新規対照損失関数とマルチモーダル学習を用いた小児不整脈分類における少サンプル学習の進歩
なぜ重要か: 企業や社会への影響が見込まれ、一般メディアにも波及する可能性があります。
arXiv:2509.19315v1発表形式:クロス
要約:小児不整脈は障害および突然死の主要な危険因子であるが、クラス不均衡、少標本カテゴリ、複雑な信号特性により、その自動分類は依然として困難であり、早期スクリーニングと臨床介入の効率性と信頼性を著しく制限している。この問題に対処するため、ECGとIEGMのためのデュアルブランチ畳み込みエンコーダ、クロスモーダル特徴アラインメントのためのセマンティックアテンション、グローバル依存性モデリングのための軽量Transformerエンコーダを組み合わせたマルチモーダルエンドツーエンド深層学習フレームワークを提案する。さらに、クラスプロトタイプとグローバル類似度行列を通じてクラス内コンパクト性とクラス間分離性を高めるAdaptive Global Class-Aware Contrastive Loss (AGCACL)と呼ばれる新しいコントラスティブ損失関数を導入する。本研究は、ライプツィヒ心臓センター小児/先天性ECG+IEGMデータセットに基づく初めての体系的な研究であり、完全かつ再現可能な前処理パイプラインも提供する。実験結果によると、提案手法は、このデータセットにおいて全体として最高の性能を達成し、Top-1精度97.76%、マクロ精度94.08%、マクロ再現率91.97%、マクロF1スコア92.97%、マクロF2スコア92.36%となり、最強のベースラインと比較してマクロ精度/再現率/F1スコア/F2スコアでそれぞれ+13.64、+15.96、+19.82、+19.44パーセンテージポイントの改善を示した。これらの知見は、本フレームワークが少数不整脈クラスの検出可能性と堅牢性を大幅に向上させ、小児および先天性心疾患集団におけるリズムスクリーニング、術前評価、術後フォローアップに臨床的な価値を提供することを示している。
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Title (EN): Advancing Few-Shot Pediatric Arrhythmia Classification with a Novel Contrastive Loss and Multimodal Learning
arXiv:2509.19315v1 Announce Type: cross
Abstract: Pediatric arrhythmias are a major risk factor for disability and sudden cardiac death, yet their automated classification remains challenging due to class imbalance, few-shot categories, and complex signal characteristics, which severely limit the efficiency and reliability of early screening and clinical intervention. To address this problem, we propose a multimodal end-to-end deep learning framework that combines dual-branch convolutional encoders for ECG and IEGM, semantic attention for cross-modal feature alignment, and a lightweight Transformer encoder for global dependency modeling. In addition, we introduce a new contrastive loss fucntion named Adaptive Global Class-Aware Contrastive Loss (AGCACL) to enhance intra-class compactness and inter-class separability through class prototypes and a global similarity matrix. To the best of our knowledge, this is the first systematic study based on the Leipzig Heart Center pediatric/congenital ECG+IEGM dataset, for which we also provide a complete and reproducible preprocessing pipeline. Experimental results demonstrate that the proposed method achieves the overall best performance on this dataset, including 97.76\% Top-1 Accuracy, 94.08\% Macro Precision, 91.97\% Macro Recall, 92.97\% Macro F1, and 92.36\% Macro F2, with improvements of +13.64, +15.96, +19.82, and +19.44 percentage points over the strongest baseline in Macro Precision/Recall/F1/F2, respectively. These findings indicate that the framework significantly improves the detectability and robustness for minority arrhythmia classes, offering potential clinical value for rhythm screening, pre-procedural assessment, and postoperative follow-up in pediatric and congenital heart disease populations.
Published: 2025-09-24 19:00 UTC