心臓の問題を早く見つける新しい方法
この研究では、ECG画像を使って心臓の問題を特定する方法を紹介してるよ。
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心臓の問題は、心不全や早死になどの深刻な健康問題につながることがある。よくある問題の一つが左心室(LV)収縮機能不全。この状態は、心臓の主要なポンプ室が上手く働いていないことを意味してる。早期に発見されないと、かなりの健康リスクを引き起こす可能性がある。でも、多くの人は症状が出てからこの問題があることに気づくんだ。主な理由は、早期にスクリーニングする良い方法があまりないから。
現在のスクリーニングの課題
医者は通常、LV収縮機能不全を診断するために心エコー検査を使うけど、この検査には特別な機材と訓練されたスタッフが必要で、どこでも使えるわけじゃない。心電図(ECG)を使って問題を特定できるより手軽な方法があれば、心臓の問題を早く見つけやすいんだけど、特に遠隔地の医療提供者は、こういった検査に必要なECGデータにアクセスできない場合が多いんだ。それぞれのECGマシンはデータを異なるフォーマットで保存するから、さらに問題が複雑になる。
新しいアプローチ
私たちは、ECGの画像を使ってLV収縮機能不全をよりよく特定する方法を開発した。この方法は、元のECG信号に依存せず、画像を使うから、いろんな医療施設で共有したりアクセスしたりしやすい。目指すのは、特に資源が限られた場所で広く安く使える診断ツールを作ること。
ディープラーニングの活用
私たちの新しいアプローチは、データから学習できるコンピュータープログラムであるディープラーニングを活用してる。ECGの画像を分析し、LV収縮機能不全に関連する問題を正確に特定できるモデルを作った。この方法は、どんなECG画像のレイアウトでもうまく対応できるから、さまざまな医療環境に適応できる。
開発に使ったデータ
私たちのモデルを作るために、数年間にわたって大きな病院からECGデータを集めた。各ECGは、分析が信頼できるために、短時間内に関連する心エコーを受けたものじゃなきゃいけない。このデータを集めて、ディープラーニングモデルのトレーニングとテストに役立てた。
データの準備
モデルにデータを入力する前に、各ECG記録がクリアで連続していることを確認した。基本的な画像処理をして、ECG画像の品質を向上させた。具体的には、不要な背景ノイズを取り除いたり、画像のサイズを標準化したりした。
研究の流れ
ECGデータを3つのグループに分けた:モデルのトレーニング用、性能を検証する用、後でテストする用。こうすることで、モデルがバイアスに影響されずに効果的に学べるようにしてる。
モデルのトレーニング
私たちが作ったモデルは、EfficientNet-B3という特定のディープラーニングアーキテクチャに基づいてる。このアーキテクチャは、画像から効率的に学習するように設計されていて、私たちの目的にぴったり。さまざまなECG画像のタイプでモデルをトレーニングして、いろんなフォーマットでLV収縮機能不全の兆候を正確に認識できるようにした。
テストと検証
モデルがトレーニングされたら、前に見たことがないデータセットを使ってその性能を評価した。このステップは、モデルが実際の状況でどれだけうまく機能するかを理解するのに重要。さらに、他の医療環境のデータを使ってモデルを検証して、さまざまな集団や医療環境でもうまく機能するか確認した。
性能の測定
モデルの性能を測るために、LV収縮機能不全の患者をどれだけ正確に特定できるかを比較してみた。感度(条件のある人を正しく特定できるか)や特異度(条件のない人を正しく特定できるか)などの指標を使った。
研究の結果
結果は、私たちのモデルがECG画像からLV収縮機能不全を高精度で特定できることを示した。異なる患者グループ、年齢層、人種背景においても、一貫してうまく機能した。さらに、いくつかの臨床環境でその有効性も検証され、さまざまな環境での有用性が確認された。
予測手がかりの理解
モデルがどのように予測を行うかを理解するために、Grad-CAMという技術を使った。この技術は、モデルの意思決定プロセスにおいて最も重要なECG画像の部分を視覚化するのに役立つ。特に、心機能を測る重要な指標である左室駆出分画が低いことに関連するECG画像の特定のエリアが強調された。
発見の意味
私たちの発見は、この新しい方法がLV収縮機能不全の効果的なスクリーニングツールとして機能する可能性があることを示唆している。特に高度な心エコー検査にアクセスできない場所では、早期発見ができることでタイムリーな介入につながり、心臓の健康管理がより良くなるかもしれない。
今後の考慮事項
私たちの研究は有望だけど、いくつかの限界もある。モデルは主に心エコー検査の指標があった患者のデータを使って開発されているから、より広い人口を代表するわけではない。今後の研究では、特に心臓の問題の明確な兆候がない人々の一般的な環境での性能を評価する必要がある。
結論
要するに、私たちの研究は、ECG画像をディープラーニングで使うことで、LV収縮機能不全のスクリーニングに実用的な解決策を提供できることを示している。このアプローチは、特に資源が限られた地域で心臓健康の診断へのアクセスを改善し、結果的に健康状態の向上につながる可能性がある。今後は、さまざまな医療環境でモデルの有効性を確保するために、さらなる評価と改良が必要だ。
タイトル: Detection of Left Ventricular Systolic Dysfunction from Electrocardiographic Images
概要: BackgroundLeft ventricular (LV) systolic dysfunction is associated with over 8-fold increased risk of heart failure and a 2-fold risk of premature death. The use of electrocardiogram (ECG) signals in screening for LV systolic dysfunction is limited by their availability to clinicians. We developed a novel deep learning-based approach that can use ECG images for the screening of LV systolic dysfunction. MethodsUsing 12-lead ECGs plotted in multiple different formats, and corresponding echocardiographic data recorded within 15 days from the Yale-New Haven Hospital (YNHH) during 2015-2021, we developed a convolutional neural network algorithm to detect LV ejection fraction < 40%. The model was validated within clinical settings at YNHH as well as externally on ECG images from Cedars Sinai Medical Center in Los Angeles, CA, Lake Regional Hospital (LRH) in Osage Beach, MO, Memorial Hermann Southeast Hospital in Houston, TX, and Methodist Cardiology Clinic of San Antonia, TX. In addition, it was validated in the prospective Brazilian Longitudinal Study of Adult Health (ELSA-Brasil). Gradient-weighted class activation mapping was used to localize class-discriminating signals in ECG images. ResultsOverall, 385,601 ECGs with paired echocardiograms were used for model development. The model demonstrated high discrimination power across various ECG image formats and calibrations in internal validation (area under receiving operation characteristics [AUROC] 0.91, area under precision-recall curve [AUPRC] 0.55), and external sets of ECG images from Cedars Sinai (AUROC 90, AUPRC 0.53), outpatient YNHH clinics (AUROC 0.94, AUPRC 0.77), LRH (AUROC 0.90, AUPRC 0.88), Memorial Hermann Southeast Hospital (AUROC 0.91, AUPRC 0.88), Methodist Cardiology Clinic (AUROC 0.90, AUPRC 0.74), and ELSA-Brasil cohort (AUROC 0.95, AUPRC 0.45). An ECG suggestive of LV systolic dysfunction portended over 27-fold higher odds of LV systolic dysfunction on TTE (OR 27.5, 95% CI, 22.3-33.9 in the held-out set). Class-discriminative patterns localized to the anterior and anteroseptal leads (V2-V3), corresponding to the left ventricle regardless of the ECG layout. A positive ECG screen in individuals with LV ejection fraction [≥] 40% at the time of initial assessment was associated with a 3.9-fold increased risk of developing incident LV systolic dysfunction in the future (HR 3.9, 95% CI 3.3-4.7, median follow-up 3.2 years). ConclusionsWe developed and externally validated a deep learning model that identifies LV systolic dysfunction from ECG images. This approach represents an automated and accessible screening strategy for LV systolic dysfunction, particularly in low-resource settings. CLINICAL PERSPECTIVEO_ST_ABSWhat is New?C_ST_ABSO_LIA convolutional neural network model that accurately identifies LV systolic dysfunction from ECG images across subgroups of age, sex, and race. C_LIO_LIThe model shows robust performance across multiple institutions and health settings, both applied to ECG image databases as well as directly uploaded single ECG images to a web-based application by clinicians. C_LIO_LIThe approach provides information for both screening of LV systolic dysfunction and its risk based on ECG images alone. C_LI What are the clinical implications?O_LIOur model represents an automated screening strategy for LV systolic dysfunction on a variety of ECG layouts. C_LIO_LIWith availability of ECG images in practice, this approach overcomes implementation challenges of deploying an interoperable screening tool for LV systolic dysfunction in resource-limited settings. C_LIO_LIThis model is available in an online format to facilitate real-time screening for LV systolic dysfunction by clinicians. C_LI
著者: Rohan Khera, V. Sangha, A. Aghajani Nargesi, L. S. Dhingra, A. Khunte, B. J. Mortazavi, A. H. Ribeiro, E. Banina, O. Adeola, N. Garg, C. Brandt, E. J. Miller, A. L. P. Ribeiro, E. Velazquez, L. Giatti, S. M. Barreto, M. Foppa, N. Yuan, D. Ouyang, H. Krumholz
最終更新: 2023-03-14 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2022.06.04.22276000
ソースPDF: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2022.06.04.22276000.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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