女性實際碳酸氫根參考值與地理環境的人工神經網絡

曹曉儀，葛 淼，林天應，付成程

(1.陜西師范大學旅游與環境學院地理系，陜西 西安 710062；2.陜西師范大學食品工程與營養科學學院食品科學系，陜西 西安 710062)

實際碳酸氫根(actual bicarbonate，AB)是指隔絕空氣的血液標本，在實際動脈血二氧化碳分壓(PaCO2)、實際體溫和血氧飽和度條件下測得的血漿HCO3-濃度，單位為mmol·L-1[1]，是臨床上血氣分析中用于判斷人體內代謝性酸堿失衡的一項重要指標。目前，國內外缺乏成年女性實際碳酸氫根參考值的統一標準，嚴重影響了臨床診斷的準確性。為制定中國成年女性實際碳酸氫根參考值的統一標準提供科學依據，很多學者[1-7]測定了本地區的健康女性實際碳酸氫根參考值，但有關成年女性的實際碳酸氫根參考值與地理環境之間關系的人工神經網絡(artificial neural networks，ANNs)研究，國內外未見報道。本研究利用ANNs的方法研究中國女性實際碳酸氫根參考值與地理環境的關系，并利用空間插值的方法繪制出中國女性實際碳酸氫根參考值分布圖，旨在為制定女性實際碳酸氫根參考標準和臨床診斷提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 女性實際碳酸氫根參考值通過檢索中國期刊網、萬方數據資源系統、維普資訊網、超星數字圖書館等相關網絡數據庫，查閱相關高校圖書館館藏部分期刊和相關書籍，獲取了253個相關醫院、高校以及醫學科研單位測定的8 138例18～60歲中國成年健康女性實際碳酸氫根參考值。測定地點分布在湖南長沙，陜西西安，山東青島，山西太原，云南昆明，江蘇江陰、南通，遼寧沈陽，廣西梧州、南寧和貴州貴陽等地區。

1.2 地理指標地理指標主要選取海拔高度(X1)、年日照時數(X2)、年平均氣溫(X3)、年平均相對濕度(X4)、年降水量(X5)、氣溫年較差(X6)6項指標，均來源于國家測繪局數據中心提供的共享資料及有關地理著作和詞典[8-9]。

1.3 相關分析依據相關分析的原理和方法，利用SPSS 17.0統計軟件[10]對女性實際碳酸氫根參考值與X1、X2、X3、X4、X5及X66項地理指標做相關分析，得到相關系數(r)值和可信度P值。

1.4 ANNs的構建ANNs通過輸入層、隱含層和輸出層，依靠系統的復雜程度，調整內部大量節點之間相互連接的關系，從而達到處理信息，研究變量間的非線性關系的目的，在預測功能上要優于傳統的統計分析的方法。本研究選用5層逆向傳播(back propagation,BP)神經網絡模型進行模擬，步驟分訓練和應用兩部分，前者從訓練數據中獲取神經網絡中的各項權重參數，建立模型；后者運用訓練模型，對新輸入的數據進行模擬預測，計算軟件為MATLAB。過程為：將6項地理指標(X1、X2、X3、X4、X5、X6)作為輸入層的6個神經元。隱含層共3層，每層設置12個神經元，為Y1,1、Y2,1、Y3,1、…Y3,12。輸出層有1個神經元Y，為女性實際碳酸氫根參考值。其中輸入層的6個神經元至隱含層第一層logsig函數激活，其他隱含層和輸出層用pureline函數激活。

輸入層接收到輸入的信號 (X1、X2、X3、X4、X5、X6) 后，將其輸出到第一隱含層。第一隱含層第j個神經元所接受到的信號為:

(1)

式中，netj(Xi) 為第一隱含層第j個神經元接受到的信號，Xi為輸入，ωi,j為輸入層第i個神經元和第一隱含層第j個神經元之間的連接權重。logsig(Xi)為logsig函數，具體如下：

(2)

第二隱含層與第一隱含層，第三隱含層與第二隱含層，輸出層與第三隱含層通過線性函數激活，各層接收到的信號如下：

(3)

式中，netj(Ki) 為第j層隱含層 (j= 2,3)和輸出層(j= 4)接受到的信號，ωi,j為各層神經元和前一層神經元之間的連接權重，netj-1(Ki)為前一層第Ki個神經元的輸入。

1.5 模擬值與實測值t檢驗為檢測BP神經網絡模擬值與實測值之間的差異有無統計學意義，本研究運用SPSS 17.0統計軟件對模擬值與實測值進行成對樣本t檢驗。

1.6 女性實際碳酸氫根參考值分布圖空間插值是通過已知點的數據推求同一區域其他未知點的數據的計算方法，常用于將離散點的測量數據轉換成為連續的數據曲面，以便與其他空間現象的分布模式進行比較。空間插值的理論假設是空間位置上越靠近的點，越可能具有相似的特征值；而距離越遠的點，其特征相似的可能性越小。女性實際碳酸氫根參考值的空間分布與地理因素存在著很強的相關性。本研究利用空間插值的方法[11]在ArcGIS9.2平臺支持下繪制出女性實際碳酸氫根參考值分布圖。

2 結 果

2.1 相關分析結果由相關分析可以得出女性實際碳酸氫根參考值與X1、X2、X3、X4、X5及X6的相關系數r和可信度P值。見表1。

表1 女性標準碳酸氫根參考值與地理因素的相關關系

6項地理指標的P值均小于0.05，與女性實際碳酸氫根參考值的關系顯著。從相關系數看，海拔高度是影響實際碳酸氫根參考值的主要因素。女性實際碳酸氫根參考值隨著氣溫年較差、年日照時數、年平均氣溫的增加而增加，隨著海拔高度、年平均相對濕度、年降水量增大而減小。

2.2 BP神經網絡模擬與結果檢驗運用BP神經網絡方法，以3 000次為訓練次數，獲取各項網絡權重，構建女性實際碳酸氫根參考值與地理指標復雜非線性模型。將全國4 383個點的6項地理指標作為神經元輸入，最后模擬出結果，其標準差s=2.031 4，代表剩余標準差的數值[12]。圖1是女性實際碳酸氫根參考值模擬值和實測值對比圖。將模擬值與實測值進行成對的樣本t檢驗，其結果為t=0.5241，所對應的雙側概率P=0.532>0.05。說明女性標準碳酸氫根實測值與神經網絡訓練模擬值之間的差異無統計學意義，該模型較為準確。

2.4 繪制女性實際碳酸氫根參考值分布圖將4 383個市縣的BP神經網絡模擬結果運用ArcGIS9.2進行克里金(Kriging)插值，繪制出女性實際碳酸氫根參考值分布圖(圖2)。由圖2可知 女性標準碳酸氫根參考值的空間分布規律。灰度值越小代表實際碳酸氫根參考值越低，灰度值越大代表實際碳酸氫根參考值較大，位于同一色系區域的實際碳酸氫根參考值相等，灰度值變化越快的區域表示實際碳酸氫根參考值變化較大，反之變化較小。青藏高原地區灰度值較小，變化明顯，大于中部和東部地區，實際碳酸參考值較小，為19.63～24.64 mmol·L-1，如青海格爾木地區參考值為(23.350 0±2.031 4) mmol·L-1，西藏拉薩地區參考值為(21.380 0±2.031 4) mmol·L-1。中部地區灰度值居中，變化較緩，實際碳酸參考值較大，為24.64～27.38 mmol·L-1，如陜西西安地區 的參考值為(25.310 0±2.031 4)mmol·L-1，山西太原地區為(26.720 0±2.031 4) mmol·L-1。東部地區為冷色調(藍色)，灰度值大，色彩變化較緩，實際碳酸參考值較大，為27.38～29.02 mmol·L-1。如上海地區的參考值為(28.710 0±2.031 4) mmol·L-1，遼寧大連地區的參考值為(28.680 0±2.031 4) mmol·L-1。

圖1 女性實際碳酸氫根模擬值和實測值對比

圖2 中國女性實際碳酸氫根參考值分布圖

中國女性實際碳酸參考值分布大致與中國地形的三級階梯相反，西部低東部高，海拔高度越大，參考值越低。隨著海拔高度的增加，稀氧環境下，組織無氧呼吸增強，產生的乳酸與堿性的碳酸氫根中和，消耗了血液中的碳酸氫根。此外，缺氧通氣反應(HVR)刺激呼吸中樞神經，使呼吸增強，促使血液中的碳酸氫根通過主動運輸的方式隨尿液排出體外，碳酸氫根含量減少。表1中女性實際碳酸參考值與海拔高度的單相關系數r=-0.58，也說明了該問題。

3 討 論

地理環境是能量的交錯帶，位于地球表層，即巖石圈、水圈、土壤圈、大氣圈和生物圈相互作用的交錯帶上，這一環境與人類的生產和生活密切相關，直接影響著人類的衣食住行。人的機體與地理環境處在一個矛盾統一的過程中:生命有機體一方面不斷地從地理環境中攝取營養物質，同時也向地理環境排泄廢物，在進行這種新陳代謝的物質交換過程中，也伴隨著能量的交換以及信息傳遞，最后形成了人與地理環境物質交換的動態平衡。因此，實際碳酸氫根作為檢驗人體血氣的重要指標，必定和地理環境之間有密切的聯系，呈現出依賴關系。由于地理位置不同，地表的組成物質和形態不同，水、熱條件不同，女性實際碳酸氫根參考值也就不同。地理環境通過物質、能量、信息的交換流動作用于人體血液，通過復雜的非線性方式影響實際碳酸氫根參考值。龍向潔等[5]用相關分析和多元回歸分析的方法研究二者的關系，通過線性的方式反映實際碳酸氫根參考值與地理環境的關系，但難以說明兩者間的復雜非線性關系。同時，由于反映地理環境的各地理要素之間具有較強的線性相關性，從而影響多元回歸分析模型的精確性。因此，對地理環境與實際碳酸氫根參考值的復雜非線性研究具有重要的意義[6]。ANNs通過輸入層、隱含層和輸出層，能夠很好地反映變量間的復雜非線性關系。楊青生等[6]運用ANNs對老年男性血沉參考值與地理環境關系進行研究，為醫學正常參考值的地理分布規律的研究提供了新思路。

若已知中國某地的海拔高度、年日照時數、年平均氣溫、年平均相對濕度、年降水量、氣溫年較差6項地理指標，則可用建立好的BP神經網絡模型來估算出該地區的女性實際碳酸氫根參考值。例如西安地區的海拔高度、年日照時數、年平均氣溫、年平均相對濕度、年降水量、氣溫年較差6項地理指標分別為：397.5 m、1 646.1 h、13.70℃、70%、553 mm和26.7℃，用神經網絡模型就可計算該地區女性實際碳酸氫根參考值為(25.310 0±2.031 4) mmol·L-1。

應用BP神經網絡模型，將中國4 383個市縣的6項地理指標代入模型訓練，得到女性實際碳酸氫根參考值的預測值。運用ArcGIS9.2進行空間插值繪制出中國女性實際碳酸氫根參考值分布圖，由圖可知女性標準碳酸氫根參考值的空間分布規律和宏觀地估算中國女性實際碳酸氫根參考值，為該區域的臨床診斷提供科學依據。

ANNs與過去的相關分析、多元回歸模型、因子分析等線性模型相比，更能反映實際碳酸氫根參考值與地理因素之間復雜的非線性關系。此外，基于ANNs不需要人為地定義模型的結構和參數，在預測不同地區女性實際碳酸氫根參考值的過程中，最大限度地降低了人為的影響，提高了估算的精度。本研究借助相關分析、BP神經網絡模型、GIS分析方法，揭示出女性實際碳酸氫根參考值與地理環境的相互關系和分布規律，為臨床診斷提供科學依據，豐富了醫學地理學的研究內容。

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