第一波FDA批準的可穿戴數(shù)字健康監(jiān)測器與智能手表等消費產品集成在一起，剛剛開始出現(xiàn)。醫(yī)療傳感器技術繼續(xù)快速發(fā)展，使緊湊、經濟高效且越來越精確的生理傳感器能夠進入現(xiàn)成的可穿戴設備。這種轉變的真正驅動因素之一是尖端機器學習和人工智能算法的可用性，這些算法可以從大量數(shù)據中提取和解釋有意義的信息。這包括噪聲數(shù)據和不太完美的信號（例如來自智能手表的ECG數(shù)據），這些信號被各種偽影損壞，這些偽影很難使用傳統(tǒng)算法進行處理，這些算法往往是確定性和基于規(guī)則的。

直到最近，解開來自這些傳感器的生理信號中的秘密，以形成可接受的合理準確的決策，對于監(jiān)管提交來說，這是具有挑戰(zhàn)性的，而且通常是不可能的。機器學習和人工智能算法的進步現(xiàn)在使工程師和科學家能夠克服其中的許多挑戰(zhàn)。在本文中，我們將仔細研究處理生理信號的算法的整體架構，并揭開其操作的神秘面紗，將其轉變?yōu)榛跀?shù)十年研究的更真實的工程。

為了說明簡單機器學習算法的強大功能，這里有一個在線視頻，描述了來自活動跟蹤器中加速度計的數(shù)據如何預測佩戴者的各種運動狀態(tài)或其余狀態(tài)。我們可以將這種方法擴展到更復雜的現(xiàn)實世界醫(yī)療信號，如心電圖，并開發(fā)可以自動將ECG信號分類為正?；虮憩F(xiàn)出心房顫動的算法。

開發(fā)機器學習算法包括兩個主要步驟（圖 1）。此工作流的第一步是特征工程，其中從感興趣的數(shù)據集中提取某些數(shù)字/數(shù)學特征并呈現(xiàn)給后續(xù)步驟。在第二步中，將提取的特征輸入到眾所周知的統(tǒng)計分類或回歸算法中，例如適當配置的支持向量機或傳統(tǒng)神經網絡，以提出經過訓練的模型，然后可用于新數(shù)據集進行預測。使用表示良好的標記數(shù)據集迭代訓練此模型，直到達到令人滿意的準確性，就可以在新數(shù)據集上將其用作生產環(huán)境中的預測引擎。

圖 1.包含訓練和測試階段的典型機器學習工作流。

那么，這個工作流程如何尋找ECG信號分類問題呢？對于此案例研究，我們轉向2017年PhysioNet挑戰(zhàn)數(shù)據集，該數(shù)據集使用真實世界的單導聯(lián)ECG數(shù)據。目的是將患者的心電圖信號分為四類：正常，心房顫動，其他心律和太吵。在 MATLAB 中解決此問題的整個過程和各個步驟如圖 2 所示。

圖 2.用于開發(fā)機器學習算法以對心電圖信號進行分類的 MATLAB 工作流程。

預處理和特征工程

特征工程步驟可能是開發(fā)強大的機器學習算法中最困難的部分。這樣的問題不能簡單地視為“數(shù)據科學”問題，因為在探索解決這個問題的各種方法時，擁有生物醫(yī)學工程領域的知識來理解不同類型的生理信號和數(shù)據是很重要的。MATLAB等工具將數(shù)據分析和高級機器學習功能帶給領域專家，并使他們能夠更輕松地將高級機器學習功能等“數(shù)據科學”功能應用于他們正在解決的問題，從而使他們能夠專注于特征工程。在這個例子中，我們使用先進的小波技術進行信號處理，以消除噪聲和緩慢移動的趨勢，例如數(shù)據集中的呼吸偽影，并從信號中提取各種感興趣的特征。

開發(fā)分類模型

統(tǒng)計和機器學習工具箱中的分類學習器應用程序對于剛接觸機器學習的工程師和科學家來說是一個特別有效的起點。在我們的示例中，一旦從信號中提取了足夠數(shù)量的有用和相關特征，我們就會使用此應用程序快速探索各種分類器及其性能，并縮小我們的選項以進行進一步優(yōu)化。這些分類器包括決策樹、隨機森林、支持向量機和 K 最近鄰 （KNN）。這些分類算法使您能夠嘗試各種策略，并選擇為您的要素集提供最佳分類性能的策略（通常使用混淆矩陣或 ROC 曲線下的區(qū)域等指標進行評估）。在我們的案例中，我們很快就達到了所有班級約80%的整體準確率，只需遵循這種方法（本次比賽的獲獎作品得分約為83%）。請注意，我們沒有花太多時間在特征工程或分類器調優(yōu)上，因為我們的重點是驗證這種方法。通常，在特征工程和分類器調整上花費一些時間可以顯著進一步提高分類準確性。更高級的技術（如深度學習）也可以應用于特征工程和提取以及分類步驟在單個訓練步驟中組合在一起的問題，盡管與傳統(tǒng)機器學習技術相比，這種方法通常需要更大的訓練數(shù)據集才能很好地工作。

挑戰(zhàn)、法規(guī)和未來承諾

雖然許多常用的可穿戴設備還沒有準備好取代其FDA批準和醫(yī)學驗證的對應設備，但所有技術和消費者趨勢都強烈指向這個方向。FDA開始在簡化法規(guī)和鼓勵監(jiān)管科學的發(fā)展方面發(fā)揮積極作用，特別是通過數(shù)字健康軟件預認證計劃以及設備開發(fā)中的建模和模擬等舉措。

從日常使用的可穿戴設備中收集的人類生理信號的愿景成為新的數(shù)字生物標志物，可以提供我們健康的全面圖像，現(xiàn)在比以往任何時候都更加真實，這在很大程度上要歸功于信號處理、機器學習和深度學習算法的進步。由 MATLAB 等工具支持的工作流使醫(yī)療設備的領域專家能夠應用和利用機器學習等數(shù)據科學技術，而無需成為數(shù)據科學方面的專家。

審核編輯：郭婷