基于遷移學(xué)習(xí)的心音心臟疾病檢測算法

馮辰凡，陶青川

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都 610065）

0 引言

在當(dāng)今時代，機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)已經(jīng)在各個領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的影響。研究者們不斷創(chuàng)造出高效且可靠的算法，將這些算法應(yīng)用到各行各業(yè)，以解決各式各樣的現(xiàn)實(shí)問題。在健康領(lǐng)域中，尤其是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用一直處于前沿。心臟疾病作為健康領(lǐng)域的一項重要挑戰(zhàn)，早期的診斷對于患者的生存和健康至關(guān)重要［1］。近年來，越來越多的研究者開始將機(jī)器學(xué)習(xí)的知識應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)高效、精確的心臟疾病檢測的目標(biāo)。例如，一些研究者嘗試使用心電圖（ECG）［2］或核磁共振儀的三維掃描結(jié)果［3］作為數(shù)據(jù)集和診斷依據(jù)，并設(shè)計了相應(yīng)的算法。盡管這些方法在某些情況下取得了一定的成效，但這些儀器通常昂貴且耗時。相比之下，基于心音（PCG）的心臟疾病檢測算法因其器材開銷小，且數(shù)據(jù)集收集簡單而備受關(guān)注，成為當(dāng)前心臟病診斷領(lǐng)域的主要研究方向。

當(dāng)前，已經(jīng)存在許多心音識別方法。例如，Pantea 等［4］對傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，模糊推理系統(tǒng)（ANFIS）進(jìn)行了改進(jìn)，取得了良好的識別結(jié)果。隨著深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的興起，越來越多的研究人員開始采用深度學(xué)習(xí)方法來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。Potes 等［5］采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）來進(jìn)行心音識別，而在Sujadevi 等［6］的研究中，構(gòu)建了長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）來實(shí)現(xiàn)同樣的目標(biāo)。在深度學(xué)習(xí)模型的眾多變種中，HTS-AT［7］網(wǎng)絡(luò)是最近引起廣泛關(guān)注的一種，它融合了Swin Transformer［8］架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，同時高效提取了局部性特征，在聲音識別領(lǐng)域取得了顯著的成績。本文旨在對該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，提出了HTS-AT V2 模型，以提高模型的推理速度和其在特定領(lǐng)域或任務(wù)上的性能，尤其是在心音心臟疾病檢測算法的應(yīng)用方面。

此外，隨著任務(wù)復(fù)雜性的增加和跨領(lǐng)域的需求，單一領(lǐng)域訓(xùn)練的模型面臨一些挑戰(zhàn)。為了充分發(fā)揮深度學(xué)習(xí)的潛力，研究人員開始關(guān)注遷移學(xué)習(xí)（Transfer Learning）［9］方法。遷移學(xué)習(xí)允許在一個領(lǐng)域訓(xùn)練的模型在另一個領(lǐng)域進(jìn)行任務(wù)遷移，從而提高性能。本文將采用遷移學(xué)習(xí)方法，將知識從一個領(lǐng)域遷移到另一個領(lǐng)域，以提高模型的性能并減少訓(xùn)練過程中的損耗。

本文的結(jié)構(gòu)如下：

第一部分介紹了本文所用方法和模型的基礎(chǔ)理論；第二部分將詳細(xì)介紹本文提出的模型，即HTS-AT V2 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并探討相關(guān)評價指標(biāo)。我們將通過設(shè)計不同的實(shí)驗(yàn)來證明模型的有效性，并探討遷移學(xué)習(xí)對于訓(xùn)練過程的優(yōu)化作用；第三部分將對本文的研究成果進(jìn)行總結(jié)，并展望未來的研究方向。

1 論文涉及方法介紹

本部分主要對論文中使用到的方法理論進(jìn)行介紹，主要包括HTS-AT 網(wǎng)絡(luò)模型、Swin Transformer V2和遷移學(xué)習(xí)。

1.1 HTS-AT

HTS-AT（Hierarchical Token-Semantic Audio Transformer）是由Chen等［7］于2022年提出并發(fā)布的一種全新的聲音識別的方法。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示?？梢钥吹剑朔椒ǚ譃槿齻€部分：第一部分是以梅爾頻譜圖（Mel Frequency Cepstral Coefficient）為主要思想的語音特征提取編碼部分，用來提取聲音中重要特征，并將一維的時序數(shù)據(jù)編碼整合成滿足模型輸入要求的二維多通道數(shù)據(jù)；第二部分則是模型的主干部分，從圖中可以看出，HTS-AT 借鑒了Swin Transformer的思路：使用層次化的金字塔設(shè)計，一共包含了4 個Group，每個Group 的末尾都會使用Patch-Merge 模塊縮小輸入圖像的分辨率以達(dá)到逐層擴(kuò)大感受野、減少數(shù)據(jù)量的目的，而Group 中的核心部分則是直接使用了以Windows Attention 為核心的Swin Transformer Block；第三部分是模型的輸出部分，將第二部分的數(shù)據(jù)解碼并映射到目標(biāo)類型上，以滿足任務(wù)對數(shù)據(jù)格式的需要。

1.2 Swin Transformer V2

Swin Transformer V2 是由Liu 等［10］在Swin Transformer V1提出八個月后提出的，Swin Transformer 網(wǎng)絡(luò)的2.0 版本。經(jīng)過改進(jìn)，相較于V1，V2 使得模型規(guī)模更大并且能適配不同分辨率的圖片和不同尺寸的窗口。Swin Transformer V2 和Swin Transformer V1的對比如圖2所示。在V1的基礎(chǔ)上，作者提出了一種新的歸一化方式，稱為殘差后歸一化（residual-post-normalization）。該方法將歸一化層從每個殘差分支的開始移到末尾，這樣每個殘差分支的輸出在合并回主分支之前都會被歸一化，當(dāng)層數(shù)加深時，主分支的幅度將不會被累加，這種新的歸一化方式使得網(wǎng)絡(luò)各層的激活值變得更加溫和。同時，為了緩解V1 中某些層的注意力權(quán)重會被幾個特定的點(diǎn)支配的問題，作者還提出了縮放的余弦注意力機(jī)制（scaled cosine attention），它可以取代之前的點(diǎn)乘注意力機(jī)制。在縮放的余弦注意力機(jī)制中，自注意力的計算與輸入的幅值無關(guān)，從而可以產(chǎn)生更平衡的注意力權(quán)重。

圖1 HTS-AT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖2 Swin Transformer V1與Swin Transformer V2對比圖

1.3 遷移學(xué)習(xí)

遷移學(xué)習(xí)（Transfer Learning）是一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，其主要思想是將從一個任務(wù)中學(xué)到的知識或模型應(yīng)用到另一個相關(guān)任務(wù)中，以提高學(xué)習(xí)性能。遷移學(xué)習(xí)的概念最早在領(lǐng)域自適應(yīng)（Domain Adaptation）和多任務(wù)學(xué)習(xí)（Multi-Task Learning）的研究中有所體現(xiàn)。領(lǐng)域自適應(yīng)關(guān)注如何將一個領(lǐng)域中學(xué)到的知識遷移到另一個相關(guān)領(lǐng)域，而多任務(wù)學(xué)習(xí)關(guān)注如何同時學(xué)習(xí)多個相關(guān)任務(wù)，以提高性能。在當(dāng)前的深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域，遷移學(xué)習(xí)可以幫助模型加快收斂、學(xué)習(xí)的過程，也能夠提高模型的泛化能力和適應(yīng)能力，從而在目標(biāo)領(lǐng)域數(shù)據(jù)稀缺或噪聲較多的情況下，也能取得較好的訓(xùn)練效果。在由Tan 等［11］提出的綜述中，將深度學(xué)習(xí)中的遷移學(xué)習(xí)分成了四個類型：基于實(shí)例的深度遷移學(xué)習(xí)、基于映射的深度遷移學(xué)習(xí)、基于網(wǎng)絡(luò)的深度遷移學(xué)習(xí)和基于對抗的深度遷移學(xué)習(xí)。

2 基于遷移學(xué)習(xí)的HTS-AT V2算法

本節(jié)主要介紹HTS-AT V2 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、訓(xùn)練過成、評價指標(biāo)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.1 本文方法介紹

本文是對Chen 等［7］提出的HTS-AT 進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的新網(wǎng)絡(luò)命名為HTS-AT V2。主要的改進(jìn)是：在主干網(wǎng)絡(luò)中添加了Liu等［10］所提出的Swin Transformer V2 Block，網(wǎng)絡(luò)結(jié)果如圖3所示，圖中模型的主體，也就是Training部分，原來使用的是Swin Transformer Block，而經(jīng)過改進(jìn)，本文使用了更加優(yōu)越的Swin Transformer V2 Block。相比之下，V2版本通過引入殘差后歸一化和縮放的余弦注意力機(jī)制，讓模型更加穩(wěn)定，注意力權(quán)重更加平衡。

同時，由于本文所使用到的數(shù)據(jù)集為心音數(shù)據(jù)集，相比于文獻(xiàn)［6］中的數(shù)據(jù)集，心音最大的特點(diǎn)為其周期性，所以對原網(wǎng)絡(luò)的Encode 部分進(jìn)行改進(jìn)，對聲音使用小波變換去噪后，按心動周期進(jìn)行切割，再將切割后的聲音分別進(jìn)行編碼后進(jìn)行合并。而且，由于心音數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)類型較少，識別場景較為簡單，所以在合并后通過二維卷積的方式來減少通道數(shù)量，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)量的減少。

改進(jìn)后的編碼方式，不僅幫助網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練時更好地利用心音周期性的特點(diǎn)，減少無用特征的干擾；而且通過減少通道數(shù)降低了網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時的參數(shù)量，提高了心音識別的實(shí)時性。另外，為了進(jìn)一步提高模型的泛化能力、減少訓(xùn)練過程的開銷，本文的訓(xùn)練過程還使用了基于網(wǎng)絡(luò)的深度遷移學(xué)習(xí)［11］。HTS-AT V2 網(wǎng)絡(luò)會先在“源領(lǐng)域”，即ESC-50 數(shù)據(jù)集上進(jìn)行訓(xùn)練，之后會在“目標(biāo)領(lǐng)域”，也就是心音數(shù)據(jù)集上進(jìn)行微調(diào)，以適應(yīng)心音數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)分布和任務(wù)，以提高在這個領(lǐng)域上的性能。

2.2 數(shù)據(jù)集介紹

本文涉及到的數(shù)據(jù)集主要有兩個：ESC-50數(shù)據(jù)集和心音數(shù)據(jù)集。

ESC-50 數(shù)據(jù)集是著名的聲音數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集由5 s 長的記錄組成，這些記錄被組織成了50 個不同的語義類，松散地排列成5 個主要類別，總共有2000 條數(shù)據(jù)。本文用該數(shù)據(jù)集作為遷移學(xué)習(xí)過程中的“源領(lǐng)域”數(shù)據(jù)集。

心音數(shù)據(jù)集是本文自制的數(shù)據(jù)集，從成都、綿陽、自貢三個城市，五家不同的醫(yī)院、醫(yī)療機(jī)構(gòu)收集而來。其中共3500 條數(shù)據(jù)，2500 條正常心音，1000 條異常心音，包括了兒童、青少年、成年人、老年人不同年齡階段的心音數(shù)據(jù)。詳細(xì)的數(shù)據(jù)集信息見表1，表中的“其他”表示患者不只患有一種疾病，或存在心臟疾病但暫無法確定具體病種。

圖3 HTS-AT V2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

表1 數(shù)據(jù)集種類及數(shù)量

2.3 評價指標(biāo)

心音識別作為多分類任務(wù)的一種，本文主要以宏平均（Marco Average）的F1-Score 作為關(guān)注的指標(biāo)。對于二分類的分類問題，可以將樣本分為四類，即真陽性（TP）、假陽性（FP）、真陰性（TN）和假陰性（FN）?；诜诸惤Y(jié)果的矩陣見表2所示。

表2 二分類任務(wù)結(jié)果矩陣

基于表2 的基本屬性，我們可以分別得出準(zhǔn)確率（Accuracy）、精確率（Precision）和召回率（Recall）的公式：

為了更全面地反映模型的性能，我們一般會考慮F-Score 作為模型進(jìn)一步的評價指標(biāo)。由于精確率和召回率指標(biāo)有時會出現(xiàn)矛盾，因此需要F-Score指標(biāo)來對這兩者進(jìn)行加權(quán)和平均。

一般，我們?nèi)= 1，此時，我們稱其為F1-Score。

F1-Score 結(jié)合了精確度和召回率，當(dāng)F1 較高時，我們認(rèn)為該方法更有效。

在多分類的任務(wù)上，為了能夠獲得模型在多組數(shù)據(jù)上總體的性能，一般使用宏平均（Marco Average）來做評價指標(biāo)。宏平均是根據(jù)每個類的F1-Score 求得的算數(shù)平均，相比于微平均（Micro Average），其可以更平等地對待每一個類別，而數(shù)據(jù)集中各個類別的重要性相同，故用作此次任務(wù)的評價指標(biāo)。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本文代碼使用的操作系統(tǒng)為ubuntu18.04，框架環(huán)境為PyTorch 1.8.1、Python 3.8、Cuda 11.1。在硬件環(huán)境方面，主處理器為12 vCPU Intel（R）Xeon（R）Silver 4214R CPU @ 2.40GHz，運(yùn)行內(nèi)存20 GB，使用的顯卡為RTX 3090，單卡，顯存24 GB。

2.4.2 結(jié)果與分析

改進(jìn)后，模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，本文改進(jìn)后的HTS-AT V2算法，雖然在F1-Score 上只是略高于原版網(wǎng)絡(luò)，但是在參數(shù)量和推理速度上，都取得了比較優(yōu)秀的結(jié)果。所以，本文提出的算法更加適合部署在邊緣設(shè)備上，便于進(jìn)行快速、便捷的心臟疾病的檢測。這與我們的研究初衷相符。

另外，為了更加準(zhǔn)確、可靠地對比遷移學(xué)習(xí)對于模型的影響，分別用遷移學(xué)習(xí)的訓(xùn)練方式和普通的訓(xùn)練方式對HTS-AT V2 額外進(jìn)行了10 次實(shí)驗(yàn)，其最后的F1-Score 結(jié)果區(qū)間如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)訓(xùn)練和遷移學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

從圖4 可以看出，在10 次實(shí)驗(yàn)中，雖然在最好情況下遷移學(xué)習(xí)訓(xùn)練出來模型的F1-Score相比使用普通方式訓(xùn)練出來的模型只是略有提升，但是遷移學(xué)習(xí)訓(xùn)練的模型卻有著更好的穩(wěn)定性，其訓(xùn)練結(jié)果的波動要小于使用普通訓(xùn)練方式訓(xùn)練出來的模型，這也體現(xiàn)了遷移學(xué)習(xí)對于訓(xùn)練過程的優(yōu)化。

3 結(jié)語

本文針對心音識別任務(wù)，對語音識別網(wǎng)絡(luò)HTS-AT 進(jìn)行了改進(jìn)，將原本模型中使用的Swin Transformer 模型更新為Swin Transformer V2，同時對原網(wǎng)絡(luò)中聲音的特征提取進(jìn)行了改進(jìn)，讓其更好地適應(yīng)心音數(shù)據(jù)集。在心音數(shù)據(jù)集上的訓(xùn)練結(jié)果表明，在識別效果略有提升的情況下，減少了模型的大小并提高了模型的推理速度，大大提高了心音識別算法的實(shí)時性，有助于將該模型部署于邊緣設(shè)備上。也使用了遷移學(xué)習(xí)這種特殊的訓(xùn)練方法，優(yōu)化了模型的訓(xùn)練過程。在未來，可以繼續(xù)根據(jù)心音的特性，對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和訓(xùn)練方式進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，從而進(jìn)一步提升算法效果。