A novel adaptive CNN-LSTM fusion network for electrocardiogram diagnosis

计算机科学 人工智能 卷积神经网络 核(代数) 模式识别(心理学) 特征(语言学) 人工神经网络 融合 深度学习 特征提取 机器学习 数据挖掘 信号(编程语言) 传感器融合 支持向量机 信号处理 融合机制
作者
Yanqing Wu,Jijun Tong,Pengjia Qi
出处
期刊:Physiological Measurement [IOP Publishing]
卷期号:47 (1): 015004-015004
标识
DOI:10.1088/1361-6579/ae2f8a
摘要

Objective.Cardiovascular disease (CVD) causes severe global health threat, and electrocardiogram (ECG) is crucial for early CVD diagnosis. Recently, two popular deep learning methods, that is, convolutional neural network (CNN) and long short-term memory (LSTM) network are studied for ECG modeling and CVD diagnosis, but CNN adopts fixed kernels, thereby reducing efficiency and introducing noise, and LSTM struggles with local feature correlations.Approach.This study proposes an adaptive CNN-LSTM (aCNN-LSTM) fusion network for ECG diagnosis. An adaptive convolutional kernel is newly designed, which can dynamically adjust size based on local signal variance. Smaller kernels optimize efficiency in stationary segments, while larger kernels extract diverse features in non-stationary regions. The adaptive features from aCNN are further fed into LSTM to capture temporal relationships. Finally, a spatial-temporal fusion mechanism is used and a multi-class classification is achieved via the output layer.Main results.Experiments on the PTB-XL dataset show that the proposed aCNN-LSTM net outperforms CNN, LSTM, and CNN-LSTM in diagnosis performance: its overall accuracy reaches 89.89%, macro-averageF1-score is 0.9640, and weighted-averageF1-score is 0.9698.Significance.This method enhances the efficiency and accuracy of automatic ECG diagnosis, and provides reliable technical support for early CVD screening in clinical and primary medical settings.
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