, pp. 7200-7211, 2022.
  16. Behar, J. Oster, and G. D. Clifford, Non-invasive FECG extraction from a set of abdominal sensors. IEEE, 2013.
  17. Varanini, G. Tartarisco, L. Billeci, A. Macerata, G. Pioggia, and R. Balocchi, "A multi-step approach for non-invasive fetal ECG analysis," in Computing in Cardiology 2013, 2013: IEEE, pp. 281-284.
  18. Alzubaidi et al., "Review of deep learning: Concepts, CNN architectures, challenges, applications, future directions," Journal of big Data, vol. 8, pp. 1-74, 2021.
  19. Lu, Y. Shin, Y. Su, and G. E. Karniadakis, "Dying relu and initialization: Theory and numerical examples," arXiv preprint arXiv:1903.06733, 2019.
  20. Santurkar, D. Tsipras, A. Ilyas, and A. Madry, "How does batch normalization help optimization?," Advances in neural information processing systems, vol. 31, 2018.
  21. Wu, S.-h. Zhong, and Y. Liu, "A novel convolutional neural network for image steganalysis with shared normalization," IEEE Transactions on Multimedia, vol. 22, no. 1, pp. 256-270, 2019.
  22. He, X. Zhang, S. Ren, and J. Sun, "Deep residual learning for image recognition," in Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition, 2016, pp. 770-778.
  23. Garbin, X. Zhu, and O. Marques, "Dropout vs. batch normalization: an empirical study of their impact to deep learning," Multimedia Tools and Applications, vol. 79, pp. 12777-12815, 2020.
  24. L. Goldberger et al., "PhysioBank, PhysioToolkit, and PhysioNet: components of a new research resource for complex physiologic signals," circulation, vol. 101, no. 23, pp. e215-e220, 2000.
دوره 18، شماره 1
بهار 1403
صفحه 1-19

  • تاریخ دریافت 04 اردیبهشت 1403
  • تاریخ بازنگری 08 آبان 1403
  • تاریخ پذیرش 04 آذر 1403