可穿戴设备和医疗器互联网（IOMT）的最新发展允许实时监控和记录心电图（ECG）信号。然而，由于能量和内存约束，对ECG信号的连续监测在低功耗可穿戴设备中具有挑战性。因此，在本文中，我们提出了一种新颖和节能的方法，用于连续监测低功耗可穿戴设备的心脏。所提出的方法由三个不同的层组成：1）噪声/伪像检测层，以级别ECG信号的质量; 2）正常/异常拍摄分类层以检测心电图信号中的异常，3）异常搏动分类层以检测来自ECG信号的疾病。此外，分布式多输出卷积神经网络（CNN）架构用于降低边缘/云之间的能量消耗和等待时间。我们的方法论在众所周知的MIT-BIH心律失常数据集上达到了99.2％的准确性。 Real硬件的评估表明，我们的方法是适用于具有32KB最小RAM的设备。此外，与最先进的工作相比，所提出的方法可以获得7美元的能效。
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心电图（ECG）是用于监测心脏电信号和评估其功能的最常见和常规诊断工具。人心脏可能患有多种疾病，包括心律不齐。心律不齐是一种不规则的心律，在严重的情况下会导致心脏中风，可以通过ECG记录诊断。由于早期发现心律不齐非常重要，因此在过去的几十年中，计算机化和自动化的分类以及这些异常心脏信号的识别引起了很多关注。方法：本文引入了一种轻度的深度学习方法，以高精度检测8种不同的心律不齐和正常节奏。为了利用深度学习方法，将重新采样和基线徘徊清除技术应用于ECG信号。在这项研究中，将500个样本ECG段用作模型输入。节奏分类是通过11层网络以端到端方式完成的，而无需手工制作的手动功能提取。结果：为了评估提出的技术，从两个Physionet数据库，MIT-BIH心律失常数据库和长期AF数据库中选择了ECG信号。基于卷积神经网络（CNN）和长期记忆（LSTM）的组合，提出的深度学习框架比大多数最先进的方法显示出令人鼓舞的结果。所提出的方法达到98.24％的平均诊断准确性。结论：成功开发和测试了使用多种心电图信号的心律失常分类的训练有素的模型。意义：由于本工作使用具有高诊断精度的光分类技术与其他值得注意的方法相比，因此可以在Holter Monitor设备中成功实施以进行心律失常检测。
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人类活动识别（HAR）是健康监测的关键应用之一，需要连续使用可穿戴设备来跟踪日常活动。本文提出了一种适用于适用于低功率边缘装置的节能HAR（AHAR）的自适应CNN。与传统的早期退出架构不同，这是基于分类信心的出口决策，AHAR提出了一种新的自适应架构，其使用输出块预测器选择在推理阶段期间使用的基线架构的一部分。实验结果表明，传统的早期退出架构遭受性能损失，而我们的自适应架构提供类似或更好的性能作为基线，同时节能。我们验证了从两个数据集合机会和W-Har分类机置活动的方法。与机会数据集的雾/云计算方法相比，我们的基线和自适应架构分别显示了相当的加权F1得分为91.79％，分别为91.57％。对于W-HAR数据集，我们的基线和自适应架构分别优于最先进的工程，其加权F1分别为97.55％和97.64％。与机会数据集的作品相比，真实硬件对真实硬件的评估表明，我们的基线架构是显着的节能（少422.38倍）和记忆效率（14.29倍）。对于W-Har DataSet，与最先进的工作相比，我们的基线架构需要2.04倍的能量和2.18倍的内存。此外，实验结果表明，我们的自适应架构是12.32％（机会）和11.14％（W-HAR）的节能，而不是我们的基线，同时提供类似的（机会）或更好的（W-HAR）性能，没有显着的记忆开销。
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心房颤动（AF）是全球最普遍的心律失常，其中2％的人口受影响。它与增加的中风，心力衰竭和其他心脏相关并发症的风险有关。监测风险的个体和检测无症状AF可能导致相当大的公共卫生益处，因为无误的人可以采取预防措施的生活方式改变。随着可穿戴设备的增加，个性化的医疗保健将越来越多。这些个性化医疗保健解决方案需要准确地分类生物信号，同时计算廉价。通过推断设备，我们避免基于云和网络连接依赖性等基于云的系统固有的问题。我们提出了一种有效的管道，用于实时心房颤动检测，精度高精度，可在超边缘设备中部署。本研究中采用的特征工程旨在优化所拟议的管道中使用的资源有效的分类器，该分类器能够以每单纯折衷的内存足迹以10 ^ 5倍型号优惠。分类准确性2％。我们还获得了更高的准确性约为6％，同时消耗403 $ \ times $较小的内存，与以前的最先进的（SOA）嵌入式实现相比为5.2 $ \ times $。
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本文提出了一个低成本且高度准确的ECG监测系统，用于针对可穿戴移动传感器的个性化早期心律不齐检测。对个性化心电图监测的早期监督方法需要异常和正常的心跳来训练专用分类器。但是，在真实的情况下，个性化算法嵌入了可穿戴设备中，这种训练数据不适合没有心脏障碍史的健康人。在这项研究中，（i）我们对通过稀疏字典学习获得的健康信号空间进行了无空间分析，并研究了如何简单的无效空间投影或基于最小二乘的规范性分类方法可以降低计算复杂性，而无需牺牲牺牲计算的复杂性。与基于稀疏表示的分类相比，检测准确性。 （ii）然后，我们引入了基于稀疏表示的域适应技术，以便将其他现有用户的异常和正常信号投射到新用户的信号空间上，使我们能够训练专用的分类器而无需新用户的任何异常心跳。因此，无需合成异常的心跳产生，可以实现零射学习。在基准MIT-BIH ECG数据集上执行的一组大量实验表明，当该基于域的基于域的训练数据生成器与简单的1-D CNN分类器一起使用时，该方法以明显的差距优于先前的工作。 （iii）然后，通过组合（i）和（ii），我们提出了一个整体分类器，以进一步提高性能。这种零射门心律失常检测的方法的平均准确性水平为98.2％，F1得分为92.8％。最后，使用上述创新提出了一个个性化的节能ECG监测计划。
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心血管疾病（CVD）是全球死亡的第一大原因。尽管有越来越多的证据表明心房颤动（AF）与各种CVD有着密切的关联，但这种心律不齐通常是使用心电图（ECG）诊断的，这是一种无风险，无侵入性和具有成本效益的工具。在任何威胁生命的疾病/疾病发展之前，不断和远程监视受试者的心电图信息迅速诊断和及时对AF进行预处理的潜力。最终，可以降低CVD相关的死亡率。在此手稿中，展示了体现可穿戴心电图设备，移动应用程序和后端服务器的个性化医疗系统的设计和实施。该系统不断监视用户的心电图信息，以提供个性化的健康警告/反馈。用户能够通过该系统与他们的配对健康顾问进行远程诊断，干预措施等。已经评估了实施的可穿戴ECG设备，并显示出极好的一致性（CVRMS = 5.5％），可接受的一致性（CVRMS = CVRMS = CVRMS = 12.1％），可忽略不计的RR间隙错误（<1.4％）。为了提高可穿戴设备的电池寿命，提出了使用ECG信号的准周期特征来实现压缩的有损压缩模式。与公认的架构相比，它在压缩效率和失真方面优于其他模式，并在MIT-BIH数据库中以ECG信号的某个PRD或RMSE达到了至少2倍的Cr。为了在拟议系统中实现自动化AF诊断/筛查，开发了基于重新系统的AF检测器。对于2017年Physionet CINC挑战的ECG记录，该AF探测器获得了平均测试F1 = 85.10％和最佳测试F1 = 87.31％，表现优于最先进。
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睡眠呼吸暂停（SA）是一种睡眠障碍，其特征是打s和慢性睡眠，这可能导致严重的疾病，例如高血压，心力衰竭和心肌病（心脏肌肉组织的增大）。心电图（ECG）在识别SA中起着至关重要的作用，因为它可能显示出异常的心脏活性。对基于ECG的SA检测的最新研究集中在功能工程技术上，这些技术从多铅ECG信号中提取特定特征，并将其用作分类模型输入。在这项研究中，提出了一种基于S峰检测的新型特征提取方法，以增强使用单铅ECG对相邻SA段的检测。特别是，使用单个铅（V2）收集的ECG特征用于识别SA发作。在提取的功能上，对CNN模型进行了训练以检测SA。实验结果表明，所提出的方法从单铅ECG数据中检测到SA比现有的最新方法更准确，具有91.13％的分类精度，敏感性为92.58％和88.75％的特异性。此外，与S峰相关的特征的进一步使用可以提高分类准确性0.85％。我们的发现表明，提出的机器学习系统有可能成为检测SA发作的有效方法。
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目的：通过可穿戴传感器持续监测生物信号，在医疗和健康领域迅速扩展。在静止时，自动检测重要参数通常是准确的。然而，在诸如高强度运动的条件下，信号发生突然的生理变化，损害标准算法的鲁棒性。方法：我们的方法称为Bayeslope，是基于无监督的学习，贝叶斯滤波和非线性归一化，并根据ECG中的预期位置来增强和正确地检测R峰值。此外，随着贝叶克洛斯的计算沉重并且可以快速排出设备电池，我们提出了一种在线设计，可使其突然生理变化以及对现代嵌入式平台的异构资源的复杂性。该方法将Bayeslope与轻量级算法相结合，在具有不同能力的核心中执行，以减少能量消耗，同时保持精度。结果：贝森普洛普在激进的骑自行车运动中实现了99.3％的F1得分为99.3％。此外，在线自适应过程在五种不同的运动强度上实现了99％的F1得分，总能耗为1.55±0.54〜MJ。结论：我们提出了一种高度准确和稳健的方法，以及在现代超低功耗嵌入式平台中的完整节能实现，以提高攻击条件下的R峰值检测，例如在高强度运动期间。重要意义：实验表明，贝叶普洛斯在F1分数中优于8.4％的最先进的算法，而我们的在线自适应方法可以在现代异构可穿戴平台上达到高达38.7％的节能。
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对心电图（ECG）信号的调查是诊断心脏病的必要方式，因为ECG过程是非侵入性的，易于使用。这项工作介绍了由几个阶段组成的Supraventriculary的心律失常预测模型，包括噪声过滤，唯一的ECG特征集合，以及自动学习分类模型，以分类不同类型，具体取决于它们的严重程度。我们在执行提取之前，我们去趋势和解除噪声降低噪声以更好地确定功能的信号。之后，我们呈现一个R峰值检测方法和Q-S检测方法作为必要的特征提取的一部分。计算对应于这些功能的下一个参数。使用这些特征，我们已经开发了一种基于机器学习的分类模型，可以成功地分类不同类型的Supraventricular contcardia。我们的研究结果表明，基于决策树的模型是Supraventriculary心动过速心律失常最有效的机器学习模型。在所有机器学习模型中，该模型最有效地降低了Supranculary心动过速的关键信号错误分类。实验结果表明，令人满意的改进，并展示了提出的方法的优越效率，精度为97％。
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本文的重点是概念证明，机器学习（ML）管道，该管道从低功率边缘设备上获取的压力传感器数据中提取心率。 ML管道包括一个UPS采样器神经网络，信号质量分类器以及优化的1D横向扭转神经网络，以高效且准确的心率估计。这些型号的设计使管道小于40 kb。此外，开发了由UPS采样器和分类器组成的杂种管道，然后开发了峰值检测算法。管道部署在ESP32边缘设备上，并针对信号处理进行基准测试，以确定能量使用和推理时间。结果表明，与传统算法相比，提出的ML和杂种管道将能量和时间减少82％和28％。 ML管道的主要权衡是准确性，平均绝对误差（MAE）为3.28，而混合动力车和信号处理管道为2.39和1.17。因此，ML模型显示出在能源和计算约束设备中部署的希望。此外，ML管道的较低采样率和计算要求可以使自定义硬件解决方案降低可穿戴设备的成本和能源需求。
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在初步诊断和分析心脏缺陷，ECG信号发挥着重要作用。本文介绍了使用噪声滤波，独特的心电图特征和基于机器学习的分类器模型预测心室性心动过速心律失常的模型。在信号特征提取之前，我们可以拒绝并使信号脱落以消除正确检测特征的噪声。在提取必要的特征之后，测量与这些特征相关的必要参数。使用这些参数，我们使用的是一种高效的多键级分类器模型，使用机器学习方法可以有效地分类不同类型的心室性心动过速心律失常。我们的结果表明，基于逻辑回归和决策树的模型是用于检测心室性心动过速的最有效的机器学习模型。为了诊断心脏病并为患者寻找护理，需要早期，可靠的不同类型心律失常的诊断。通过实施我们提出的方法，这项工作涉及减少与心室性心动过速有关的关键信号的错误分类问题的问题。实验结果表明了我们提出的算法的令人满意的增强，并表现出高度的恢复力。通过这种帮助，医生可以提前评估这种患者的这种心律失常，并在适当的时间作出正确的决定。
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在过去的二十年中，癫痫发作检测和预测算法迅速发展。然而，尽管性能得到了重大改进，但它们使用常规技术（例如互补的金属氧化物 - 轴导剂（CMO））进行的硬件实施，在权力和面积受限的设置中仍然是一项艰巨的任务；特别是当使用许多录音频道时。在本文中，我们提出了一种新型的低延迟平行卷积神经网络（CNN）体系结构，与SOTA CNN体系结构相比，网络参数少2-2,800倍，并且达到5倍的交叉验证精度为99.84％，用于癫痫发作检测，检测到99.84％。癫痫发作预测的99.01％和97.54％分别使用波恩大学脑电图（EEG），CHB-MIT和SWEC-ETHZ癫痫发作数据集进行评估。随后，我们将网络实施到包含电阻随机存储器（RRAM）设备的模拟横梁阵列上，并通过模拟，布置和确定系统中CNN组件的硬件要求来提供全面的基准。据我们所知，我们是第一个平行于在单独的模拟横杆上执行卷积层内核的人，与SOTA混合Memristive-CMOS DL加速器相比，潜伏期降低了2个数量级。此外，我们研究了非理想性对系统的影响，并研究了量化意识培训（QAT），以减轻由于ADC/DAC分辨率较低而导致的性能降解。最后，我们提出了一种卡住的重量抵消方法，以减轻因卡住的Ron/Roff Memristor重量而导致的性能降解，而无需再进行重新培训而恢复了高达32％的精度。我们平台的CNN组件估计在22nm FDSOI CMOS流程中占据31.255mm $^2 $的面积约为2.791W。
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背景：基于AI的足够大型，精心策划的医疗数据集的分析已被证明有望提供早期检测，更快的诊断，更好的决策和更有效的治疗方法。但是，从多种来源获得的如此高度机密且非常敏感的医疗数据通常受到高度限制，因为不当使用，不安全的存储，数据泄漏或滥用可能侵犯了一个人的隐私。在这项工作中，我们将联合学习范式应用于异质的，孤立的高清心电图集，该图从12铅的ECG传感器阵列到达来训练AI模型。与在中心位置收集相同的数据时，我们评估了所得模型的能力，与经过训练的最新模型相比，获得了等效性能。方法：我们提出了一种基于联合学习范式训练AI模型的隐私方法，以培训AI模型，以实现异质，分布式，数据集。该方法应用于基于梯度增强，卷积神经网络和具有长期短期记忆的复发神经网络的广泛机器学习技术。这些模型在一个心电图数据集上进行了培训，该数据集包含从六名地理分开和异质来源的43,059名患者收集的12个铅录音。研究结果：用于检测心血管异常的AI模型的结果集获得了与使用集中学习方法训练的模型相当的预测性能。解释：计算参数的方法在本地为全局模型做出了贡献，然后仅交换此类参数，而不是ML中的整个敏感数据，这有助于保留医疗数据隐私。
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医学事物互联网（IOMT）允许使用传感器收集生理数据，然后将其传输到远程服务器，这使医生和卫生专业人员可以连续，永久地分析这些数据，并在早期阶段检测疾病。但是，使用无线通信传输数据将其暴露于网络攻击中，并且该数据的敏感和私人性质可能代表了攻击者的主要兴趣。在存储和计算能力有限的设备上使用传统的安全方法无效。另一方面，使用机器学习进行入侵检测可以对IOMT系统的要求提供适应性的安全响应。在这种情况下，对基于机器学习（ML）的入侵检测系统如何解决IOMT系统中的安全性和隐私问题的全面调查。为此，提供了IOMT的通用三层体系结构以及IOMT系统的安全要求。然后，出现了可能影响IOMT安全性的各种威胁，并确定基于ML的每个解决方案中使用的优势，缺点，方法和数据集。最后，讨论了在IOMT的每一层中应用ML的一些挑战和局限性，这些挑战和局限性可以用作未来的研究方向。
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就起搏器提供的信号（即，神心电图电测（EGM））和信号医生使用（即12-铅心电图（ECG））而言，存在差距以诊断出异常节律。因此，前者，即使远程传输，医生也不足以提供精确的诊断，更不用说更及时干预。为了缩短这种差距，并对即时响应不规则和不频繁的心室节律的即时反应进行启发式步骤，我们提出了一个新的框架被称为RT-RCG，以自动搜索（1）高效的深神经网络（DNN）结构和然后（2）相应的加速器，能够实现来自EGM信号的ECG信号的实时和高质量的重建。具体地，RT-RCG提出了一种针对EGM信号的ECG重建量身定制的新的DNN搜索空间，并结合了可分辨率的加速搜索（DAS）发动机，以有效地导航大而离散的加速器设计空间以产生优化的加速器。各种环境下的广泛实验和消融研究一致地验证了RT-RCG的有效性。据我们所知，RT-RCG是第一个利用神经结构搜索（NAS）来同时解决重建效能和效率的效率。
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关键字斑点（kWs）是一个重要的功能，使我们的周围环境中许多无处不在的智能设备进行交互，可以通过唤醒词或直接作为人机界面激活它们。对于许多应用程序，KWS是我们与设备交互的进入点，因此，始终是ON工作负载。许多智能设备都是移动的，并且它们的电池寿命受到持续运行的服务受到严重影响。因此，KWS和类似的始终如一的服务是在优化整体功耗时重点。这项工作解决了低成本微控制器单元（MCU）的KWS节能。我们将模拟二元特征提取与二元神经网络相结合。通过用拟议的模拟前端取代数字预处理，我们表明数据采集和预处理所需的能量可以减少29倍，将其份额从主导的85％的份额削减到仅为我们的整体能源消耗的16％参考KWS应用程序。语音命令数据集的实验评估显示，所提出的系统分别优于最先进的准确性和能效，在10级数据集中分别在10级数据集上达到1％和4.3倍，同时提供令人信服的精度 - 能源折衷包括71倍能量减少2％的精度下降。
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深度学习在使用心电图（ECG）数据分类不同的心律失常方面发挥着重要作用。然而，培训深入学习模型通常需要大量数据，它可能导致隐私问题。不幸的是，无法从单个筒仓中容易地收集大量的医疗保健数据。此外，深度学习模型就像黑盒子，没有解释的预测结果，通常在临床医疗保健中需要。这限制了深度学习在现实世界卫生系统中的应用。在本文中，我们设计了一种基于ECG的医疗保健应用的联邦设置的新的可解释的人工智能（XAI）的深度学习框架。联合设置用于解决数据可用性和隐私问题等问题。此外，所提出的框架设置有效地根据卷积神经网络（CNN）使用AutoEncoder和分类器来分类心律失常。此外，我们提出了一个基于XAI的模块，在拟议的分类器的顶部上解释了分类结果，帮助临床从业者做出快速可靠的决策。拟议的框架是使用MIT-BIH心律失常数据库进行培训和测试。分类器可分别使用噪声和清洁数据进行高达94％和98％的精度，使用嘈杂和清洁数据，具有五倍的交叉验证。
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呼吸率（RR）是重要的生物标志物，因为RR变化可以反映严重的医学事件，例如心脏病，肺部疾病和睡眠障碍。但是，不幸的是，标准手动RR计数容易出现人为错误，不能连续执行。这项研究提出了一种连续估计RR，RRWAVENET的方法。该方法是一种紧凑的端到端深度学习模型，不需要特征工程，可以将低成本的原始光摄影学（PPG）用作输入信号。对RRWAVENET进行了独立于主题的测试，并与三个数据集（BIDMC，Capnobase和Wesad）中的基线进行了比较，并使用三个窗口尺寸（16、32和64秒）进行了比较。 RRWAVENET优于最佳窗口大小为1.66 \ pm 1.01、1.59 \ pm 1.08的最佳绝对错误的最新方法，每个数据集每分钟每分钟呼吸0.96。在远程监视设置（例如在WESAD数据集中），我们将传输学习应用于其他两个ICU数据集，将MAE降低到1.52 \ pm每分钟0.50呼吸，显示此模型可以准确且实用的RR对负担得起的可穿戴设备进行准确估算。我们的研究表明，在远程医疗和家里，远程RR监测的可行性。
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心血管疾病是世界各地最常见的死亡原因。为了检测和治疗心脏相关的疾病，需要连续血压（BP）监测以及许多其他参数。为此目的开发了几种侵入性和非侵入性方法。用于持续监测BP的医院中使用的大多数现有方法是侵入性的。相反，基于袖带的BP监测方法，可以预测收缩压（SBP）和舒张压（DBP），不能用于连续监测。几项研究试图从非侵入性可收集信号（例如光学肌谱（PPG）和心电图（ECG））预测BP，其可用于连续监测。在这项研究中，我们探讨了自动化器在PPG和ECG信号中预测BP的适用性。在12,000岁的MIMIC-II数据集中进行了调查，发现了一个非常浅的一维AutoEncoder可以提取相关功能，以预测与最先进的SBP和DBP在非常大的数据集上的性能。从模拟-II数据集的一部分的独立测试分别为SBP和DBP提供了2.333和0.713的MAE。在40个主题的外部数据集上，模型在MIMIC-II数据集上培训，分别为SBP和DBP提供2.728和1.166的MAE。对于这种情况来说，结果达到了英国高血压协会（BHS）A级并超越了目前文学的研究。
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心律不齐的右心肌病（ARVC）是一种遗传性心肌疾病，在患者生命的第二和十年之间出现，导致35岁之前的心脏突然死亡的20％。在心电图（ECG）上，在降低过早心血管死亡率中可能具有至关重要的作用。在我们的分析中，我们首先概述了基于纸张的ECG信号的数字化过程，该空间过滤器旨在消除数据集图像中与ECG波形无关的黑暗区域，从而产生不良的噪声。接下来，我们建议使用低 - 复杂性卷积神经网络来检测心律失常心脏病，迄今为止尚未通过使用深度学习方法来研究，迄今为止的使用，达到高分类准确性，即99.98％的训练和98.6％测试准确性，与其他心律失常异常相反，在疾病上，其主要鉴定标准是ECG形态的无限千伏变化。最后，通过进行光谱分析，我们研究了与ARVC患者相对应的正常ECG和ECG之间频率领域的显着区别。在我们遇到统计学上显着分化的18个频率中，有16个中，正常的心电图的特征是与异常相比更大的归一化振幅。本文进行的总体研究强调了将数学方法整合到各种疾病的检查和有效诊断中的重要性，旨在为他们的成功治疗做出重大贡献。
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