劉鳴
隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域高度滲透,“互聯(lián)網(wǎng)+”助力醫(yī)療行業(yè),使得醫(yī)療信息呈幾何倍數(shù)增長,醫(yī)療大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)到來。
大數(shù)據(jù)是指所涉及的信息資料數(shù)量規(guī)模巨大到無法通過現(xiàn)有的軟件工具提取、存儲、搜索、共享、分析和處理的海量的、復(fù)雜的數(shù)據(jù)集合[1]。IBM提出了大數(shù)據(jù)的“4V”特征,即數(shù)量(volume)、多樣性(variety)、速度(velocity)和真實(shí)性(veracity)。
天文學(xué)和基因?qū)W是最早產(chǎn)生大數(shù)據(jù)變革的領(lǐng)域。2003年人類第一次破譯人體基因密碼時,用了10年才完成了30億對堿基對的排序,而在10年之后,世界范圍內(nèi)的基因儀15 min就可以完成同樣的工作量[2]。隨著各種便攜式智能設(shè)備的出現(xiàn)以及物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算、云存儲等技術(shù)的發(fā)展,人和物的所有軌跡都可以被記錄下來,產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)可以被收集起來,形成了大數(shù)據(jù)的海洋。
隨著傳感器及智能設(shè)備等技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)據(jù)格式變得越來越多樣化。在醫(yī)療系統(tǒng),每一位患者從門診就診、專家號選擇、各種檢查檢驗(yàn)結(jié)果、入院、藥物或手術(shù)治療、結(jié)果評估、復(fù)查等產(chǎn)生大量信息,數(shù)據(jù)格式涵蓋了文本、音頻、圖片、視頻、模擬信號等不同的類型。醫(yī)院每天都會有成百上千例患者,所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量更是龐大。
英特爾中國研究院首席工程師吳甘沙認(rèn)為,快速度是大數(shù)據(jù)處理技術(shù)與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)最大的區(qū)別。大數(shù)據(jù)分析是一種以實(shí)時數(shù)據(jù)處理、實(shí)時結(jié)果導(dǎo)向?yàn)樘卣鞯慕鉀Q方案。它的“快”有兩個層面的含義:一是數(shù)據(jù)產(chǎn)生得快;二是數(shù)據(jù)處理得快。
數(shù)據(jù)的重要性就在于對決策的支持。數(shù)據(jù)的真實(shí)性是獲得真知和思路的最重要因素,但即使是最優(yōu)秀的數(shù)據(jù)清理方法,也無法消除某些數(shù)據(jù)固有的不可預(yù)測性。在云計(jì)算出現(xiàn)之前,傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)無法處理數(shù)量如此龐大且不規(guī)則的“非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)”;在以云計(jì)算為代表的技術(shù)創(chuàng)新大幕的襯托下,這些原本很難收集和使用的數(shù)據(jù)開始容易地被利用起來。大數(shù)據(jù)與云計(jì)算是一個問題的兩個方面:一方面是問題,另一方面是解決問題的方法[1]。
所謂數(shù)據(jù)庫就是組織、存儲和管理數(shù)據(jù)的倉庫。隨著信息技術(shù)和市場的發(fā)展,特別是20世紀(jì)90年代以后,數(shù)據(jù)管理不再僅僅是存儲和管理數(shù)據(jù),而轉(zhuǎn)變成用戶所需要的各種數(shù)據(jù)管理的方式。數(shù)據(jù)庫技術(shù)的主要目的是有效地管理和存取大量的數(shù)據(jù)資源,包括:提高數(shù)據(jù)的共享性,使多個用戶能夠同時訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù);減小數(shù)據(jù)的冗余度,以提高數(shù)據(jù)的一致性和完整性;提供數(shù)據(jù)與應(yīng)用程序的獨(dú)立性,從而減少應(yīng)用程序的開發(fā)和維護(hù)代價。
心電數(shù)據(jù)庫是指數(shù)據(jù)庫內(nèi)的心電圖診斷和分類是經(jīng)過臨床資料證實(shí),即數(shù)據(jù)庫的心電圖分類是以臨床證據(jù)作為分類標(biāo)準(zhǔn),或者經(jīng)過權(quán)威的專家小組確認(rèn)(主要指心律失常數(shù)據(jù)庫)。
目前公認(rèn)的可作為標(biāo)準(zhǔn)的心電數(shù)據(jù)庫有三個[3],包括,① 美國麻省理工學(xué)院與Beth Israel醫(yī)院聯(lián)合建立的“MIT-BIH心電數(shù)據(jù)庫”[4]:目前在國際上應(yīng)用最多的數(shù)據(jù)庫,由很多子數(shù)據(jù)庫組成,每個子數(shù)據(jù)庫都包含某個特定類型的心電記錄。應(yīng)用最多的是心律不齊數(shù)據(jù)庫和QT數(shù)據(jù)庫,國內(nèi)外許多心電方面的研究都是基于該數(shù)據(jù)庫的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和各類識別算法的檢測標(biāo)準(zhǔn)。② 美國心臟學(xué)會的“AHA心律失常心電數(shù)據(jù)庫”[5]:主要目的是評價室性心律不齊探測器的檢測效果。③ 歐盟的心電圖通用標(biāo)準(zhǔn)心電數(shù)據(jù)庫[6]:包含1000例短時間的心電記錄,采用12或15導(dǎo)聯(lián),主要目的是用于評價心電圖自動分析儀的性能。其他還有如,④ 歐盟的“ST-T心電數(shù)據(jù)庫”:用于評價ST段和T波檢測算法性能;⑤ 心臟性猝死動態(tài)心電數(shù)據(jù)庫:世界范圍內(nèi)每年40萬人猝死,PhysioNet進(jìn)行心臟性猝死的數(shù)據(jù)庫建設(shè),支持和推動這一重要領(lǐng)域的電生理研究;⑥ PTB心電診斷數(shù)據(jù)庫:德國國家計(jì)量署提供的數(shù)字化心電數(shù)據(jù)庫,目的在于算法標(biāo)準(zhǔn)的研究與教學(xué);⑦ PAF預(yù)測挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)庫:2001年針對自動預(yù)測陣發(fā)性心房顫動(paroxysmal atrial fibrillation, PAF)的開放性競賽,競賽的意義是推動美國在這個重大臨床問題上的探索和創(chuàng)設(shè)友好競爭及廣泛合作的環(huán)境。
首先,心電數(shù)據(jù)庫存儲的一段心電圖條圖要求包含如下數(shù)據(jù):① 用于管理的數(shù)據(jù),如姓名、年齡、出生年月、身份證號(醫(yī)保號碼)等;② 不變的醫(yī)療數(shù)據(jù),如性別、血型、過敏史等;③ 可變的醫(yī)療數(shù)據(jù),如歷次心電圖診斷、相關(guān)臨床診斷等。其次,數(shù)據(jù)的存儲必須符合一定的標(biāo)準(zhǔn)和要求,以方便國內(nèi)外不同中心心電圖研究結(jié)果的交流和對比,如心電圖記錄的時間、性別、出生年月、種族、患者識別碼、與疾病相關(guān)的臨床病理資料、數(shù)字化記錄和保存、心電圖可隨時打印在記錄紙上等。第三,對于圖形記錄,要求采樣頻率不低于500 Hz、頻響范圍在0.05~150 Hz(0.05~250 Hz)[7]、12導(dǎo)聯(lián)同步記錄、記錄時間不少于10 s、具有通信功能(可壓縮傳輸并精準(zhǔn)還原)、低噪聲、無基線漂移等。第四,數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)是動態(tài)的、不斷增加的,要求在多個部位存放,并能按既定規(guī)則和定義提取,或按用戶自定義提取。
心電數(shù)據(jù)庫的建立根據(jù)不同的研究方向,其要求也有所不同。比如:要進(jìn)行心血管疾病流行病學(xué)的研究,首先應(yīng)建立入選樣本的基礎(chǔ)心電圖,并按計(jì)劃定期隨訪采集心電圖進(jìn)入數(shù)據(jù)庫,以便進(jìn)行不同時期心電圖的比較及調(diào)查心電圖變化與臨床資料的關(guān)系;建立正常人心電圖標(biāo)準(zhǔn)值范圍則需要數(shù)據(jù)庫包含足夠大的樣本量,并且要考慮到不同性別和年齡組的樣本分布數(shù),以符合正常值研究的統(tǒng)計(jì)學(xué)要求;用于判斷心電圖診斷及儀器標(biāo)準(zhǔn)的心電數(shù)據(jù)庫還應(yīng)滿足有關(guān)機(jī)構(gòu)制定的標(biāo)準(zhǔn),包括心電圖的數(shù)據(jù)采集、儲存、傳送格式等標(biāo)準(zhǔn);若研究心電圖與臨床疾病的潛在關(guān)系,則心電圖數(shù)據(jù)庫除包括明確的臨床診斷證據(jù)外,還應(yīng)有一定的樣本數(shù),最好還能收集到合并不同疾病或病理狀態(tài)患者的心電圖等。
越來越多的大型醫(yī)院通過構(gòu)建區(qū)域性的心電信息診斷平臺,除了接收本院門診、病房的心電資料外,還接受從社區(qū)、患者家庭等不同地方傳輸過來的心電圖,可以集中診斷,實(shí)現(xiàn)區(qū)域化的心電圖數(shù)字化存儲和信息化共享[8]。此舉一方面可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù),服務(wù)基層,節(jié)省醫(yī)療時間、空間及其他成本;另一方面可以實(shí)現(xiàn)基層醫(yī)院和大醫(yī)院之間的數(shù)據(jù)共享,相應(yīng)的數(shù)據(jù)將納入標(biāo)本庫,為大數(shù)據(jù)科研服務(wù)。
2003年山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院成立了遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)中心,建有幾十個分站,遍布縣鄉(xiāng)級醫(yī)院、社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心和廠礦衛(wèi)生院;2006年武漢亞洲心臟病醫(yī)院開展遠(yuǎn)程心電監(jiān)測工作,并于2009年成立湖北省遠(yuǎn)程心電會診中心,截至2016年年底已和全國近400家基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)合作,輻射15個省市,覆蓋人數(shù)近2000萬。近年來,也相繼有多個地區(qū)成立心電會診中心,如2012年7月由第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院承建的西南地區(qū)遠(yuǎn)程心電會診中心成立,形成了覆蓋西南各省(市)三甲醫(yī)院、區(qū)縣醫(yī)院、社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心、鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)生院和村衛(wèi)生室的多級區(qū)域協(xié)同醫(yī)療服務(wù)網(wǎng)絡(luò),解決了西南地區(qū)和邊遠(yuǎn)鄉(xiāng)村廣大基層群眾心電圖檢查診斷難題,提升了西南地區(qū)心血管疾病診療水平和防治能力;2016年7月,廣東省家庭醫(yī)生遠(yuǎn)程心電監(jiān)測平臺正式啟動,與30余家醫(yī)療機(jī)構(gòu)達(dá)成了合作,預(yù)計(jì)能和200多家醫(yī)療機(jī)構(gòu)達(dá)成合作,覆蓋患者人數(shù)達(dá)800多萬。
在遠(yuǎn)程傳輸和會診的方式下,更多的病例資料可以被集中存儲和管理,不僅包括心電圖,同時傳輸?shù)倪€包括病例信息、基礎(chǔ)疾病甚至就診時間、就診周期和就診地點(diǎn)等。并且,這些數(shù)據(jù)持續(xù)不斷產(chǎn)生、爆發(fā)性增長,形成了大數(shù)據(jù)分析所需要的“海量”。
傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析要求結(jié)果準(zhǔn)確,但是,當(dāng)樣本是全部而不是“隨機(jī)”或“抽樣”時,并非所有的醫(yī)療數(shù)據(jù)都十分理想,數(shù)據(jù)本身會存在很多瑕疵甚至是錯誤。比如,遠(yuǎn)程傳輸?shù)男碾妶D片段就會有各種問題,主要是資料的“不完整”,如心電圖機(jī)自動分析時未逐搏標(biāo)記;自動標(biāo)記測量的心搏不可避免地存在錯漏,而人工糾正時又不能保證所有數(shù)據(jù)為同一人測量,即存在人工測量的個體差異等;上傳到會診中心的病歷資料不完整;由于操作不規(guī)范等原因,原始采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性得不到保證。但是,大數(shù)據(jù)時代的研究數(shù)據(jù)如此之多,我們不必像“小數(shù)據(jù)”時代那樣熱衷于追求精確度。我們要允許“不精確”,不再對一個現(xiàn)象刨根問底,只要掌握大體的發(fā)展方向即可。
心電圖自動分析是迄今為止計(jì)算機(jī)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用最為成功的范例之一,它融合了包括傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、描記技術(shù)以及邏輯判斷技術(shù)(人工智能)等最新的研究成果。心電自動分析軟件利用計(jì)算機(jī)分析并顯示心電圖,測量必要的參數(shù),再根據(jù)臨床標(biāo)準(zhǔn)作出正確的診斷或評價。心電自動分析軟件減少了醫(yī)生的工作量,提高了臨床指標(biāo)分析的精度。
目前國外主要的心電分析程序有Philips的DXL ECG algorithm, GE的Marquette 12SL ECG Analysis Program,Glasgow 12-lead ECG Analysis Program,HES Hannover ECG System,Mortara的VERITAS Algorithm,日本福田的The Advanced ECG Analysis Program(Ver.S2),日本光電的Electro Cardiograph Analysis Program System(ECAPS)12C等[9]。國內(nèi)的心電分析程序有理邦的Smart ECG Measurement and Interpretation Program,科曼的ECG V8.0心電自動分析軟件,邁瑞的運(yùn)用Glasgow算法等。Philips的DXL ECG Algorithm、GE的Marquette 12SL ECG Analysis Program和Glasgow 的12-lead ECG Analysis Program可以稱為目前主流心電分析軟件的“三駕馬車”。
自1980年Marquette 12SL ECG Analysis Program出現(xiàn)以來,GE在計(jì)算機(jī)心電分析方面一直保持著行業(yè)領(lǐng)先地位,該軟件也成為被證實(shí)的臨床“金標(biāo)準(zhǔn)”。在心律失常的節(jié)律診斷、起搏檢測、心率、電軸、各波段的持續(xù)時間及QRS振幅等方面,可實(shí)現(xiàn)有針對性的心電圖跟蹤和回顧,同時也包含多種疾病和各種程度的不正常的ECG數(shù)據(jù)庫檢測。
Philips DXL心電算法依據(jù)最新研究和相關(guān)的指南(如2007 AHA/ACCF/HRS指南Part Ⅱ1, 2009AHA/ACCF/HRS指南Part Ⅵ2)而不斷更新。比如算法中新增的右室導(dǎo)聯(lián)和后壁導(dǎo)聯(lián)提高了右心和后壁心電的分析診斷能力;ST-Maps功能借助視覺進(jìn)行ST段變化的快速評估;STEMI-CA標(biāo)準(zhǔn)能識別可能的犯罪冠脈或可能的引起功能性缺血的解剖位置;設(shè)計(jì)了多種分析起搏器起搏方式的算法,同時保證各導(dǎo)聯(lián)對起搏脈沖的精確檢測;更重要的是,在心電圖報告上顯示了可以提醒臨床醫(yī)師注意的需要緊急處理的臨床事件的關(guān)鍵值(危急值)。
Glasgow 12-lead ECG Analysis Program是被Peter W. Macfarlane教授及其同事不斷研究和改進(jìn)10年的產(chǎn)品。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究成果,提高了房顫報告的準(zhǔn)確性;2000年以后進(jìn)行了一系列改進(jìn),包括房撲的檢測、用年齡和性別來解釋ST段抬高的心肌梗死、程序中加入Sgarbossa標(biāo)準(zhǔn)用以檢測左束支阻滯合并急性心肌梗死的患者等。
截至目前,計(jì)算機(jī)輔助的心電圖自動分析并不能完全取代人工判讀,其原因在于:一,計(jì)算機(jī)判斷的準(zhǔn)確性需要用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來評價;二,計(jì)算機(jī)不具備綜合考慮患者所有臨床情況進(jìn)行系統(tǒng)分析的能力。然而,大數(shù)據(jù)時代的到來有可能改變這種人工干預(yù)的程度,提升計(jì)算機(jī)自動分析的準(zhǔn)確性。
心電圖自動分析的完成是基于系統(tǒng)中已經(jīng)設(shè)定的測量和診斷標(biāo)準(zhǔn),將實(shí)際采集的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對照,只要達(dá)到或符合某一條或幾條標(biāo)準(zhǔn)就給出相應(yīng)的診斷提示。在這種方式下,需要不斷編譯和更新數(shù)據(jù)庫“標(biāo)本”信息,比如Philips DXL算法會依據(jù)指南而不斷更新,需要花費(fèi)巨資。而谷歌則依據(jù)每天處理的30億查詢中輸入搜索框中的錯誤拼寫,用一個巧妙的反饋循環(huán)就可以將用戶實(shí)際想輸入的內(nèi)容告知系統(tǒng),將錯別字作為“相關(guān)詞”進(jìn)行處理,幾乎是用“免費(fèi)”的方式獲得了這種拼寫檢查。這種用戶在線交互的方式,可以使機(jī)器不斷地“從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)”。
2017年兩會中“人工智能”第一次出現(xiàn)在政府工作報告中,關(guān)注人工智能的科技界因此熱血沸騰;世界癌癥日2月4日當(dāng)天,IBM的“Watson醫(yī)生”第一次在中國“出診”,僅用10 s就開出癌癥處方;Science雜志報道了英國諾丁漢大學(xué)流行病學(xué)家Stephen Weng博士團(tuán)隊(duì)發(fā)表在PLoS One上的重要研究成果,他們將機(jī)器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于分析電子病歷的常規(guī)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)與當(dāng)前的心臟病預(yù)測方法相比,深度學(xué)習(xí)算法不僅可以更準(zhǔn)確地預(yù)測心臟病發(fā)病風(fēng)險,還可以降低診斷的假陽性率。
目前應(yīng)用于醫(yī)療的人工智能大多是用來提高醫(yī)生的工作效率,擴(kuò)大工作內(nèi)容的廣度和增加深度。Science雜志2017年刊登了中國第三軍醫(yī)大學(xué)羅陽團(tuán)隊(duì)的最新研究成果[10]:利用人工智能在30 s內(nèi)鑒定血型,準(zhǔn)確率超過99.9%。這對于急需輸血搶救的患者意義重大,可以為患者節(jié)省3~15 min時間,提高他們的生還概率,同時也可用于搶險救災(zāi)、戰(zhàn)場急救等急需驗(yàn)血的情境下。2017年,據(jù)美國食品藥品管理局(FDA)官網(wǎng)顯示,其首次批準(zhǔn)了一款心臟磁共振影像AI分析的軟件Cardio DL。這款軟件將計(jì)算機(jī)深度學(xué)習(xí)用于醫(yī)學(xué)圖像分析,并為傳統(tǒng)的心臟MRI掃描影像數(shù)據(jù)提供自動心室分割的分析,這一步驟與傳統(tǒng)上放射科醫(yī)生需要手動完成的結(jié)果一樣精準(zhǔn)。這款人工智能心臟MRI醫(yī)學(xué)影像分析系統(tǒng)不但得到了FDA510(K)的批準(zhǔn),還得到了歐洲的CE認(rèn)證和批準(zhǔn),這標(biāo)志著該軟件將被允許用于臨床。
人工智能是基于大數(shù)據(jù),而大數(shù)據(jù)的核心就是預(yù)測。國內(nèi)已經(jīng)有不少企業(yè)開始涉足醫(yī)療領(lǐng)域的人工智能應(yīng)用。Standard醫(yī)療“岐伯”人工智能引擎一經(jīng)推出市場便引起關(guān)注?!搬比斯ぶ悄芤嬷饕菍⒆匀徽Z言處理、認(rèn)知技術(shù)、自動推理、機(jī)器學(xué)習(xí)、信息檢索等技術(shù)應(yīng)用于臨床資料(包括醫(yī)學(xué)專著、論文、治療方案、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、臨床報告、醫(yī)學(xué)期刊、教科書等)的深度學(xué)習(xí),在大規(guī)模證據(jù)搜集、分析、評價的人工智能系統(tǒng)中推導(dǎo)出心腦血管疾病輔助診斷、治療、預(yù)防建議。
武漢亞洲心臟病醫(yī)院在2017年4月嘗試應(yīng)用“岐伯”人工智能引擎驗(yàn)證室性早搏起源的自動定位診斷,結(jié)果令人滿意。目前心電圖的自動分析和測量主要針對QRS波形態(tài)正常的心搏,而對于異常室性早搏的QRS波則無相關(guān)自動分析。我們選擇了411例經(jīng)心內(nèi)電生理檢查并成功行射頻消融術(shù)的起源于流出道不同部位的室性早搏病例,根據(jù)指南以及專家建議,對其體表心電圖自動測量分析和計(jì)算相關(guān)參數(shù),包括R波時限、QRS波時限、R波時限指數(shù)、R波波幅、S波波幅、R/S波幅指數(shù)、竇性移行區(qū)指數(shù)、室性移行區(qū)指數(shù)、V2S、V3R、V2S/V3R指數(shù)以及V2過渡比等,并與人工測量結(jié)果進(jìn)行對照。由于原始數(shù)據(jù)為非格式化數(shù)據(jù),主要有jpg和bmp兩種格式,每幅圖的尺寸、像素大小、灰度、噪聲等皆不相同,因此有些病例由于圖像本身或算法適用性的原因未能入組,所以最終得到383組(383/411,約93.19%)共4596個數(shù)據(jù),對絕大多數(shù)的病例可以做到在1 min內(nèi)完成提取和計(jì)算的過程。對每種心電圖參數(shù)的自動測量值與手工測量值(分別去除最大和最小的10組數(shù)據(jù))進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,結(jié)果提示自動測量和人工測量結(jié)果差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
上述預(yù)試驗(yàn)的結(jié)果給予我們極大的信心,它提示我們可以通過大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行分析,提出一種概率預(yù)測模型來簡單地判斷心電圖正?;颊呋疾〉目赡苄砸约靶碾妶D不正常患者康復(fù)(心電圖恢復(fù)正常)的可能性,建立預(yù)測分層體系。
總之,“人工智能+醫(yī)療”不是什么花哨的噱頭,而是實(shí)實(shí)在在的未來。心電圖檢查作為一個在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)自動化分析相對成熟的心血管疾病檢查項(xiàng)目,試水人工智能,從心電信息切入,進(jìn)而全面融合疾病相關(guān)資料,實(shí)現(xiàn)心血管疾病風(fēng)險防控和慢病管理值得我們期待。
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