Raman spectroscopy (RS) has been widely used for disease diagnosis, e.g., cardiovascular disease (CVD), owing to its efficiency and component-specific testing capabilities. A series of popular deep learning methods have recently been introduced to learn nuance features from RS for binary classifications and achieved outstanding performance than conventional machine learning methods. However, these existing deep learning methods still confront some challenges in classifying subtypes of CVD. For example, the nuance between subtypes is quite hard to capture and represent by intelligent models due to the chillingly similar shape of RS sequences. Moreover, medical history information is an essential resource for distinguishing subtypes, but they are underutilized. In light of this, we propose a multi-modality multi-scale model called M3S, which is a novel deep learning method with two core modules to address these issues. First, we convert RS data to various resolution images by the Gramian angular field (GAF) to enlarge nuance, and a two-branch structure is leveraged to get embeddings for distinction in the multi-scale feature extraction module. Second, a probability matrix and a weight matrix are used to enhance the classification capacity by combining the RS and medical history data in the multi-modality data fusion module. We perform extensive evaluations of M3S and found its outstanding performance on our in-house dataset, with accuracy, precision, recall, specificity, and F1 score of 0.9330, 0.9379, 0.9291, 0.9752, and 0.9334, respectively. These results demonstrate that the M3S has high performance and robustness compared with popular methods in diagnosing CVD subtypes.


翻译:拉曼光谱学(RS)已被广泛应用于疾病诊断,如心血管疾病(CVD),因其效率和成分特异性测试能力。最近,一系列流行的深度学习方法已被引入到RS中,以学习微妙的特征进行二元分类,并比传统的机器学习方法实现了优秀的性能。然而,这些现有的深度学习方法在分类CVD亚型时仍面临一些挑战。例如,由于RS序列外形相似,亚型之间的细微差别非常难以捕捉和表达。此外,医疗史信息是区分亚型的重要资源,但它们往往未被充分利用。鉴于此,我们提出了一种称为M3S的多模态多尺度模型,它是一种具有两个核心模块的新型深度学习方法,用于解决这些问题。首先,我们通过Gramian Angular Field (GAF)将RS数据转换为各种分辨率的图像来扩大细微差别,并且在多尺度特征提取模块中利用双分支结构获取嵌入以进行区分。其次,我们在多模态数据融合模块中使用概率矩阵和加权矩阵来结合RS和医疗史数据以增强分类能力。我们对M3S进行了广泛评估,并在我们的内部数据集上发现其具有卓越的性能,准确度、精度、召回率、特异度和F1分数分别为0.9330、0.9379、0.9291、0.9752和0.9334。这些结果表明,与诊断CVD亚型的流行方法相比,M3S具有高性能和鲁棒性。

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