rU-Net, Multi-Scale Feature Fusion and Transfer Learning: Unlocking the Potential of Cuffless Blood Pressure Monitoring with PPG and ECG

血压 计算机科学 特征(语言学) 比例(比率) 人工智能 生物医学工程 医学 心脏病学 内科学 物理 哲学 语言学 量子力学
作者
Jiaming Chen,Xueling Zhou,Lei Feng,Bingo Wing‐Kuen Ling,Lianyi Han,Hongtao Zhang
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:: 1-12
标识
DOI:10.1109/jbhi.2024.3483301
摘要

This study introduces an innovative deep-learning model for cuffless blood pressure estimation using PPG and ECG signals, demonstrating state-of-the-art performance on the largest clean dataset, PulseDB. The rU-Net architecture, a fusion of U-Net and ResNet, enhances both generalization and feature extraction accuracy. Accurate multi-scale feature capture is facilitated by short-time Fourier transform (STFT) time-frequency distributions and multi-head attention mechanisms, allowing data-driven feature selection. The inclusion of demographic parameters as supervisory information further elevates performance. On the calibration-based dataset, our model excels, achieving outstanding accuracy (SBP MAE ± std: 4.49 ± 4.86 mmHg, DBP MAE ± std: 2.69 ± 3.10 mmHg), surpassing AAMI standards and earning a BHS Grade A rating. Addressing the challenge of calibration-free data, we propose a fine-tuning-based transfer learning approach. Remarkably, with only 10% data transfer, our model attains exceptional accuracy (SBP MAE ± std: 4.14 ± 5.01 mmHg, DBP MAE ± std: 2.48 ± 2.93 mmHg). This study sets the stage for the development of highly accurate and reliable wearable cuffless blood pressure monitoring devices.
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