一个不成熟的开源小方案：关于2018中国生理信号挑战赛（CPSC-2018）（3）

深度学习网络

深度学习是啥，以及各种网络原理什么的，以及它们有什么样的特点，这里都不去系统阐述了。不懂的自行出门右转补基础。这里我所采用的是CNN和RNN（双向LSTM）的混合网络，对每一个导联都搭建一个对应的模型训练，最终再进行综合。这是总体的大框架。 不过在讲具体地网络结构之前，我们这里先来看一个问题。

 

记录与片段的标签“冲突”

现在有很多论文都在使用CNN进行ECG的分类判别，他们的输入，多以心拍和短片段（例如3s，5s等）为主，几乎没看到以整条记录为输入的方案。个人认为，若以整条记录直接作为输入，有两个缺点：

1. 一般记录的长度较大，信息量，特征种类必定也偏大。为了能最大程度地提取这些信息，每层配置的卷积核也需要更多，而这样会造成整个网络非常臃肿，而且也不利于局部特征的聚焦，但ECG的异常有时恰恰是一些局部的变化表征的。
2. 记录的长度经常不等，而CNN一般接受等长的输入，一旦记录长度的变化范围比较大，那就要通过较大的人为延拓或是上下采样等方式使之等长，这对数据信息有一定的破坏作用。

所以将记录切成一个个小片段，能保证网络的精简，又能强化局部特征，确实是个不错的解决方案。但是，这里就存在个问题，标签是根据记录给定的，那么这些片段的标签怎么办？要知道，如果一条记录被判定为异常信号，并不意味着其中任意一段都是异常，最明显的，比如室性早搏：

 

 

如果像图中红框那样的切片，那自然可以跟记录的标签一致，因为确实包含了异常的部分；然而，如果不走运切到了像图中蓝框的片段，该片段是完全正常的，这时其实际标签跟记录的标签就发生了冲突。如果采用直接切片，并直接打上记录的标签，就会造成“误导”；而由于异常的发生的具体位置是很难精确预知的，想纠正这种“误导”，势必会增加人的干预。那现在我们想要这么一种方案：

1. 输入确实是一条记录，而标签就是记录的标签，避免前述的标签冲突问题。
2. CNN直接处理的应该是局部片段，保持其对局部特征的感知能力，同时使网络不至于太臃肿。
3. 输入信号等长，而且要尽量减少对信号的延拓，最大程度保证原信号不被破坏。

基于上述的需求，下面我提出了一种解决方案，试图兼顾以上的条件。

我的方案

记录切片方式

CPSC-2018数据库中，最短的记录有6 s，最长的有144 s，最长是最短的24倍。以以上的几个属性为基准，我们对于每条记录统一切取24个片段，每条片段的长度为6 s。这样，除了最长的144 s的记录可以比较正常的，片段之间无重叠地切取，其他长度的记录的片段与片段之间都需要重叠才能满足条件，就像下图所示：

 

具体重叠的采样点长度，可以根据公式计算，设采样率为fs = 250 Hz，记录实际长度为L， 需要切取的片段数为n = 24，每片长度为l = 6 s则片段之间的重叠长度ol为：

 

 

 

若记录长度就是6 s，则可以选择直接复制24次，当然，还可以在信号长度后延拓24-1个点，使得上式有意义。这里虽然也进行了人为延拓，但把人为延拓控制在了最小。这样，每条记录就被处理成了同样形式的24 * 6s片段组。同时，除了极少数极端短记录存在很小的人为延拓外，其他都尽量保持了原有的数据信息。那下一个问题就是，这样的数据形式，用什么样的网络来处理，保证其与记录标签的一一对应？

网络结构

这里，我们用24个独立的1维卷积（与池化）层组合处理24个片段。同时，这24个片段之间存在时间序列特性，因为我们是按照记录的时间顺序切取的。为了强化这种特性，使用双向LSTM汇总，再级联一个全连接层输出最后的分类结果。这么说可能有些抽象，直接上图：

 

 

在这个网络中，对于一条记录的24个片段，是作为一个整体，输入到不同的分支中。每个分支都是个1维CNN结构，处理的是一个6s的局部片段，有利于增强其对局部特征的感知；最终24个分支由一个双向LSTM强化它们之间的时间序列属性，由全连接层输出其最终的结果；由于片段之间一般互有覆盖，信息存在冗余，为减轻这种情况，在CNN与双向LSTM之间增加dropout，有利于减轻过拟合，提升泛化能力，而keep_prob按照经验值设为0.5。这样，用于loss计算的标签就是整条记录的标签，没有前述的冲突问题。整个网络基于keras（TensorFlow as backend）搭建, 采用SGD + Momentum的方法进行训练，具体参数设置可参见开源的代码文件。

对于每个导联，我们都会训练一个相同的网络。另外，对于网络的输入片段，都进行了z-score标准化。至于最后的得到的12个网络如何融合后面会讲到。

 

人工HRV特征提取与模型融合

HRV特征

我们经常会在文献中，尤其是时间较早的一些文献中，看到使用一些具体波形形态参数，例如QRS间期，PR间期，ST段斜率等作为特征来判定类别的方案。这类方案的出发点是提取这些特征，直接跟医学经验挂钩。但是，除了QRS波主波定位被认为是比较成熟之外，其他的基准点。例如P波及其起止点，T波起止点是较难准确定位的，即便现在有很多定位算法，但是其鲁棒性也远不如QRS波定位。而基于QRS波定位便可轻易得到的RR间期，进行心率变异性（Heart Rate Variability，HRV）分析是一个足够鲁棒的选择，同时，HRV分析在房颤，早搏等异常诊断上也常有应用，也有其相应的医学意义。

从另一方面来看，我们前面使用CNN自动学习特征。CNN的长处在于局部细节特征的提取，而HRV分析中的特征，例如计算RR间期的标准差，是一个典型的统计特征，显然CNN对类似的特征并未有特殊的设计。所以，在我们前面的深度学习网络基础上，补充一些HRV特征，或是跟RR间期相关的统计特征，能形成比较良好的互补，起码在直觉和理论上是这样的。因此，我引入了下面的一些特征。因为所有导联是同时采集的，在时间上是完全平行的，所以以下特征均以II导联为基准：

1. RR间期标准差
2. 最大RR间期
3. 最小RR间期
4. 平均RR间期
5. pNN50:相邻RR间期差距大于50ms的比率
6. R波密度：R波个数/记录长度
7. RMSSD：相邻RR间期差值的均方根
8. RR间期的采样熵：衡量RR间期变化混乱度

另外数据库也提供了每条记录所属个体的年龄和性别，这里也把这2个特征引入进来。

模型融合

对于每个12导联记录，现在我们得到了12个针对每个导联的深度学习模型，以及相应的人工特征。我们使用12个网络得到12组-9类别softmax概率，我们取前8个概率（由于所有概率相加为1，因此取8个就足够表示），共12*8=96个数值作为特征；加上我们的人工特征9+2=11个（根据参数设定，采样熵最终有两个返回值），得到107维特征。然后，基于这样的特征组合，再训练一个各类算法竞赛中大名鼎鼎的XGBoost，融合以上所有信息，得到最后的结果。同样，XGBoost的调参也仅针对平衡后的验证集进行。

      

小结

这一部分具体阐述了所采用方案的主体，包括神经网络和人工特征设计。其中，信号切片代码存于CPSC_utils.py，网络结构实现和人工特征设计代码存于CPSC_model.py，单导联网络训练存于CPSC_train_single_lead.py，所有导联网络训练存于CPSC_train_multi_leads.py, 人工特征的处理存于CPSC_extract_features.py, 最终的融合存于CPSC_mix.py。具体地，请参见开源代码：

https://github.com/Aiwiscal/CPSC_Scheme

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