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Enregistrement W4408169553 · doi:10.1101/2025.03.02.25322575

Foundation models for generalizable electrocardiogram interpretation: comparison of supervised and self-supervised electrocardiogram foundation models

2025· preprint· en· W4408169553 sur OpenAlexafffund
Alexis Nolin-Lapalme, A. Sowa, Jacques Delfrate, Olivier Tastet, Denis Corbin, Merve Kulbay, Derman Ozdemir, François-Christophe Marois-Blanchet, François Harvey, Surbhi Sharma, Minhaj Ansari, I-Min Chiu, Valentina Dsouza, Sam Friedman, Michaël Chassé, Brian J. Potter, Jonathan Afilalo, Pierre Elias, Gilbert Jabbour, Mourad Bahani, Marie‐Pierre Dubé, Patrick M. Boyle, Neal A. Chatterjee, Joshua Barrios, Geoffrey H. Tison, David Ouyang, Mahnaz Maddah, Shaan Khurshid, Julia Cadrin‐Tourigny, Rafik Tadros, Julie Hussin, Robert Avram

Notice bibliographique

RevuemedRxiv · 2025
Typepreprint
Langueen
DomaineMedicine
ThématiqueECG Monitoring and Analysis
Établissements canadiensJewish General HospitalMcGill UniversityCentre Hospitalier de l’Université de MontréalUniversité de MontréalMila - Quebec Artificial Intelligence InstituteMontreal Heart Institute
Organismes subventionnairesFonds de Recherche du Québec - SantéCanadian Institutes of Health ResearchNational Institutes of HealthInstitut de Valorisation des DonnéesCanadian Institute for Advanced ResearchAmerican Heart Association
Mots-clésFoundation (evidence)Interpretation (philosophy)Artificial intelligenceComputer scienceMachine learningGeography

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Abstract Background The 12-lead electrocardiogram (ECG) remains a cornerstone of cardiac diagnostics, yet existing artificial intelligence (AI) solutions for automated interpretation often lack generalizability, remain closed-source, and are primarily trained using supervised learning, limiting their adaptability across diverse clinical settings. To address these challenges, we developed and compared two open-source foundational ECG models: DeepECG-SSL, a self-supervised learning model, and DeepECG-SL, a supervised learning model. Methods Both models were trained on over 1 million ECGs using a standardized preprocessing pipeline and automated free-text extraction from ECG reports to predict 77 cardiac conditions. DeepECG-SSL was pretrained using self-supervised contrastive learning and masked lead modeling. The models were evaluated on six multilingual private healthcare systems and four public datasets for ECG interpretation across 77 diagnostic categories. Fairness analyses assessed disparities in performance across age and sex groups, while also investigating fairness and resource utilization. Results DeepECG-SSL achieved AUROCs of 0.990 (95%CI 0.990, 0.990) on internal dataset, 0.981 (95%CI 0.981, 0.981) on external public datasets, and 0.983 (95%CI 0.983, 0.983) on external private datasets, while DeepECG-SL demonstrated AUROCs of 0.992 (95%CI 0.992, 0.992), 0.980 (95%CI 0.980, 0.980) and 0.983 (95%CI 0.983, 0.983) respectively. Fairness analyses revealed minimal disparities (true positive rate & false positive rate difference<0.010) across age and sex groups. Digital biomarker prediction (Long QT syndrome (LQTS) classification, 5-year atrial fibrillation prediction and left ventricular ejection fraction (LVEF) classification) with limited labeled data, DeepECG-SSL outperformed DeepECG-SL in predicting 5-year atrial fibrillation risk (N=132,050; AUROC 0.742 vs. 0.720; Δ=0.022; P<0.001), identifying reduced LVEF ≤40% (N=25,252; 0.928 vs. 0.900; Δ=0.028; P<0.001), and classifying LQTS syndrome subtypes (N=127; 0.931 vs. 0.853; Δ=0.078; P=0.026). Conclusion By releasing model weights, preprocessing tools, and validation code, we aim to support robust, data-efficient AI diagnostics across diverse clinical environments. This study establishes self-supervised learning as a promising paradigm for ECG analysis, particularly in settings with limited annotated data, enhancing accessibility, generalizability, and fairness in AI-driven cardiac diagnostics. Key Question Can self-supervised (SSL) learning yield ECG-based AI foundational models with enhanced performance, fairness, privacy, and generalizability compared to traditional supervised learning (SL) approaches? Key Finding Our evaluation of DeepECG-SL and DeepECG-SSL across seven external health center datasets and four international publicly accessible datasets demonstrated that while both models achieve comparable diagnostic accuracy for ECG interpretation, SSL outperforms SL on novel tasks with smaller datasets. Take-home Message We validated DeepECG-SL and DeepECG-SSL across public and private datasets and demonstrated that SSL model had a superior generalizability by addressing fairness, privacy, and efficiency, and open sourcing our models, we advance ethical, adaptable AI for equitable, real-world ECG diagnostics. Abstract Figure Graphical abstract: DeepECG-SL and DeepECG-SSL, two open-source AI models for 12-lead ECG interpretation, were trained on over 1 million ECGs. DeepECG-SSL, utilizing self-supervised contrastive learning and masked lead modeling, outperformed DeepECG-SL in utilizing digital biomarkers to predict atrial fibrillation risk, reduced LVEF, and long QT syndrome subtypes, while both models achieved high diagnostic accuracy with minimal fairness disparities across age and sex. Validated on ten external datasets, our work provides a robust, reproducible framework for equitable, efficient ECG-based cardiac diagnostics.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction distillée sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,000
Version: codex-gemma-dda1882f352aStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesMéta-épidémiologie (sens strict)
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,680
Score d'incertitude au seuil1,000

Scores Codex et Gemma par catégorie

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens large)0,0020,001
Bibliométrie0,0010,001
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0000,000
Science ouverte0,0000,000
Intégrité de la recherche0,0000,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0000,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,037
Tête enseignante GPT0,324
Écart entre enseignants0,287 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.

Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations6
Publié2025
Routes d'admission2
Résumé présentoui

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