撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

全世界每年有近 1800 萬(wàn)人死于心血管疾病，占全球死亡總數(shù)的 32%。這一驚人數(shù)字背后，是實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的迫切需求。然而，傳統(tǒng)心血管信號(hào)監(jiān)測(cè)面臨一個(gè)核心矛盾：信號(hào)質(zhì)量與患者舒適度難以兼得。

心血管信號(hào)，例如光電容積脈搏波（PPG）、心電圖（ECG），還有血壓（BP），本質(zhì)上相互關(guān)聯(lián)且互補(bǔ)，共同反映心血管系統(tǒng)的健康狀況。然而，每種技術(shù)都有其局限性，可穿戴設(shè)備方便但信號(hào)易受干擾，醫(yī)療級(jí)設(shè)備精確卻難以持續(xù)使用。這導(dǎo)致了這些心血管信號(hào)在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的聯(lián)合應(yīng)用受到嚴(yán)重限制。

2025 年 12 月 29 日，清華大學(xué)朱軍、王立元等，在 Nature 子刊Nature Machine Intelligence上發(fā)表了題為：Versatile cardiovascular signal generation with a unified diffusion transformer 的研究論文。

該研究開(kāi)發(fā)了一種多模態(tài) diffusion transformer 模型——UniCardio，能夠根據(jù)已有的心血管信號(hào)“補(bǔ)全”缺失或質(zhì)量較差的信號(hào)，其生成的信號(hào)在檢測(cè)異常健康狀況和生命體征評(píng)估方面與真實(shí)信號(hào)性能相當(dāng)，同時(shí)確保了對(duì)人類專家的可解釋性。這些優(yōu)勢(shì)使 UniCardio 成為推動(dòng)人工智能輔助醫(yī)療發(fā)展的實(shí)用且穩(wěn)健的框架。

困境：為什么我們需要“AI 補(bǔ)全”技術(shù)？

心血管信號(hào)本質(zhì)上是相互關(guān)聯(lián)且互補(bǔ)的，共同反映了心血管系統(tǒng)的健康狀況。但在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，我們很少能獲得完整、高質(zhì)量的多模態(tài)信號(hào)。

可穿戴設(shè)備的信號(hào)容易受到運(yùn)動(dòng)偽影、電源線干擾和肌肉收縮的影響；臨床監(jiān)測(cè)則因設(shè)備昂貴、患者不適而難以長(zhǎng)期持續(xù)。即使獲得了信號(hào)，噪聲和中斷也使人類專家和自動(dòng)化算法難以準(zhǔn)確解讀。

傳統(tǒng)方法試圖通過(guò)任務(wù)特定的模型解決個(gè)別問(wèn)題，如去噪、重建間歇信號(hào)或特定信號(hào)轉(zhuǎn)換。但這些方法未能充分利用不同信號(hào)間的互補(bǔ)信息，效果有限。

突破：UniCardio 如何實(shí)現(xiàn)信號(hào)“補(bǔ)全”？

UniCardio的核心創(chuàng)新在于將多種心血管信號(hào)的生成任務(wù)統(tǒng)一到一個(gè)框架中。這就像是訓(xùn)練一位精通多國(guó)語(yǔ)言的翻譯，不僅能逐字翻譯，還能根據(jù)上下文理解并補(bǔ)全缺失的信息。

統(tǒng)一生成框架：研究團(tuán)隊(duì)采用了先進(jìn)的條件擴(kuò)散模型，通過(guò)兩個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)信號(hào)生成：前向過(guò)程逐漸向數(shù)據(jù)添加噪聲，將其轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的高斯分布；反向過(guò)程則學(xué)習(xí)在條件信息的引導(dǎo)下迭代重建所需信號(hào)。

這種方法的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，不同信號(hào)模態(tài)都可以從同一噪聲分布中重建，使得多種心血管信號(hào)的恢復(fù)和轉(zhuǎn)換能夠在共享框架內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

專用模型架構(gòu)：UniCardio 的模型結(jié)構(gòu)精心設(shè)計(jì)了模態(tài)特定編碼器、定制 transformer 模塊和模態(tài)特定解碼器。

模態(tài)特定編碼器使用多尺度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提取不同時(shí)間尺度上的特征表示；定制 transformer 模塊則通過(guò)任務(wù)特定的注意力掩碼，精確控制不同模態(tài)間的信息流動(dòng)，確保生成任務(wù)只關(guān)注相關(guān)的條件信息。

持續(xù)學(xué)習(xí)范式：面對(duì)多種信號(hào)模態(tài)組合帶來(lái)的巨大任務(wù)空間，研究團(tuán)隊(duì)提出了創(chuàng)新的持續(xù)學(xué)習(xí)范式，分階段訓(xùn)練模型學(xué)習(xí)不同數(shù)量條件模態(tài)下的生成任務(wù)。

通過(guò)結(jié)合學(xué)習(xí)率調(diào)度、訓(xùn)練批次組合和任務(wù)特定注意力掩碼等策略，有效克服了持續(xù)學(xué)習(xí)中的“災(zāi)難性遺忘”問(wèn)題，使模型能夠逐步整合新模態(tài)，適應(yīng)日益復(fù)雜的關(guān)系。

性能：生成信號(hào)的質(zhì)量如何？

研究團(tuán)隊(duì)在包含 339 小時(shí)的三模態(tài)記錄的數(shù)據(jù)集上預(yù)訓(xùn)練 UniCardio，并在一系列生成任務(wù)上評(píng)估其性能。

全面超越專業(yè)模型：在去噪、插補(bǔ)和轉(zhuǎn)換任務(wù)中，UniCardio 明顯優(yōu)于最近的任務(wù)特定基線模型。生成的信號(hào)在波形形態(tài)、頻譜特征和臨床可解釋性方面均表現(xiàn)出色。

特別是在 PPG 插補(bǔ)、ECG 插補(bǔ)、PPG 到 ECG 轉(zhuǎn)換和 PPG 到 BP 轉(zhuǎn)換等具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)上，UniCardio 不僅超越了專門為這些任務(wù)設(shè)計(jì)的模型，而且在使用更多條件模態(tài)時(shí)，性能還能進(jìn)一步提升。

參數(shù)效率高：UniCardio 的所有任務(wù)僅需相對(duì)較少的參數(shù)即可完成，每種模態(tài)只需添加約 0.3M 參數(shù)的編碼器和解碼器，使其非常適合在可穿戴設(shè)備上部署。相比之下，使用任務(wù)特定方法實(shí)現(xiàn)這些功能需要組合多個(gè)專用模型，參數(shù)開(kāi)銷會(huì)增加數(shù)十倍。

實(shí)踐：生成信號(hào)真的可用于醫(yī)療診斷嗎？

一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是：AI 生成的信號(hào)是否足夠可靠，可以用于實(shí)際的健康監(jiān)測(cè)和醫(yī)療診斷？研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多個(gè)真實(shí)場(chǎng)景給出了肯定答案。

異常健康狀況檢測(cè)：在 PTB-XL 數(shù)據(jù)集上，團(tuán)隊(duì)評(píng)估了 UniCardio 在檢測(cè) ST 改變和肥厚性心肌病等異常狀況方面的能力。結(jié)果顯示，去噪后的信號(hào)在準(zhǔn)確度、靈敏度和特異性方面均達(dá)到與真實(shí)信號(hào)相當(dāng)?shù)乃?。特別是在房顫（AF）檢測(cè)任務(wù)中，UniCardio 能夠從可穿戴 PPG 信號(hào)生成高質(zhì)量的 ECG 信號(hào)，并插補(bǔ)間歇性 ECG 信號(hào)以恢復(fù)缺失段，顯著提升了房顫?rùn)z測(cè)的準(zhǔn)確性。

生命體征評(píng)估：在心率評(píng)估和血壓評(píng)估任務(wù)中，生成信號(hào)同樣表現(xiàn)出色。通過(guò)從 PPG 信號(hào)生成 ECG 信號(hào)，UniCardio 顯著降低了心率估計(jì)的平均絕對(duì)誤差；在血壓估計(jì)方面，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)基線模型的明顯改進(jìn)。

臨床可解釋性：更重要的是，生成的信號(hào)顯示出典型的異常診斷特征，如心房早搏的早期 P 波和代償間期，心房顫動(dòng)的顫動(dòng)波等。這些特征經(jīng)過(guò)臨床醫(yī)生評(píng)估驗(yàn)證，確保了生成信號(hào)的臨床有效性和可解釋性。

擴(kuò)散過(guò)程產(chǎn)生的逐步中間結(jié)果還允許專家分析信號(hào)在整個(gè)生成過(guò)程中的演變，進(jìn)一步增強(qiáng)了可解釋性。

未來(lái)：AI 生成信號(hào)將如何改變醫(yī)療監(jiān)測(cè)？

UniCardio 的出現(xiàn)標(biāo)志著心血管信號(hào)處理范式的轉(zhuǎn)變。它不僅僅是單個(gè)任務(wù)的改進(jìn)，而是為多模態(tài)生理信號(hào)生成提供了一個(gè)通用、可擴(kuò)展的基礎(chǔ)框架——

個(gè)性化健康監(jiān)測(cè)：對(duì)于日常健康監(jiān)測(cè)，UniCardio 能夠通過(guò)自適應(yīng)信號(hào)恢復(fù)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)采集，特別是對(duì)易受噪聲和中斷影響的可穿戴信號(hào)。同時(shí)，某些無(wú)法通過(guò)可穿戴傳感器獲取的心血管信號(hào)，也可以由 UniCardio 合成，提供更全面的健康評(píng)估。

重癥患者監(jiān)護(hù)：對(duì)于重癥患者，涉及非可穿戴和侵入性程序的長(zhǎng)期臨床監(jiān)測(cè)會(huì)導(dǎo)致顯著不適。在這種情況下，模態(tài)轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)警報(bào)提供了有效替代方案，提示必要的臨床檢查。

更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景：除了心血管健康，UniCardio 還有望應(yīng)用于心理和認(rèn)知科學(xué)研究，其中生理信號(hào)廣泛用于評(píng)估壓力、認(rèn)知負(fù)荷和情緒識(shí)別。在這些非危重護(hù)理場(chǎng)景中，可穿戴設(shè)備是主要記錄工具，但通常會(huì)產(chǎn)生比控制良好的 ICU 環(huán)境更多中斷的記錄。

UniCardio 代表了多模態(tài)生理信號(hào)生成的重要進(jìn)展，通過(guò)統(tǒng)一框架解決了心血管信號(hào)處理中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。其生成信號(hào)在多個(gè)下游任務(wù)中表現(xiàn)出色，參數(shù)效率高，推理速度快，非常適合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和驗(yàn)證，這類 AI 生成信號(hào)技術(shù)將不僅改善現(xiàn)有健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，還將開(kāi)啟個(gè)性化醫(yī)療和遠(yuǎn)程患者監(jiān)測(cè)的新時(shí)代，讓高質(zhì)量醫(yī)療保健服務(wù)更加普惠、高效。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s42256-025-01147-y