Heart diseases remain the leading cause of mortality worldwide, implying approximately 18 million deaths according to the WHO. In particular, heart failures (HF) press the healthcare industry to develop systems for their early, rapid, and effective prediction. This work presents an automatic system based on a novel framework which combines Modal Decomposition and Masked Autoencoders (MAE) to extend the application from heart disease classification to the more challenging and specific task of heart failure time prediction, not previously addressed to the best of authors' knowledge. This system comprises two stages. The first one transforms the data from a database of echocardiography video sequences into a large collection of annotated images compatible with the training phase of machine learning-based frameworks and deep learning-based ones. This stage includes the use of the Higher Order Dynamic Mode Decomposition (HODMD) algorithm for both data augmentation and feature extraction. The second stage builds and trains a Vision Transformer (ViT). MAEs based on a combined scheme of self-supervised (SSL) and supervised learning, so far barely explored in the literature about heart failure prediction, are adopted to effectively train the ViT from scratch, even with scarce databases. The designed neural network analyses in real-time images from echocardiography sequences to estimate the time of happening a heart failure. This approach demonstrates to improve prediction accuracy from scarce databases and to be superior to several established ViT and Convolutional Neural Network (CNN) architectures. The source code will be incorporated into the next version release of the ModelFLOWs-app software (https://github.com/modelflows/ModelFLOWs-app).


翻译:心脏病仍是全球范围内主要的致死原因,据世界卫生组织统计,每年约导致1800万人死亡。其中,心力衰竭(HF)对医疗行业提出了迫切需求,亟需开发能够实现早期、快速且有效预测的系统。本研究提出了一种基于新型框架的自动系统,该框架结合了模态分解与掩码自编码器(MAE),将应用范围从心脏病分类扩展至更具挑战性和特异性的心力衰竭时间预测任务——据作者所知,此前尚未有研究涉及此方向。该系统包含两个阶段。第一阶段将超声心动图视频序列数据库中的数据,转化为大量带标注的图像,使其适用于基于机器学习和深度学习的框架训练。此阶段采用了高阶动态模态分解(HODMD)算法,同时用于数据增强和特征提取。第二阶段构建并训练了一个视觉Transformer(ViT)。采用基于自监督学习(SSL)与监督学习相结合的掩码自编码器方案来有效训练ViT(从零开始),即使在数据库稀缺的情况下也能实现——该方案在心力衰竭预测的相关文献中迄今极少被探索。所设计的神经网络可实时分析超声心动图序列中的图像,以估计心力衰竭发生的时间。该方法证明能够提升在稀缺数据库中的预测准确性,并优于多种已有的ViT和卷积神经网络(CNN)架构。源代码将集成于ModelFLOWs-app软件的下一个版本发布中(https://github.com/modelflows/ModelFLOWs-app)。

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