銀屑病中醫(yī)證型預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建

詹秀菊，劉秀峰

（廣州中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院，廣州510006）

1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

455 例醫(yī)案文獻(xiàn)中的癥狀變量有皮疹發(fā)展迅速、皮疹經(jīng)久不退、皮疹消退、皮損鮮紅（紅）、皮損淡紅、皮損暗紅、點(diǎn)滴狀皮疹、斑片狀皮疹、地圖狀皮疹、鱗屑干燥脫落、鱗屑附著緊、皮損肥厚、浸潤(rùn)明顯、皮膚干燥、皮膚潮濕、皮損灼熱、皮損腫脹、疲乏、咽干、咽燥、咽腫、咽喉痛、肢體倦怠、頭暈、胸悶、納呆、喜冷飲、口干、口渴、口苦、失眠多夢(mèng)、不寐、心煩易怒、便干、便秘、便溏、小便黃赤、唇青紫、舌紅、舌紫暗、舌暗紅、舌淡紅、瘀斑、苔黃、苔白、苔薄、少苔、舌燥、苔膩、浮脈、沉脈、緩脈、數(shù)脈、澀脈、滑脈、弦脈、細(xì)脈和濡脈等58 個(gè)，本研究選取PCA 對(duì)58 癥狀變量進(jìn)行降維，將降維后的34個(gè)主成分因子作為模型的輸入變量，血瘀型、血熱型和血燥型三個(gè)證型設(shè)置為一列，作為輸出變量，其中用數(shù)字1 代表血燥型，2 代表血瘀型，3 代表血熱型。本文利用隨機(jī)抽樣法對(duì)455 例病案抽取測(cè)試樣本和訓(xùn)練樣本。樣本隨機(jī)抽樣法用均勻分布的隨機(jī)數(shù)構(gòu)造，利用MATLAB 2015a 中rand（1:455）函數(shù)產(chǎn)生455 個(gè)小于1的隨機(jī)數(shù)k，再用sort（k）函數(shù)對(duì)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生455 個(gè)隨機(jī)序號(hào)，設(shè)定訓(xùn)練樣本數(shù)為357，測(cè)試樣本數(shù)為88，根據(jù)設(shè)定樣本數(shù)和隨機(jī)序號(hào)可隨機(jī)選取357 例訓(xùn)練樣本，同理可隨機(jī)選取88 例測(cè)試樣本。具體代碼實(shí)現(xiàn)為：

2 確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)定是BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模型的第一步。本研究采用三層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即輸入層、隱含層和輸出層，輸入變量為34 個(gè)主成分因子，因輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)等于輸入變量數(shù)，即輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為34 個(gè)。同理，三個(gè)證型在同一列作為輸出變量，即輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 個(gè)。隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的多少對(duì)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的性能具有一定的影響，增加隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)可以有效改善模型的性能，但同時(shí)也增加網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜化，增加網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)間。本研究根據(jù)公式n1= n+m +a 來(lái)計(jì)算隱含層，其中m 為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)，n 為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)，n1為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)，a 是0～10 之間的常數(shù)，在本研究中輸入變量有34 個(gè)，所以m 為34，輸出變量為1 個(gè)，n 為1，經(jīng)公式計(jì)算可得隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的參考范圍為6～16，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，將增加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此本研究先選取6、7、8、9、10、11 作為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的試驗(yàn)點(diǎn)，以BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試準(zhǔn)確率D 作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)選取最適合的隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)。準(zhǔn)確率D 的定義公式為D=s/total。其中s 為實(shí)際輸出與期望輸出相等的個(gè)數(shù)，total 為實(shí)際數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。

本研究通過(guò)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得到的準(zhǔn)確率，對(duì)比選用不同隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確率。從圖1中可以看出當(dāng)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為7 或8 時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確率的最大值和最小值相差較大，相對(duì)不穩(wěn)定，因此可把隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為7 和8 的情況排除。當(dāng)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為10 時(shí)，在10 次仿真結(jié)果中大部分準(zhǔn)確率相對(duì)較低，因此可將隱含層節(jié)點(diǎn)為10 的情況去除。隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為6、9 和11 在10 次仿真中結(jié)果相對(duì)穩(wěn)重，其中隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為6，10 次的平均準(zhǔn)確率最高，其狀態(tài)最優(yōu)，因此隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)置為6，即BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為34-6-1。

圖1 不同隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的準(zhǔn)確率比較

3 參數(shù)設(shè)置

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各參數(shù)影響B(tài)P 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能，因此確定各參數(shù)是構(gòu)建BP 神經(jīng)模型的第二步。本研究中BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用MATLAB 2015a 中Levenberg-Marquardt 算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練函數(shù)設(shè)置為trainlm（），訓(xùn)練次數(shù)為100，訓(xùn)練目標(biāo)為0.001，學(xué)習(xí)速率為0.1，隱含層神經(jīng)元與輸出層的傳遞函數(shù)采用S 性正切函數(shù)tansig（），實(shí)現(xiàn)核心代碼如下：

4 模型的建立及結(jié)果分析

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由上面可確定參數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，經(jīng)MATLAB 2015a 仿真3次，三次仿真準(zhǔn)確率分別為85.23%、80.68%和82.95%。以第一次仿真結(jié)果為例進(jìn)行說(shuō)明，如表1所示。

表1 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果

其中BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練結(jié)果設(shè)置規(guī)則為：當(dāng)訓(xùn)練輸出結(jié)果的數(shù)值位于區(qū)間（0.5,1.5]中設(shè)置判斷輸出結(jié)果為1；位于區(qū)間(1.5,2.5]設(shè)置判斷結(jié)果為2；位于區(qū)間(2.5,3.5]設(shè)置判斷結(jié)果為3。表1 中BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果為1.02，模型判定期望輸出為1，即輸出的證型為血燥證。實(shí)際輸出與預(yù)測(cè)輸出結(jié)果相等時(shí)，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)判斷為真，否則為假，同樣以BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練輸出結(jié)果為1.02 舉例，預(yù)測(cè)輸出判定為1，實(shí)際輸出為1，即可判定模型預(yù)測(cè)結(jié)果為真，該測(cè)試樣本的整體準(zhǔn)確率為85.23%。

5 結(jié)語(yǔ)

中醫(yī)證型是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性映射能力，能較好模擬任意一個(gè)函數(shù)，因此BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能將癥狀與證型之間的關(guān)系通過(guò)其本身特點(diǎn)映射出來(lái)。本研究BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為34-6-1 構(gòu)建模型，經(jīng)MATLAB 2015a 仿真后，得到BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的3 次平均預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率82.95%，此結(jié)果表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模應(yīng)用于銀屑病中醫(yī)證型方面的研究是可行的，值得進(jìn)一步深入研究。