超越单通道：基于 Vision Transformer 的多通道信号成像 PPG 到 ECG 重建
图像与视频处理
2025-07-24 v2 机器学习
信号处理
摘要
从 PPG 重建 ECG 是一项充满前景但极具挑战的任务。尽管生成模型的近期进展显著提升了 ECG 重建效果，但准确捕捉细粒度波形特征仍是一项关键挑战。为此，我们提出了一种新颖的 PPG 到 ECG 重建方法，利用 Vision Transformer (ViT) 作为核心网络。不同于依赖单通道 PPG 的传统方法，我们的方法采用四通道信号图像表示，包含原始 PPG、其一阶差分、二阶差分以及曲线下面积。这种多通道设计通过保留 PPG 内的时间与生理变化，丰富了特征提取。通过利用 ViT 中的自注意力机制，我们的方法有效捕捉了心拍间与心拍内的依赖关系，从而实现更鲁棒且准确的 ECG 重建。实验结果表明，我们的方法始终优于现有的基于一维卷积的方法，PRD 降低了高达 29%，RMSE 降低了 15%。所提出的方法在其他评估指标上也取得了改进，突显了其在重建 ECG 信号方面的鲁棒性与有效性。此外，为确保临床相关评估，我们引入了新的性能指标，包括 QRS 面积误差、PR 间期误差、RT 间期误差以及 RT 振幅差误差。我们的研究结果表明，将四通道信号图像表示与 ViT 的自注意力机制相结合，能够更有效地提取信息丰富的 PPG 特征，并改进 PPG 到 ECG 映射的心拍间变异建模。除了证明 PPG 作为心脏活动监测可行替代方案的潜力外，我们的方法还为周期信号分析与预测开辟了新途径。
引用
@article{arxiv.2505.21767,
title = {Beyond Single-Channel: Multichannel Signal Imaging for PPG-to-ECG Reconstruction with Vision Transformers},
author = {Xiaoyan Li and Shixin Xu and Faisal Habib and Arvind Gupta and Huaxiong Huang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2505.21767},
year = {2025}
}