Learning Biosignals with Deep Learning

The healthcare system, which is ubiquitously recognized as one of the most influential system in society, is facing new challenges since the start of the decade.The myriad of physiological data generated by individuals, namely in the healthcare system, is generating a burden on physicians, losing effectiveness on the collection of patient data. Information systems and, in particular, novel deep learning (DL) algorithms have been prompting a way to take this problem. This thesis has the aim to have an impact in biosignal research and industry by presenting DL solutions that could empower this field. For this purpose an extensive study of how to incorporate and implement Convolutional Neural Networks (CNN), Recursive Neural Networks (RNN) and Fully Connected Networks in biosignal studies is discussed. Different architecture configurations were explored for signal processing and decision making and were implemented in three different scenarios: (1) Biosignal learning and synthesis; (2) Electrocardiogram (ECG) biometric systems, and; (3) Electrocardiogram (ECG) anomaly detection systems. In (1) a RNN-based architecture was able to replicate autonomously three types of biosignals with a high degree of confidence. As for (2) three CNN-based architectures, and a RNN-based architecture (same used in (1)) were used for both biometric identification, reaching values above 90% for electrode-base datasets (Fantasia, ECG-ID and MIT-BIH) and 75% for off-person dataset (CYBHi), and biometric authentication, achieving Equal Error Rates (EER) of near 0% for Fantasia and MIT-BIH and bellow 4% for CYBHi. As for (3) the abstraction of healthy clean the ECG signal and detection of its deviation was made and tested in two different scenarios: presence of noise using autoencoder and fully-connected network (reaching 99% accuracy for binary classification and 71% for multi-class), and; arrhythmia events by including a RNN to the previous architecture (57% accuracy and 61% sensitivity). In sum, these systems are shown to be capable of producing novel results. The incorporation of several AI systems into one could provide to be the next generation of preventive medicine, as the machines have access to different physiological and anatomical states, it could produce more informed solutions for the issues that one may face in the future increasing the performance of autonomous preventing systems that could be used in every-day life in remote places where the access to medicine is limited. These systems will also help the study of the signal behaviour and how they are made in real life context as explainable AI could trigger this perception and link the inner states of a network with the biological traits. O sistema de saúde, que é ubiquamente reconhecido como um dos sistemas mais influentes da sociedade, enfrenta novos desafios desde o ínicio da década. A miríade de dados fisiológicos gerados por indíviduos, nomeadamente no sistema de saúde, está a gerar um fardo para os médicos, perdendo a eficiência no conjunto dos dados do paciente. Os sistemas de informação e, mais espcificamente, da inovação de algoritmos de aprendizagem profunda (DL) têm sido usados na procura de uma solução para este problema. Esta tese tem o objetivo de ter um impacto na pesquisa e na indústria de biosinais, apresentando soluções de DL que poderiam melhorar esta área de investigação. Para esse fim, é discutido um extenso estudo de como incorporar e implementar redes neurais convolucionais (CNN), redes neurais recursivas (RNN) e redes totalmente conectadas para o estudo de biosinais. Diferentes arquiteturas foram exploradas para processamento e tomada de decisão de sinais e foram implementadas em três cenários diferentes: (1) Aprendizagem e síntese de biosinais; (2) sistemas biométricos com o uso de eletrocardiograma (ECG), e; (3) Sistema de detecção de anomalias no ECG. Em (1) uma arquitetura baseada na RNN foi capaz de replicar autonomamente três tipos de sinais biológicos com um alto grau de confiança. Quanto a (2) três arquiteturas baseadas em CNN e uma arquitetura baseada em RNN (a mesma usada em (1)) foram usadas para ambas as identificações, atingindo valores acima de 90 % para conjuntos de dados à base de eletrodos (Fantasia, ECG-ID e MIT -BIH) e 75 % para o conjunto de dados fora da pessoa (CYBHi) e autenticação, atingindo taxas de erro iguais (EER) de quase 0 % para Fantasia e MIT-BIH e abaixo de 4 % para CYBHi. Quanto a (3) a abstração de sinais limpos e assimptomáticos de ECG e a detecção do seu desvio foram feitas e testadas em dois cenários diferentes: na presença de ruído usando um autocodificador e uma rede totalmente conectada (atingindo 99 % de precisão na classificação binária e 71 % na multi-classe), e; eventos de arritmia incluindo um RNN na arquitetura anterior (57 % de precisão e 61 % de sensibilidade). Em suma, esses sistemas são mais uma vez demonstrados como capazes de produzir resultados inovadores. A incorporação de vários sistemas de inteligência artificial em um unico sistema pederá desencadear a próxima geração de medicina preventiva. Os algoritmos ao terem acesso a diferentes estados fisiológicos e anatómicos, podem produzir soluções mais informadas para os problemas que se possam enfrentar no futuro, aumentando o desempenho de sistemas autónomos de prevenção que poderiam ser usados na vida quotidiana, nomeadamente em locais remotos onde o acesso à medicinas é limitado. Estes sistemas também ajudarão o estudo do comportamento do sinal e como eles são feitos no contexto da vida real, pois a IA explicável pode desencadear essa percepção e vincular os estados internos de uma rede às características biológicas.