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Electrocardiogram Signal Compression Using Deep Convolutional Autoencoder with Constant Error and Flexible Compression Rate - 06/09/24

Doi : 10.1016/j.irbm.2024.100859 
Tahir Bekiryazıvı, Gürkan Aydemir, Hakan Gürkan
 Department of Electrical and Electronics Engineering, Bursa Technical University, 16130, Bursa, Turkiye 

Sous presse. Manuscrit accepté. Disponible en ligne depuis le Friday 06 September 2024
Cet article a été publié dans un numéro de la revue, cliquez ici pour y accéder

Abstract

Objectives

Electrocardiogram (ECG) signals are beneficial for diagnosing cardiac diseases. The cardiac patients' life quality likely increases with continuous or long-period recording and monitoring of ECG signals, leading to a better and early diagnosis of disease and heart attacks. However, continuous ECG recording necessitates high data rates and storage, which means high costs. Therefore, ECG compression is a handy concept that facilitates continuous monitoring of ECG signals. Deep neural networks open up new horizons for compression and also for ECG compression by providing high compression rates and quality. Although they bring constant compression ratios with better average quality, the compression quality of individual samples is not guaranteed, which may lead to misdiagnoses. This study aims to investigate the effect of compression quality on the diagnoses and to develop a deep neural network-based compression strategy that guarantees a quality-bound in return for varying compression ratios.

Materials and methods

The effect of the compression quality on the arrhythmia diagnoses is tested by comparing the performance of the deep learning-based ECG classifier on the original ECG recordings and the distorted recordings using a lossy compression algorithm with different compression error levels. Then, a compression error upper limit is calculated in terms of normalized percent root mean square difference (PRDN) error, which also coincides with the findings of the previous studies in the literature. Lastly, to enable deep learning in ECG compression, a single encoder-multi decoder convolutional autoencoder architecture, and multiple quantization levels are proposed to guarantee a desired upper limit on the error rate.

Results

The efficiency of the proposed method is demonstrated on a popular benchmark data set for ECG compression methods using a transfer learning approach. The PRDN error is fixed to various values, and the average compression rates are reported. An average of   compression is achieved for a 10% PRDN error rate, assessed as a fair quality threshold for reconstruction error. It has also been shown that the compression model has a runtime that can be run in real-time on wearable devices such as commercial smartwatches.

Conclusion

This study proposes a deep learning-based ECG compression algorithm that guarantees a desired upper limit on the compression error. This model may facilitate an eHealth solution for continuous monitoring of ECG signals of individuals, especially cardiac patients.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Graphical abstract

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Highlights

Lossy compression algorithms may lead to misdiagnoses by distorting ECG signals.
The model with an encoder, multi-decoder, and quantization guarantees desired PRDN.
The proposed model offers higher CR than classical ECG methods for up to 10% PRDN.
The proposed model's runtime supports realtime ECG compression on wearable devices.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : ECG signal compression, convolutional autoencoder (CAE), transfer learning, ECG classification


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