Electrocardiogram (ECG) is the most widely used diagnostic tool to monitor the condition of the cardiovascular system. Deep neural networks (DNNs), have been developed in many research labs for automatic interpretation of ECG signals to identify potential abnormalities in patient hearts. Studies have shown that given a sufficiently large amount of data, the classification accuracy of DNNs could reach human-expert cardiologist level. However, despite of the excellent performance in classification accuracy, it has been shown that DNNs are highly vulnerable to adversarial noises which are subtle changes in input of a DNN and lead to a wrong class-label prediction with a high confidence. Thus, it is challenging and essential to improve robustness of DNNs against adversarial noises for ECG signal classification, a life-critical application. In this work, we designed a CNN for classification of 12-lead ECG signals with variable length, and we applied three defense methods to improve robustness of this CNN for this classification task. The ECG data in this study is very challenging because the sample size is limited, and the length of each ECG recording varies in a large range. The evaluation results show that our customized CNN reached satisfying F1 score and average accuracy, comparable to the top-6 entries in the CPSC2018 ECG classification challenge, and the defense methods enhanced robustness of our CNN against adversarial noises and white noises, with a minimal reduction in accuracy on clean data.


翻译:心电图(ECG)是用来监测心血管系统状况的最广泛使用的诊断工具。深神经网络(DNNS)已经在许多研究实验室开发,对ECG信号进行自动解释,以自动解读ECG信号,查明病人心脏中潜在的异常现象。研究表明,鉴于数据数量足够多,DNN的分类准确性可以达到人类专家心脏病学家的水平。然而,尽管在分类准确性方面表现良好,但已经表明DNNS极易受到对抗性噪音的噪音的伤害。DNNS在输入DNN时变化微妙,导致类标签预测错误,而且具有很高的自信。因此,提高DNNNNS的稳健性,防止ECG信号分类的对抗性噪音具有挑战性和必要性。在这项工作中,我们设计了一架CNNC用于对12个领先ECG信号进行分类,其长度不一变,我们运用了三种防御方法来提高CNN的稳健性。本次研究中的ECG数据极具挑战性,因为样本规模有限,而ECG每份记录的时间也不同,因此范围很大。评估结果显示,CNCSCS-18的最高精确度达到了我们最接近的CS-CS-CS-18的精确度,其最接近于最精确度。

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