Knowledge-informed Deep Learning for Apnea Detection with Limited Annotations

用于具有有限注释的呼吸暂停检测的知识型深度学习

基本信息

  • 批准号:
    10509437
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 16.05万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-09-01 至 2025-06-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

PROJECT SUMMARY Sleep apnea is a common chronic respiratory disease characterized by breathing difficulties during sleep. Prevalent clinical practice to diagnose sleep apnea requires manual identification of apnea occurrences, which is expensive and time-consuming. Recently, machine learning has attracted much attention to diagnose apnea based on physiological signals collected via wearable devices. However, most existing studies rely on strongly supervised learning for the detection, and fine-grained annotations are required to achieve a high level of granularity. In practice, it is usually expensive and time-consuming to acquire a large dataset with temporally fine-grained annotations (i.e., detecting apnea within short time epochs). Consequently, the limited availability of fine-grained annotations hinders the wide implementation of machine learning and limits its granularity. The ultimate goal of this research is to create a weakly-supervised machine learning framework that incorporates annotations of different granularity levels and clinical domain knowledge for healthcare data analytics. In particular, this study focuses on deep learning because it has shown superior performance and great potential in aiding the analysis of clinical data. The technical objective of the proposed study is to create new deep learning models that incorporate coarse-grained annotations and clinical knowledge for detecting apnea at a high level of granularity based on multiple physiological signals. The specific aims of this proposal are as follows. Aim 1. Systematically identify and quantify the apnea-related patterns in physiological signals. The proposed study will numerically explore the physiological signals to elucidate the patterns related to apnea and other sleep disorders based on feature engineering and statistical learning techniques. Aim 2. Incorporate coarse-grained annotations and clinical knowledge into deep learning models for apnea detection. We will establish new deep learning models to integrate incomplete fine-grained annotations, coarse-grained annotations, and clinical knowledge for apnea detection. Aim 3. Develop an algorithm to adaptively acquire annotations for performance improvement. To further improve the performance of the deep learning model, we will develop an adaptive algorithm to determine whether and where to acquire more annotations from physicians and the level of granularity. The proposed study will address the challenge of generating fine-grained predictions given incomplete or no fine-grained annotations in computer-aided apnea detection. The proposed model will be an advancement to robust and interpretable deep learning that incorporates coarse-grained annotations and domain knowledge. The expected results of study will provide important insights in addressing similar challenges in other biomedical applications, enabling novel real-world solutions such as clinical decision-making support systems, in-home apnea monitoring, and mobile health.
项目摘要 睡眠呼吸暂停是一种常见的慢性呼吸道疾病,其特征是睡眠期间呼吸困难。 诊断睡眠呼吸暂停的普遍临床实践需要手动识别呼吸暂停事件,这 是昂贵且耗时的。最近,机器学习吸引了人们对诊断呼吸暂停的关注 基于通过可穿戴设备收集的生理信号。但是,大多数现有的研究强烈依赖 需要进行检测的监督学习,并需要细颗粒的注释才能获得高水平 粒度。实际上,以时间上获取一个大数据集通常是昂贵且耗时的 细粒注释(即,在短时间内检测呼吸暂停)。因此,有限的可用性 细粒度的注释阻碍了机器学习的广泛实施,并限制了其颗粒状。 这项研究的最终目的是创建一个弱监督的机器学习框架,该框架结合了 医疗数据分析的不同粒度水平和临床领域知识的注释。在 特别是,这项研究重点是深度学习,因为它表现出卓越的表现和巨大的潜力 在协助临床数据的分析中。拟议的研究的技术目标是创建新的深度学习 结合了粗粒注释和临床知识的模型,以检测高水平的呼吸暂停 基于多个生理信号的粒度。该提案的具体目的如下。 目标1。系统地识别并量化生理信号中与呼吸暂停相关的模式。这 拟议的研究将在数值上探索生理信号,以阐明与呼吸暂停有关的模式 以及基于功能工程和统计学习技术的其他睡眠障碍。 目标2。将粗粒的注释和临床知识纳入深度学习模型 呼吸暂停检测。我们将建立新的深度学习模型,以整合不完整的细粒度 呼吸暂停检测的注释,粗粒注释和临床知识。 目标3。开发一种算法以适应性地获取注释以提高性能。到 进一步提高了深度学习模型的性能,我们将开发一种自适应算法 确定是否以及在何处获取从医生和颗粒状水平中获取更多注释。 拟议的研究将解决在不完整或没有的情况下产生细粒预测的挑战 计算机辅助呼吸暂停检测中的细粒注释。拟议的模型将是 强大而可解释的深度学习,结合了粗粒注释和领域知识。 预期的研究结果将为解决其他生物医学的类似挑战提供重要的见解 应用程序,实现新颖的现实解决方案,例如临床决策支持系统,在家中 呼吸暂停监测和移动健康。

项目成果

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