Using a deep learning challenge-best AI model to detect the possible heart diseases from electrocardiogram in China Physiological Challenge 2018.

1. 陳 在民
台灣人工智慧學校 專案處-顧問
ECG訊號處理

2. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
Π型人才
2
第一專長 第二專長
通盤理解

3. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
水母型人才
政治 昆蟲 微生物 醫學 AI
人工智慧學校
AI顧問
中研院生物醫學所
研究助理
日本京大學
分子微生物學所
台灣大學
昆蟲學系
政治大學
政治學系

4. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
ECG歷史
4
• 1842- 義大利科學家Carlo Matteucci 發現
電位變化跟心跳是有關係的。
• 1876-愛爾蘭科學家Marey分析了青蛙心
臟的電位變化模式
• 1895-WilliamEinthoven發明了
electrocardiogram (ECG)
• 1906 – 透過ECG, WilliamEinthoven成功
診斷了一些心臟疾病
Akash Kumar Bhoi,
Basics of ECG, Published
on Sep 8, 2015

5. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
5
• ECG是用來展示心臟週期律動的電位變化事件
• 每個事件都有著獨特的波型
• 研究這些波型可以產出一些關於心臟疾病的知識
ECG功用
Akash Kumar Bhoi,
Basics of ECG, Published
on Sep 8, 2015

6. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
PQRST介紹
6
Sinoatrial node
AV node
Bundle of His
Bundle Branches
Purkinje fibers
• P wave –Atrial depolarization
• QRS – Ventricular depolarization
• T wave – Ventricular repolarization
Akash Kumar Bhoi,
Basics of ECG, Published
on Sep 8, 2015

7. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
ECG 12導程-1
7
Lead I
Lead II
Lead III
Lead V1
Lead V2
Lead V3
Lead V4
Lead V5
Lead V6
Lead aVR
Lead aVL
Lead aVF

8. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
ECG 12導程-2
8
http://2018.icbeb.org/Challenge.html

9. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
ECG 與心臟疾病-1
9
Normal RBBB

10. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
右束支傳導阻滯
10
RBBB
右束支傳導阻滯
（RBBB）時，
增寬的RR’波群
在V1導聯上表
現最為典型。

11. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
ECG 與心臟疾病-2
11
Normal LBBB

12. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
LBBB
左束支傳導阻滯
12
左束支傳導阻滯
（LBBB）時，
增寬的RR’波群
在V6導聯上表
現最為典型。

13. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
ECG 與心臟疾病-3
13
Normal AF

14. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
AF
心房顫動
14
AF ( atrial fibrillation )心房顫動(60/分<心跳<100/
分)(沒明顯P波(亂抖)，R-R不規則)

15. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
First-degree Atrioventricular Block
15
Normal I-AVB

16. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
Premature Atrial Contraction
16
Normal PAC

17. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
Premature Ventricular Contraction
17
Normal PVC

18. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
ST-segment Depression
18
Normal STD

19. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
ST-segment Elevated
19
Normal STE

20. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
CPSC 心電圖病態分類競賽
20
2018中國生
理電訊號AI
競賽
冠軍

21. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
9 種心律不整病態
Normal Atrial fibrillation (AF) First-degree
atrioventricular block
(I-AVB)
Left bundle branch
block (LBBB)
ST-segment elevated
(STE)
Right bundle branch
block (RBBB)
Premature atrial
contraction (PAC)
Premature ventricular
contraction (PVC)
ST-segment
depression (STD)
心電圖12 導程訊號
Ι II ΙΙΙ aVR
aVF aVL V1 V2
V3 V4 V5 V6
競賽描述

22. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
預測結果
No Yes
真實狀態 No TN FP
Yes FN TP
TN = True Negative
FP = False Positive
FN = False Negative
TP = True Positive
precision = TP / (FP + TP)
recall = TP / (FN + TP)
Harmonic mean of precision and recall
了解你的目標
F1評量標準

23. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
病人 心電圖12導程訊號250~72000(6s~144s)
紀錄時間
: 12
了解資料的型態
移除多重心律不整病態的病人
一筆資料

24. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
完全獨立
標準建模流程
整理完的資料
資料集
測試集訓練集 驗證集
8 : 1 : 1

25. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
476
多重心律不整病態的病人
6401
單一心律不整病態的病人
8 : 1 : 1 交叉驗證
更嚴謹的評估表現

26. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
原創的MetforNet模型架構
1. Combination of CNN and bidirectional RNN with Attention
layer.
2. 5 CNN-blocks including 2 convolution layers that follow the
convolution-pooling layer
3. Dropout was driven by randomly dropping 20% of the
connections to the next block or layer.
4. In the last CNN-block, we connected it into a bidirectional RNN
with Attention layer, and applied the batch normalization
before it was connected to the fully-connected layer.
5. LeakyReLU activation function was used for each layer, except
for the last fully-connected layer, where Sigmoid activation
function was used.
6. Model was trained with categorical-cross-entropy loss
function and ADAM optimizer.
走在時代尖端的架構

27. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
Fold_1
Fold_2
Fold_3
Fold_4
Fold_5
Fold_6
Fold_7
Fold_8
Fold_9
Fold_10
Lead Full I II III aVL aVFaVR V1 V2 V3 V5 V6V4
綜合130個
模型的預測
130 個模型
預測比賽的題目集
模型集成

28. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
表現比較
Best Validation Models Ensemble Model
CA Type
Median
Accuracy
Median AUC
(95% CI)
Median
F1-score
Median
Accuracy
Median AUC
(95% CI)
Median
F1-score
Hidden Set
F1-score
Normal 0.940
0.890
(0.810-0. 942)
0.795 0.949
0.867
(0. 832-973)
0.808 0.801
AF 0.969
0.928
(0.902-0.985)
0.897 0.983
0.963
(0.914-0.993)
0.944 0.933
I-AVB 0.972
0.899
(0.864-0.988)
0.865 0.977
0.950
(0.875-0.990)
0.899 0.875
LBBB 0.990
0.914
(0.748-1.000)
0.821 0.995
0.942
(0.763-1.000)
0.899 0.884
RBBB 0.955
0.956
(0.887-0.988)
0.911 0.952
0.946
(0.871-0.976)
0.903 0.910
PAC 0.957
0.867
(0.749-0.955)
0.734 0.963
0.920
(0.779-0.981)
0.797 0.826
PVC 0.970
0.928
(0.841-0.988)
0.852 0.977
0.932
(0.864-0.996)
0.874 0.869
STD 0.951
0.878
(0.797-0.972)
0.788 0.959
0.906
(0.815-0.970)
0.834 0.811
STE 0.976
0.707
(0.558-0.995)
0.509 0.977
0.773
(0.603-0.993)
0.600 0.624
誠實地評估模型表現

29. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
深入研究
1.模型表現是否被低估?
2.模型是否有預測多重病態的能力?
3.哪些ECG導程提供較好的訓練表現?

30. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
三位心臟科醫師的復驗
PatientID Conf. Model Cardiologist1 Cardiologist2 Cardiologist3 Consensus
6268 STE Normal Normal SR (normal) SR (normal) Normal
6215 STD AF
narrow-QRS tachycardia, SVT,
RBBB, RAD
PSVT PSVT PSVT
4237 RBBB I-AVB I-AVB I-AVB, SR, TWI (V1-V4), rSR’ (V1) I-AVB,SR I-AVB
6380 STE LBBB LBBB LBBB,SR,LAE LBBB,SR LBBB
1452 AF RBBB AF, MVR, RBBB
AF, RBBB, Q wave, STE with reciprocal change,
w/o old MI
AF, RBBB RBBB
5398 PVC PAC PAC PAC PAC,SR PAC
5963 STD PVC PVC PVC,SR,STD(V3-V6) PVC,SR PVC
4278 RBBB STD normal SR, minimal STTC(II, III, aVF) STD-like, SR Normal
504 Normal STE STE-like SR, early repolarization SR Normal

31. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
1.模型表現是否被低估?
2.模型是否有預測多重病態的能力?
3.哪些ECG導程提供較好的訓練表現?
深入研究

32. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
多重病態的預測
AF I-AVB LBBB RBBB PAC PVC STD STE
AF 0 0 29 172 4 8 33 2
I-AVB 0 8 10 3 5 6 4
LBBB 0 0 10 6 3 4
RBBB 0 55 51 20 19
PAC 2 3 6 5
PVC 0 18 2
STD 0 2
STE 0
多重心律不整病態的病人
AF I-AVB LBBB RBBB PAC PVC STD STE
AF 0/0 0/0 17/29 154/172 0/4 6/8 4/33 0/2
I.AVB 0/0 2/8 8/10 0/3 2/5 0/6 0/4
LBBB 0/0 0/0 2/10 4/6 0/3 0/4
RBBB 0/0 34/55 49/51 16/20 5/19
PAC 0/0 3/3 4/6 2/5
PVC 0/0 6/18 0/2
STD 0/0 2/2
STE 0/0
模型的多重病態預測結果

33. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
1.模型表現是否被低估?
2.模型是否有預測多重病態的能力?
3.哪些導程訊號提供較好的訓練表現?
深入研究

34. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
單導程訊號的訓練表現
I-AVB STD
AF PVC
Normal PAC
Overall RBBB
aVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVR IIIIIIIIIIIIIIIIIIII V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1 IIIIIIIIII aVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVF V2V2V2V2V2V2V2V2V2V2 V5V5V5V5V5V5V5V5V5V5 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII V4V4V4V4V4V4V4V4V4V4 V3V3V3V3V3V3V3V3V3V3 aVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVL V6V6V6V6V6V6V6V6V6V6 V5V5V5V5V5V5V5V5V5V5 V4V4V4V4V4V4V4V4V4V4 aVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVF V2V2V2V2V2V2V2V2V2V2 IIIIIIIIII V6V6V6V6V6V6V6V6V6V6 V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1 aVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVL V3V3V3V3V3V3V3V3V3V3 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII IIIIIIIIIIIIIIIIIIII
aVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVR V6V6V6V6V6V6V6V6V6V6 V4V4V4V4V4V4V4V4V4V4 IIIIIIIIIIIIIIIIIIII V5V5V5V5V5V5V5V5V5V5 V3V3V3V3V3V3V3V3V3V3 IIIIIIIIII aVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVF V2V2V2V2V2V2V2V2V2V2 V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII aVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVL V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1 IIIIIIIIIIIIIIIIIIII aVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVF IIIIIIIIII V3V3V3V3V3V3V3V3V3V3 V2V2V2V2V2V2V2V2V2V2 aVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVR V4V4V4V4V4V4V4V4V4V4 V5V5V5V5V5V5V5V5V5V5 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII aVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVL V6V6V6V6V6V6V6V6V6V6
aVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVR V5V5V5V5V5V5V5V5V5V5 V6V6V6V6V6V6V6V6V6V6 V4V4V4V4V4V4V4V4V4V4 IIIIIIIIIIIIIIIIIIII V3V3V3V3V3V3V3V3V3V3 IIIIIIIIII aVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVF V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1 V2V2V2V2V2V2V2V2V2V2 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII aVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVL V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1 V2V2V2V2V2V2V2V2V2V2 aVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVR IIIIIIIIII V6V6V6V6V6V6V6V6V6V6 V3V3V3V3V3V3V3V3V3V3 V5V5V5V5V5V5V5V5V5V5 IIIIIIIIIIIIIIIIIIII aVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVL V4V4V4V4V4V4V4V4V4V4 aVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVF IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII
0.00
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F1score
LBBB STE
I-AVB STD
AF PVC
IIIIIIIIII V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1 aVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVR V6V6V6V6V6V6V6V6V6V6 V2V2V2V2V2V2V2V2V2V2 V3V3V3V3V3V3V3V3V3V3 aVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVL IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII V4V4V4V4V4V4V4V4V4V4 V5V5V5V5V5V5V5V5V5V5 IIIIIIIIIIIIIIIIIIII aVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVF V4V4V4V4V4V4V4V4V4V4 V5V5V5V5V5V5V5V5V5V5 V3V3V3V3V3V3V3V3V3V3 IIIIIIIIIIIIIIIIIIII V6V6V6V6V6V6V6V6V6V6 aVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVR IIIIIIIIII V2V2V2V2V2V2V2V2V2V2 V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII aVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVL
V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1 V3V3V3V3V3V3V3V3V3V3 aVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVR IIIIIIIIIIIIIIIIIIII V4V4V4V4V4V4V4V4V4V4 V5V5V5V5V5V5V5V5V5V5 IIIIIIIIII V2V2V2V2V2V2V2V2V2V2 aVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVF IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII V6V6V6V6V6V6V6V6V6V6 aVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVL aVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVR V5V5V5V5V5V5V5V5V5V5 IIIIIIIIIIIIIIIIIIII V6V6V6V6V6V6V6V6V6V6 V4V4V4V4V4V4V4V4V4V4 aVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVF IIIIIIIIII V3V3V3V3V3V3V3V3V3V3 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII V2V2V2V2V2V2V2V2V2V2 V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1 aVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVL
aVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVR IIIIIIIIIIIIIIIIIIII V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1 IIIIIIIIII aVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVF V2V2V2V2V2V2V2V2V2V2 V5V5V5V5V5V5V5V5V5V5 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII V4V4V4V4V4V4V4V4V4V4 V3V3V3V3V3V3V3V3V3V3 aVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVL V6V6V6V6V6V6V6V6V6V6 V5V5V5V5V5V5V5V5V5V5 V4V4V4V4V4V4V4V4V4V4 aVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVF V2V2V2V2V2V2V2V2V2V2 IIIIIIIIII V6V6V6V6V6V6V6V6V6V6 V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1 aVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVL V3V3V3V3V3V3V3V3V3V3 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII IIIIIIIIIIIIIIIIIIII
aVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVR V6V6V6V6V6V6V6V6V6V6 V4V4V4V4V4V4V4V4V4V4 IIIIIIIIIIIIIIIIIIII V5V5V5V5V5V5V5V5V5V5 V3V3V3V3V3V3V3V3V3V3 IIIIIIIIII aVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVF V2V2V2V2V2V2V2V2V2V2 V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII aVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVL V1V1V1V1V1V1V1V1V1V1 IIIIIIIIIIIIIIIIIIII aVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVFaVF IIIIIIIIII V3V3V3V3V3V3V3V3V3V3 V2V2V2V2V2V2V2V2V2V2 aVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVRaVR V4V4V4V4V4V4V4V4V4V4 V5V5V5V5V5V5V5V5V5V5 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII aVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVLaVL V6V6V6V6V6V6V6V6V6V6
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1.00
Lead
F1score

35. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
八大心法
35
了解你的目標
了解資料的型態
正確的資料分析流程
有效地資料前處理
客製化的資料前處理
多樣資料的整合訓練
走在時代尖端的架構
誠實地評估模型表現

36. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
發期刊論文
36
有興趣的可
以掃碼閱讀

37. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
ECG的未來

38. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
ECG功能的開放?
醫療器材管理法草案
依醫材管理辦法規定，醫材
可分為 17 大類、3 種風險
程度。
心電圖管理系統被歸類於
「心臟血管醫學」的第一等
級（低風險）。
但相關的品項如心臟監視器
（含心動數計和心率警示
器）、心律不整檢測器和警
示器都被歸類於第二等級
（中風險）。 https://technews.tw/2019/12/30/apple-watch-ecg-features-may-be-coming/

39. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
ECG的全新應用
Age and Sex Estimation Using Artificial
Intelligence From Standard 12-Lead ECGs
doi: 10.1161/CIRCEP.119.007284

40. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
資料科學家
40
修身養性

41. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
集結具專案經驗的碩、博士級工程師:
41
專案處

42. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
水母型人才
政治 昆蟲 微生物 醫學 AI
人工智慧學校
AI顧問
中研院生物醫學所
研究助理
日本京大學
分子微生物學所
台灣大學
昆蟲學系
政治大學
政治學系

43. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
黃明經研究員
施宣誠博士 我
放大
研究能量
獲得能量
持續學習

44. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
44
算出腦癌存活率 中研院「AI小孩」有突破
黃亞琪 健康 shutterstock 1153期 2019-01-23 11:24

45. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
AI結合生醫-2018
45
2018生技醫
療創新競賽
季軍
2018藥物探
索AI競賽
亞軍

46. 心電圖競賽心電圖介紹我是誰 心電圖未來
陳在民 專案處-顧問
AI結合生醫-2019
46
2019醫療數據
AI競賽
亞軍
2019藥物探
索AI競賽
季軍