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A Robust Deep Learning Framework Based on Spectrograms for Heart Sound Classification

计算机科学 短时傅里叶变换 人工智能 光谱图 预处理器 过度拟合 模式识别(心理学) Softmax函数 心音 滤波器(信号处理) 语音识别 特征(语言学) 人工神经网络 傅里叶变换 傅里叶分析 计算机视觉 数学 医学 内科学 数学分析 哲学 语言学
作者
Junxin Chen,Zhihuan Guo,Xu Xu,Libo Zhang,Yue Teng,Yongyong Chen,Marcin Woźniak,Wei Wang
出处
期刊:IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:21 (4): 936-947 被引量:47
标识
DOI:10.1109/tcbb.2023.3247433
摘要

Heart sound analysis plays an important role in early detecting heart disease. However, manual detection requires doctors with extensive clinical experience, which increases uncertainty for the task, especially in medically underdeveloped areas. This paper proposes a robust neural network structure with an improved attention module for automatic classification of heart sound wave. In the preprocessing stage, noise removal with Butterworth bandpass filter is first adopted, and then heart sound recordings are converted into time-frequency spectrum by short-time Fourier transform (STFT). The model is driven by STFT spectrum. It automatically extracts features through four down sample blocks with different filters. Subsequently, an improved attention module based on Squeeze-and-Excitation module and coordinate attention module is developed for feature fusion. Finally, the neural network will give a category for heart sound waves based on the learned features. The global average pooling layer is adopted for reducing the model's weight and avoiding overfitting, while focal loss is further introduced as the loss function to minimize the data imbalance problem. Validation experiments have been conducted on two publicly available datasets, and the results well demonstrate the effectiveness and advantages of our method.
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