一种基于隐匿性心电图异常的多尺度卷积残差网络模型,用于预测经皮冠状动脉介入治疗(PCI)后急性心肌梗死(AMI)患者的左心室功能(LVR)

《Biomedical Signal Processing and Control》:A multi-scale convolutional residual network model for predicting LVR in AMI patients after PCI based on occult ECG abnormalities

【字体: 时间:2026年03月24日 来源:Biomedical Signal Processing and Control 4.9

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  基于12导联心电图信号的多尺度残差网络(MCL-ResNet)在急性心肌梗死(AMI)经皮冠状动脉介入治疗(PCI)后左心室重塑(LVR)风险预测中表现优异,准确率达99.85%,AUC值0.9970,可有效区分正负样本并适应不同AMI亚型,结合通道注意力机制与多尺度卷积提升特征提取效率,并通过注意力图分析揭示关键预测ECG特征。

  
杨晨|童继军|齐鹏佳|夏淑东|江鲁荣
浙江科技学院计算机科学与技术学院(人工智能学院),中国杭州310018

摘要

急性心肌梗死(AMI)患者在经皮冠状动脉介入治疗(PCI)后出现左心室重构(LVR)是术后心血管不良事件的重要原因。本研究提出了多尺度卷积残差网络(MCL-ResNet),基于PCI后一周内的AMI患者私有12导联心电图(ECG)数据集,探讨了ECG与LVR相关的心脏重构参数之间的相关性,并进行了LVR相关的预测研究。MCL-ResNet结合了多尺度卷积和通道注意力机制,以增强异构ECG特征的提取效果;通过标签平滑损失和多尺度卷积核设计来缓解过拟合问题并提高泛化能力;利用显著性图方法评估PCI后AMI患者ECG对LVR的预测价值,并识别出关键的独立预测因素,明确了模型决策所依赖的核心ECG特征。实验结果表明,MCL-ResNet在预测LVR发生方面具有99.85%的准确率、100%的精确度和99.69%的召回率以及0.9970的AUC值,能够准确区分LVR的阳性与阴性样本。此外,它在预测不同类型AMI患者的LVR状态时也保持了较高的性能,准确率为99.24%、精确率为99.23%、召回率为99.18%、AUC值为0.9984,为不同类型AMI患者的LVR风险提供了稳定且精确的评估依据。

引言

急性心肌梗死(AMI)是一种常见的心血管急症,具有较高的死亡率和发病率,对患者的生命构成严重威胁[1]。AMI主要分为ST段抬高型心肌梗死(STEMI)和非ST段抬高型心肌梗死(NSTEMI)。STEMI是由于血栓导致冠状动脉完全阻塞引起的,而NSTEMI通常是由于冠状动脉严重狭窄伴随持续性缺血所致[2],[3]。目前,经皮冠状动脉介入治疗(PCI)是AMI的核心再血管化方法,可以有效清除冠状动脉阻塞病变并恢复心肌血流灌注,从而改善患者的短期心脏功能[4]。然而,在临床实践中,部分患者在接受PCI后仍会发生左心室重构(LVR),LVR是导致AMI预后不良的关键病理环节,甚至可能进展为心力衰竭(HF)[5]。更令人担忧的是,临床数据显示,AMI患者PCI后无症状左心室收缩功能障碍(LVSD)的发生率高达30%至60%。这些患者缺乏胸痛和呼吸困难等典型临床症状,其潜在的LVR风险容易被忽视,从而错过早期干预的机会,显著增加LVR的发生概率[6]。因此,准确识别和评估PCI后AMI患者的LVR风险对于制定个性化的早期干预计划、延缓疾病进展和改善长期预后具有重要意义。
目前,临床实践中用于LVR评估的主要技术包括超声心动图、心脏磁共振成像和放射性核素成像。尽管这些技术可以定量检测左心室容积和射血分数等关键指标,为LVR诊断提供客观证据,但它们存在侵入性和电离辐射风险等明显局限性[7],[8]。此外,设备购置和维护成本高昂,以及操作技术的严格要求,不仅限制了其在医疗资源匮乏地区的普及,也无法满足PCI后AMI患者长期随访的临床需求[9]。相比之下,心电图(ECG)作为心血管疾病最基本的诊断工具,具有非侵入性、便捷性、经济性和广泛可用性等独特优势。ECG能够实时捕捉心脏多个解剖区域的电活动,包含丰富的病理生理学信息。通过波形形态、节律变化和多导联协调性,它可以直接或间接反映各种心血管异常状态[10],[11],[12],[13],[14]。先前的研究已经证实,ECG参数如QRS间期延长、ST段偏移和复极化离散度增加与LVR显著相关,显示出ECG在评估LVR风险方面的潜在价值[15],[16]。然而,传统的ECG解读在LVR风险评估中仍存在显著瓶颈。首先,心脏解剖结构的个体差异、电极放置错误以及心肌电传导的复杂性会干扰ECG波形的精确解读。此外,PCI后的ECG变化在超急性期、再灌注期等不同阶段表现多样,难以基于单一点全面捕捉病理特征进行评估[17]。而且,ECG解读高度依赖于医生的临床经验,面对复杂的术后并发症时,不同医生对波形的判断可能存在主观差异,从而影响LVR风险评估的一致性。最后,与LVR相关的关键ECG信号(如微伏级ST段偏移和QRS形态的细微动态变化)本身幅度较小且隐藏在变化中,超出了常规视觉分辨率的能力范围,容易因仪器噪声而被忽略。因此,迫切需要智能辅助诊断技术来突破传统解读的局限[18]。
近年来,基于ECG信号的心血管疾病检测研究取得了显著进展[19],[20],[21],[22]。现有方法主要分为两类:传统机器学习方法和深度学习方法。传统方法依赖于特征工程和分类器构建。例如,Ullloa-Cerna等人[23]基于ECG图像构建的机器学习模型通过0.91的AUC值成功识别出结构性心脏病的高风险人群。Fatimah等人[24]通过傅里叶分解提取了II导联ECG的熵、峰度和能量特征,并结合K最近邻算法,实现了99.65%的准确率。尽管传统方法在可解释性方面具有一定优势,但在处理高维和非平稳复杂生理数据时存在特征工程依赖性强和泛化能力不足的瓶颈,尤其是在处理个体间波形和病理特征差异时尤为困难。深度学习通过构建多层非线性神经网络,以端到端的学习方式自动捕捉数据中的隐含层次特征,突破了手动特征设计的经验局限。Sun等人[25]基于26,786对ECG-超声心动图配对数据构建的卷积神经网络(CNN)模型,在测试集上的准确率为73.9%,验证了CNN在筛查左心室射血分数(LVEF)≤50%方面的应用价值。Mayourian等人[26]开发的AI-pECG模型在训练92,377对ECG-超声心动图数据后,在多中心验证中的AUROC值分别为0.88(内部测试)和0.86(外部验证),其显著性图分析显示前导联的QRS复合波和T波是关键特征,为儿童左心室异常筛查提供了新工具。Chen等人[27]基于PTB-XL数据库的ResNet模型在测试集上的AUC值为0.98,验证了CNN及其变体在心肌梗死诊断中的优势。Yao等人[28]提出的MRTNet模型通过多尺度卷积核和通道注意力机制以及Transformer编码器结合,实现了82.98%的准确率、0.6693的F1分数和0.7687的AUC性能,在TPB-XL数据集上显著优于单尺度卷积架构,为ECG分析提供了整合时间局部性和全局依赖性的新范式。
鉴于LVR患者的ECG同时具有多尺度时间特征和跨导联空间特征,本研究构建了一个集成多尺度卷积和通道交互机制的深度学习分类模型,旨在充分利用12导联ECG中丰富的时空信息,提高PCI后不同类型AMI患者LVR风险评估的准确性和效率。主要创新点如下:
(1) 构建了一个专门的一维残差网络MCL-ResNet,以解决PCI后AMI患者12导联ECG的时间特征和导联间异质性问题,增强了模型对ECG数据的适应性;
(2) 将多尺度卷积与通道注意力机制相结合,实现了多尺度关键ECG特征的提取,并增强了对重要导联特征的关注;
(3) 结合标签平滑损失和多尺度卷积核设计,有效缓解了在私有临床数据集训练过程中的过拟合问题,提高了模型的泛化能力;
(4) 采用显著性图方法直观解释了模型的决策过程,明确了驱动LVR预测的核心ECG特征,为模型提供了可解释的支持。

数据库

本研究建立了一个名为“AMI_LVR_ECG_Db”的数据库。研究数据来自2018年12月至2022年8月期间在浙江大学医学院第四附属医院接受PCI治疗的379名AMI住院患者,每位患者有一份12导联ECG记录。患者的纳入/排除标准见补充材料S1。所有患者在数据收集前均获得了知情同意。医生对ECG进行了分类和标注。

实验结果与讨论

本研究通过分层任务设计系统评估了MCL-ResNet模型在ECG中分类LVR的性能。在2类任务中,模型仅使用心跳段的特征来区分LVR的阳性和阴性病例,以检验其识别LVR固有特征的能力。在4类任务中,整合了患者类型和LVR状态,将模型分为四个组合类别以测试其区分能力

可解释性分析

为进一步验证MCL-ResNet模型的决策逻辑与临床诊断知识之间的一致性,本研究使用显著性图对模型进行了可解释性分析。显著性图可以通过梯度计算量化特征重要性,并直观展示模型关注的关键输入变量。选择了四个代表性样本,从导联的角度分析模型预测LVR风险的决策依据

结论

本研究解决了基于ECG隐匿异常预测PCI后AMI患者LVR的需求。提出了一种集成多尺度卷积和通道注意力机制的MCL-ResNet模型。该模型通过多尺度卷积捕获ECG不同维度中的隐匿关键特征,并通过通道注意力机制自适应地增强核心特征的权重,它们的协同作用提高了低幅度、动态隐匿特征的提取效率

CRediT作者贡献声明

杨晨:撰写 – 原稿撰写、可视化、数据整理、概念构思。童继军:撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、概念构思。齐鹏佳:撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、资金获取。夏淑东:监督、数据整理、概念构思。江鲁荣:方法论、概念构思。

伦理审批

本研究得到了中国金华浙江大学医学院第四附属医院人类研究伦理委员会的批准(批准编号K2021028)。在收集数据前已获得所有参与者的书面知情同意。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了浙江省重点研发计划(编号2025C01135)和中国国家自然科学基金(编号62301494)的支持。
代码可用性
本研究中使用的自定义代码可在GitHub上公开获取:https://github.com/554632107/AMI_LVR.git。
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