徐 偉，鄭 威，錢 煒，劉 健

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引 言

深度學(xué)習(xí)在過去的十余年得到快速發(fā)展，受到了越來越多研究學(xué)者的關(guān)注。深度學(xué)習(xí)最大的特點(diǎn)是善于從原始數(shù)據(jù)中提取高級的抽象特征，具有良好的泛化能力，因此被廣泛應(yīng)用于與特征提取相關(guān)的科學(xué)研究領(lǐng)域。在傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法中，需要大量的工程領(lǐng)域相關(guān)知識，存在的問題是設(shè)計(jì)特征提取的方法受到限制，而深度學(xué)習(xí)的誕生有效地解決了機(jī)器學(xué)習(xí)存在的不足[1]。目前訓(xùn)練數(shù)據(jù)的快速增長以及計(jì)算機(jī)芯片處理數(shù)據(jù)能力的增強(qiáng)，使得深度學(xué)習(xí)在自然語言處理和計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，促進(jìn)了人工智能領(lǐng)域的發(fā)展。深度學(xué)習(xí)的模型主要有卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度置信網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)編碼器[2]。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是深度學(xué)習(xí)的一種經(jīng)典且應(yīng)用廣泛的模型結(jié)構(gòu)，它是由機(jī)器學(xué)習(xí)中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來。近年來，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為深度學(xué)習(xí)研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)。1962年，生理學(xué)家Hubel和Wiesel通過對貓腦視覺皮層的研究，發(fā)現(xiàn)生物的視覺皮層細(xì)胞只對輸入圖像的局部區(qū)域很敏感，首次提出了感受野的概念。1980年，F(xiàn)ukushima根據(jù)Hubel和Wiesel的層級模型提出了與之類似的結(jié)構(gòu)—神經(jīng)認(rèn)知機(jī)。1998年，Yann LeCun及其合作人員構(gòu)建了一個(gè)典型的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型—LeNet-5，并且在手寫數(shù)字字符識別中取得成功[3]。經(jīng)過多年的發(fā)展，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從最初的手寫數(shù)字字符識別應(yīng)用，逐漸擴(kuò)展到其他更復(fù)雜的領(lǐng)域，例如人臉識別[4]、手勢動(dòng)作識別[5]、交通標(biāo)志識別[6]；再應(yīng)用到熱門的人工智能領(lǐng)域，例如情感分析[7]、語音識別[8]、心電信號分類和檢測[9]等。

非侵入性胎兒心電信號是檢測胎心率的研究重點(diǎn)，研究胎心率的重要指標(biāo)就是檢測胎兒心電周期中的QRS波群。文中在研究信號與信息處理的基礎(chǔ)上，針對從孕婦腹璧信號里提取胎兒心電信號的困難性，提出采用深度學(xué)習(xí)中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法結(jié)合短時(shí)傅里葉變換檢測胎兒QRS波群。該方法突破了傳統(tǒng)胎心率檢測時(shí)需要將母體與胎兒心電信號分離的限制，可以在不去除母體心電信號的情況下直接檢測胎兒QRS波群，最終獲得可靠的胎兒QRS波群檢測性能。

1 研究方法

1.1 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)主要有輸入層、卷積層、池化層(降采樣層)、全連接層和輸出層。卷積層和池化層會(huì)設(shè)置多個(gè)交替連接，互相配合逐層進(jìn)行特征提取，最后通過全連接層傳遞給輸出層。

1.1.1 卷積層

卷積層是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的核心，它由多個(gè)特征面組成，其作用是特征提取。卷積層通過卷積核以固定的滑動(dòng)步長對輸入信號進(jìn)行特征提取，第一個(gè)卷積層提取的是初級特征例如線條、邊緣、輪廓，高層的提取更高級的抽象特征[10]。卷積層的特點(diǎn)是局部連接和權(quán)值共享。局部連接指的是卷積層中的神經(jīng)元與前一層輸入單元的部分神經(jīng)元連接，這部分區(qū)域稱為該神經(jīng)元的局部感受域。輸入特征面采用一組相同的權(quán)值與輸出特征面進(jìn)行局部連接，這就是權(quán)值共享，作用是通過減少網(wǎng)絡(luò)中訓(xùn)練參數(shù)使網(wǎng)絡(luò)模型的復(fù)雜度降低，也可以達(dá)到減輕網(wǎng)絡(luò)過擬合的目的。

卷積核是卷積層進(jìn)行卷積操作的重要部分，其本質(zhì)為權(quán)值矩陣[11]，卷積核以固定的滑動(dòng)步長在前一層輸入單元上移動(dòng)，然后與局部感受域上的值進(jìn)行卷積操作，最后得到輸入單元的特征圖。卷積核的參數(shù)包括個(gè)數(shù)、大小、滑動(dòng)步長和零填充大小。在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要多個(gè)卷積核得到多個(gè)特征面。卷積核進(jìn)行卷積運(yùn)算的表達(dá)式為：

(1)

f(x)=max(0,x)

(2)

1.1.2 池化層

池化層也稱為降采樣層或特征映射層，和卷積層一樣是由多個(gè)特征面組成，但每層池化的特征面唯一對應(yīng)卷積層的輸出特征面，特征面的個(gè)數(shù)不會(huì)發(fā)生改變。池化層也采用局部連接且神經(jīng)元不同時(shí)局部感受域不會(huì)出現(xiàn)重疊。因?yàn)榫矸e層的輸出是高維特征，直接使用進(jìn)行分類會(huì)增加計(jì)算量和復(fù)雜程度。所以池化層的作用是降低卷積層輸出特征的維數(shù)，得到的特征具有空間不變性，相當(dāng)于二次特征提取。常用的池化方法包括最大池化法、均值池化法和隨機(jī)池化法[12]。池化表達(dá)式為：

(3)

1.1.3 全連接層

在多個(gè)卷積層和池化層交替連接后會(huì)連接一個(gè)或多個(gè)全連接層，全連接層的作用是整合卷積層和池化層的特征得到全局特征進(jìn)行分類[13]。全連接層和多層感知器相似，其中每一個(gè)神經(jīng)元與其前一層進(jìn)行全連接，同一層內(nèi)神經(jīng)元相互不連接。全連接層的輸出值被傳遞給Softmax分類器，經(jīng)過Softmax分類器后得到一系列的概率值，這些概率值相加為1。輸出的概率值個(gè)數(shù)對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練輸入的類別個(gè)數(shù)，測試時(shí)輸入被檢測為概率值最大的類別。Softmax分類器的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(4)

其中，N為輸入矢量x的長度。

1.2 短時(shí)傅里葉變換

非平穩(wěn)信號例如氣溫、血壓、心電信號等，它們的統(tǒng)計(jì)特征隨時(shí)間變化發(fā)生改變。短時(shí)傅里葉變換(STFT)是分析非平穩(wěn)信號不可或缺的工具，它的主要思想是將非平穩(wěn)信號進(jìn)行加窗處理，然后再進(jìn)行傅里葉變換，得到信號在窗函數(shù)一個(gè)窄區(qū)間內(nèi)近似平穩(wěn)信號的頻譜，窗函數(shù)可以根據(jù)時(shí)間變化進(jìn)行平移，通過窗函數(shù)可以得到任意時(shí)間段的頻譜圖，在時(shí)域上實(shí)現(xiàn)信號的局部化[14]。假設(shè)非平穩(wěn)信號為x(t)，窗函數(shù)為s(t)，則非平穩(wěn)信號的短時(shí)傅里葉變換的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(5)

其中，*表示復(fù)數(shù)共軛。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 胎兒心電信號選取

實(shí)驗(yàn)中使用的數(shù)據(jù)集是PhysioNet/CinC競賽中提供的數(shù)據(jù)集Challenge 2013 Training Set A。set-a組數(shù)據(jù)集包含七十五條腹部心電圖(AECG)記錄(a01-a75)，每條持續(xù)1分鐘。每條記錄包括四個(gè)通道，每個(gè)通道的采樣頻率為1 000 Hz，分辨率為16位。文獻(xiàn)[15]通過研究發(fā)現(xiàn)有七條記錄(a33、a38、a47、a52、a54、a71和a74)由于參考注釋不準(zhǔn)確，本實(shí)驗(yàn)將不使用。實(shí)驗(yàn)將前15條記錄用于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測試，其他都用于網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)保證訓(xùn)練和測試之間沒有相同的數(shù)據(jù)集。

2.2 信號質(zhì)量評估

信號質(zhì)量評估在檢測胎兒QRS波群中起到重要作用，文中采用樣本熵(SampEn)方法對心電信號進(jìn)行分析，確定數(shù)據(jù)集中是否含有過多的噪聲成分。樣本熵公式為：

(6)

其中，m表示向量序列的維數(shù)，r表示閾值，N表示數(shù)據(jù)的長度。在本實(shí)驗(yàn)中，向量序列的維數(shù)設(shè)置為2，閾值設(shè)定為1.5，數(shù)據(jù)長度設(shè)置為500。

通過將四個(gè)通道的樣本熵值與閾值進(jìn)行比較，小于1.5的可判斷為良好的心電信號，并選擇樣本熵值最小的通道在實(shí)驗(yàn)中使用。圖1顯示了來自set-a組a61號數(shù)據(jù)的10秒信號質(zhì)量評估示例。

圖1 set-a組a61號數(shù)據(jù)10秒信號質(zhì)量評估

2.3 心電信號預(yù)處理

非侵入性的胎兒心電信號的主要噪聲來源于電力線干擾和基線漂移。首先，使用陷波濾波器來消除電力線干擾噪聲。其次，使用基于小波變換的低通濾波器去除基線漂移干擾。圖2和圖3顯示了去除兩種噪聲的對比。

圖2 濾除電力線干擾

圖3 濾除基線漂移干擾

2.4 分段進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換

本實(shí)驗(yàn)的QRS波群檢測研究實(shí)際上是一項(xiàng)分類研究，預(yù)處理后的心電信號以100毫秒進(jìn)行分段，分段后的胎兒心電信號通過短時(shí)傅里葉變換轉(zhuǎn)化成二維時(shí)頻圖，再通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被檢測成兩類：有QRS波群和沒有QRS波群。根據(jù)PhysioNet提供的參考注釋，每100毫秒的心電信號被參考注釋標(biāo)記的分類為胎兒QRS波群，未被參考注釋標(biāo)記的分類為非胎兒QRS波群針對本實(shí)驗(yàn)分段后的心電信號，計(jì)算短時(shí)傅里葉變換采用Hanning窗，窗口大小為64，將每100個(gè)采樣點(diǎn)的心電信號進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換，最終轉(zhuǎn)化為33×37的二維時(shí)頻圖。

2.5 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4顯示了文中設(shè)計(jì)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?？傮w來看，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包含三個(gè)卷積塊和一個(gè)密集層。第一個(gè)卷積塊包含卷積層、批量標(biāo)準(zhǔn)化層和激活功能層，批量標(biāo)準(zhǔn)化的使用使卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型更容易優(yōu)化和處理。第二個(gè)卷積塊包含卷積層、批量標(biāo)準(zhǔn)化層、激活功能層和最大池化層，在卷積層和池化層之間應(yīng)用Dropout技術(shù)以防止網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象。第三個(gè)卷積塊和第二個(gè)類似，以構(gòu)成深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。密集層包含兩個(gè)全連接層，最終通過Softmax產(chǎn)生了兩類的輸出。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖4 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

表1 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)置

2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.6.1 損失、準(zhǔn)確率和訓(xùn)練次數(shù)的關(guān)系

由圖5可以看出，準(zhǔn)確率隨訓(xùn)練次數(shù)迅速上升，最終訓(xùn)練300次達(dá)到77%左右。影響準(zhǔn)確率的主要因素是母體心電信號比胎兒強(qiáng)以及存在高頻肌電噪聲干擾，致使卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值優(yōu)化陷入局部最優(yōu)，從而對后續(xù)分類性能造成影響。實(shí)驗(yàn)中損失函數(shù)選擇交叉熵函數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)，由圖6可以看出損失先持續(xù)下降，然后出現(xiàn)波動(dòng)，訓(xùn)練結(jié)束時(shí)穩(wěn)定在0.3左右。

圖5 訓(xùn)練次數(shù)和準(zhǔn)確率變化的關(guān)系

圖6 訓(xùn)練次數(shù)和損失變化的關(guān)系

2.6.2 測試結(jié)果評價(jià)指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)評價(jià)檢測方法有效性的三個(gè)指標(biāo)分別是靈敏度(Sen)、陽性預(yù)測值(PPV)和準(zhǔn)確率(Acc)，分別通過下式計(jì)算：

(7)

(8)

(9)

其中，TP表示胎兒QRS波群被正確檢測為胎兒QRS波群的樣本，F(xiàn)P表示非胎兒QRS波群被錯(cuò)誤檢測為胎兒QRS波群的樣本，F(xiàn)N表示胎兒QRS波群被錯(cuò)誤檢測為非胎兒QRS波群的樣本，TN表示非胎兒QRS波群被正確檢測為非胎兒QRS波群的樣本。

實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如表2所示，QRS波群檢測的靈敏度、陽性預(yù)測值和準(zhǔn)確率分別為86.98%、88.35%和78.03%。影響準(zhǔn)確率的主要原因有：數(shù)據(jù)存在高頻肌電干擾，其形態(tài)與胎兒QRS波群相似，導(dǎo)致高頻肌電噪聲被錯(cuò)誤識別成胎兒QRS波群；數(shù)據(jù)集中存在10%左右的胎兒QRS波群與母體重合，最終未被正確識別。

表2 針對15條數(shù)據(jù)檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

2.7.1 不同激活函數(shù)對比

激活函數(shù)會(huì)影響卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類性能，文中進(jìn)一步研究了不同激活函數(shù)對胎兒QRS波群檢測性能的影響。測試了三種不同的激活函數(shù)分別是Sigmoid、Tanh和ReLU，分類準(zhǔn)確率分別為62.47%、70.28%和78.03%。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出ReLU的檢測效果優(yōu)于其他兩種激活函數(shù)。原因是在誤差反向傳播過程中計(jì)算梯度時(shí)，Sigmoid和Tanh計(jì)算導(dǎo)函數(shù)復(fù)雜，而ReLU的導(dǎo)函數(shù)固定為1；Sigmoid和Tanh存在飽和區(qū)，容易出現(xiàn)梯度消失的現(xiàn)象；ReLU將網(wǎng)絡(luò)中部分神經(jīng)元輸出置0，增加網(wǎng)絡(luò)稀疏度，減少過擬合現(xiàn)象。

2.7.2 不同信號長度分段對比

根據(jù)PhysioNet提供的參考注釋顯示，一個(gè)胎兒QRS波群時(shí)限為50毫秒左右，為了覆蓋一個(gè)完整的心跳周期每段信號至少50毫秒。文中進(jìn)一步研究了不同信號長度對胎兒QRS波群檢測性能的影響，即50毫秒、100毫秒、150毫秒和200毫秒，研究結(jié)果顯示準(zhǔn)確率分別為76.26%、78.03%、75.87%和68.27%。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出分段為100毫秒時(shí)檢測準(zhǔn)確率最高。分段長度太短不能包含完整心跳周期，太長含有冗余信息。分段長度不能超過200毫秒，否則胎兒和母體QRS波群會(huì)出現(xiàn)在同一段信號中，失去分類意義。

2.8 與其他方法對比

為了驗(yàn)證卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有效性，文中選取支持向量機(jī)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做不同方法對比，對比結(jié)果見表3。支持向量機(jī)作為機(jī)器學(xué)習(xí)中的傳統(tǒng)分類算法，通過內(nèi)核函數(shù)映射至高維特征空間實(shí)現(xiàn)非線性分類；文中采用高斯徑向基函數(shù)作為核函數(shù)，分類準(zhǔn)確率達(dá)到70.65%。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的經(jīng)典算法，非線性映射能力強(qiáng)大；文中采用了兩個(gè)隱含層以及非線性激活函數(shù)Sigmoid，分類準(zhǔn)確率達(dá)到75.21%。最終對比三種分類器的準(zhǔn)確率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更好的分類能力，可以有效檢測胎兒QRS波群。

表3 與其他方法對比

3 結(jié)束語

文中成功將二維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于胎心率檢測課題中，結(jié)合了批量標(biāo)準(zhǔn)化和Dropout技術(shù)，提高了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能。由于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有局部連接和權(quán)值共享等特性，能夠通過有監(jiān)督訓(xùn)練自動(dòng)獲取胎兒QRS波群特征，而且特征對微小平移具備不變性，從而能夠解決胎心率檢測任務(wù)。最終在不去除母體心電信號的基礎(chǔ)上使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測，經(jīng)過數(shù)據(jù)集的測試分別得到了較高的靈敏度、陽性預(yù)測值和準(zhǔn)確率。但是由于心電信號的一維性，導(dǎo)致卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠提取的時(shí)頻特征較少，最終在測試時(shí)出現(xiàn)誤差，分類結(jié)果受到局限。在接下來研究中一方面應(yīng)提高對數(shù)據(jù)集的處理，例如研究如何去除高頻肌電噪聲的干擾；另一方面繼續(xù)對卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)揮卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對大數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢。