【彤心飞传】中国原创研究 | 王如兴教授团队：心电图筛查左室功能不全—基于卷积神经网络模型
左室功能不全是各种心脏结构或功能异常导致左心室充盈和（或）射血功能受损，不能满足机体组织代谢需要的一组综合征。左室功能不全的早期筛查，对于及时治疗及改善患者预后具有重要意义。然而，左室功能不全早期患者常缺乏特征性的临床表现，且超声心动图及循环标志物具有成本-效益的局限性。因此，目前尚缺乏无创、平价且易于推广的方法筛查左室功能不全。
近年来，人工智能网络相关研究取得重大突破。其中，卷积神经网络（CNN）已成为目前图像分类、图像识别、语音分析以及自然语言加工等领域的研究热点。CNN的权值共享网络结构有利于降低模型的复杂度、减少权值的数量，能够直接将图像作为网络的输入，避免了传统识别算法存在的复杂的特征提取及数据重建过程。有研究表明，心脏结构或功能的改变可引起心电图的变化，而经过良好训练的CNN模型可识别此种变化，并判断心功能状态。南京医科大学附属无锡人民医院心内科王如兴教授团队于Journal of Cardiovascular Electrophysiology杂志发表论文，探讨了CNN利用常规12导联心电图识别左室功能不全的应用。
本研究收集了2018年1月至2019年5月间在南京医科大学附属无锡人民医院就诊患者的心电图和经胸超声心动图数据。匹配了同一患者在14天内获得的心电图及心动图数据，若同一患者存在多个配对数据，仅纳入最早的配对，获得26,792份心电图-心超配对数据（表1）。
表1 纳入患者的临床特征
作者利用经胸超声心动图评估患者的心功能，以左室射血分数50%为界，判断患者的左室功能是否存在异常。ECG图像则按9:1:1的比例随机分为训练集、验证集或测试集。训练集和验证集中的ECG图像用于特征提取和CNN模型构建，测试集则用于模型预测性能的评估（图1-2）。
图1 数据收集及数据集的建立
图2CNN模型的创建及测试流程
图3 人工智能模型构架示意图
研究结果提示，良好训练的CNN模型在测试集中准确度为73.9% (73.8% ~ 74.0%)，敏感度为69.2% (67.8% ~70.6%)，特异度为70.5% (70.1% ~ 70.9%)，阳性预测值为70.1%，阴性预测值为69.9%，曲线下面积为测试集为0.713（图4）。
图4 算法模型在验证集和测试集上筛查效果的接受者操作特征
本研究结果显示，通过构建并训练深度学习模型，可仅基于常规的心电图数据，以较低的成本，筛查左室功能不全的患者，为开展左室功能不全的早期筛查提供了新思路。
参考文献
J Cardiovasc Electrophysiol. 2021 Feb 9. doi: 10.1111/jce.14936. Online ahead of print.
专家简介
王如兴，医学博士、主任医师、教授、南京医科大学和江南大学医学院博士研究生导师、专技二级岗、留美和留欧访问学者。中华医学会心血管分会心血管临床研究学组委员、中华医学会心电生理和起搏分会基础研究学组委员、中国医师协会心血管内科医师分会委员、江苏省医学会心电生理与起搏分会副主任委员、“全国心律失常治疗规范和新技术培训”项目的培训导师。江苏省医学重点人才、江苏省有突出贡献的中青年专家、南京医科大学附属无锡人民医院心内科主任，高级专家。主持及完成国家和省市级科研课题20余项，其中国家自然科学基金面上项目3项，江苏省自然科学基金面上项目2项，指导所带研究生获国家自然科学青年基金6项，近10年团队成功获得11项国家自然科学基金课题资助。获省、市厅级科技进步奖和新技术引进奖15项。在国内外医学期刊发表学术论文300余篇，其中在SCI收录论文56篇，在中华系列杂志上发表论文74篇，其中《中华心血管病杂志》29篇。现为《中华心血管病杂志》、《中华心律失常学杂志》和《中国心脏起搏与心电生理杂志》编委及《实用心电学杂志》副主编。研究方向为心电生理的临床和基础，目前磁导航指导下复杂心律失常导管消融治疗在国内领先。
刘彤，天津医科大学第二医院心脏科主任医师，教授，天津心脏病学研究所副所长，天津医科大学科研处副处长，天津市131创新型人才（第一层次），首批天津市津门医学英才。医学博士/博士后（美国Cedars-Sinai医学中心），天津医科大学博士生导师。主要从事心脏起搏与射频消融、心房颤动、肿瘤心脏病学的基础和临床研究。
现任中华医学会心脏起搏与电生理分会委员，中华医学会心血管病分会青年委员，国际心电学会（ISE）青年委员，中华医学会心脏起搏与电生理分会&中国医师协会心律学专业委员会中青年电生理工作委员会副主任委员，中国心律学会青年委员，中国心电学会委员，中国抗癌协会第一届整合心脏病学分会常务委员。PACE杂志（SCI收录）编委，Cardiovas Diag Ther杂志（SCI收录）编委，Cardiol Res Pract杂志（SCI收录）特刊主编，中华心律失常学杂志通讯编委，中国心血管病研究杂志青年编委会副主任委员，中华老年心脑血管病杂志编委。
承担国家自然科学基金项目4项，承担天津市自然科学基金重点项目2项，参与国家自然科学基金项目2项，获天津市科技进步奖3项。JACC、Stroke、Cardiovasc Diabetol、Heart、JAHA、Circulation AE、Heart Rhythm等杂志发表第一作者及通讯作者文章100余篇，总引用次数3652次，主编及主译英文专著各1部，副主编专著2部。