Efficient Electrocardiogram-based Arrhythmia Detection Utilizing R-peaks and Machine Learning

希尔伯特-黄变换 人工智能 心律失常 计算机科学 机器学习 滤波器(信号处理) 信号处理 深度学习 F1得分 二元分类 模式识别(心理学) 算法 支持向量机 心房颤动 数字信号处理 心脏病学 医学 计算机硬件 计算机视觉
作者
Pham Văn Thinh,Van-Su Pham,M.T. Nguyen,Hai-Chau Le
标识
DOI:10.1109/icsse58758.2023.10227145
摘要

The rise in heart-related diseases has led to a need for proper automatic diagnosis methods to identify irregular heart problems. It has proven to be challenging to promptly and accurately diagnose many complicated and interferential symptom diseases including arrhythmia. Recently, thanks to the evolution of artificial intelligence (AI) and the advance in signal processing, automated arrhythmia detection has become easier and widely applied for physicians and practitioners with machine learning (ML) techniques and the only use of electrocardiograms (ECG). In this paper, we propose an ECG-based machine learning arrhythmia detection approach that exploits R-peak detection and machine learning. Our proposed solution targeting a binary classification of heartbeats employs an efficient R-peak detection that uses a Butterworth bypass filter, Ensemble Empirical Mode Decomposition (EEMD), and Hilbert Transforms (HT) for processing ECG signals, and applies the most effective machine learning algorithm among typical ML algorithms to improve the performance of the arrhythmia diagnosis. In order to select the most suitable one with the highest achievable performance, typical ML algorithms such as BG, BS, KNN, and RF were investigated. A popular public dataset, MIT-BIH Arrhythmia, is used for the numerical experiments. The attained results prove that our developed solution outperforms the notable traditional algorithms and it offers the best performance with an accuracy of 93.4%, a sensitivity of 95.4%, and an F1-score of 96.3%. The high obtained F1-score implies that our solution can overcome the data imbalance to detect arrhythmia correctly and be effective in practical clinical environments.

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