基于深度學(xué)習(xí)的醫(yī)療數(shù)據(jù)智能分析與識別系統(tǒng)設(shè)計

谷麗霞，劉欣芃

（1.上海市第六人民醫(yī)院，上海 201303；2.鄭州大學(xué)西亞斯學(xué)院，河南新鄭 451150）

第四次工業(yè)革命的到來使得互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)出井噴式的增長。醫(yī)療財務(wù)分析領(lǐng)域同樣面臨著數(shù)據(jù)快速增長帶來的各項(xiàng)挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)量的增長需要更先進(jìn)、高效的數(shù)據(jù)處理技術(shù)支持[1-5]?？焖偻瓿珊Ａ繑?shù)據(jù)的識別與處理，可以有效提取數(shù)據(jù)中的有用信息進(jìn)行輔助判別，不但能夠提升醫(yī)院財務(wù)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)效率，還能為戰(zhàn)略決策提供有效的數(shù)據(jù)參考[6-8]。

近年來，計算機(jī)的運(yùn)算能力得到了大幅提高。傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法在計算效率上的優(yōu)勢已隨著計算量的增長而變得越來越小，深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)憑借其更優(yōu)秀的算法性能在工業(yè)界有了更廣泛的應(yīng)用，眾多學(xué)者開始研究深度學(xué)習(xí)理論在醫(yī)療數(shù)據(jù)處理中的各項(xiàng)問題。對于醫(yī)療財務(wù)數(shù)據(jù)的處理，通常面臨著數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化程度低、特征維度大、數(shù)據(jù)缺失等問題。因此，深度學(xué)習(xí)算法較難直接找到契合的應(yīng)用場景。為了提升醫(yī)療數(shù)據(jù)的分析效率，該文建立了一個智能化的醫(yī)療數(shù)據(jù)處理與識別系統(tǒng)。文中對于深度置信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，將其與自編碼網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)快捷化的數(shù)據(jù)特征識別，并以某醫(yī)院的相關(guān)財務(wù)數(shù)據(jù)集為例，對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析能力進(jìn)行了測試和分析。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 深度學(xué)習(xí)

數(shù)據(jù)量的增長使得傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法無法充分挖掘出數(shù)據(jù)內(nèi)的隱藏價值。深度學(xué)習(xí)并不是一項(xiàng)新興的技術(shù)，但是長期以來，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)算時間長，無法滿足應(yīng)用需求。近年來，隨著計算機(jī)運(yùn)算性能的提升，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得以在工業(yè)界應(yīng)用。深度置信網(wǎng)絡(luò)（Deep Belief Network，DBN）是一種多層次的有監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)，區(qū)別于傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其引入了多個受限玻爾茲曼機(jī)（Restricted Boltzmann Machine，RBM）。RBM 的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示[9-14]。

在DBN 中，其隱藏層多為RBM、DBN，隱藏層的連接方式較為靈活，可以是全連接的也可以是無連接的。DBN 通過堆疊多個RBM 來提升網(wǎng)絡(luò)的分類性能，對當(dāng)前層訓(xùn)練完畢以后，用當(dāng)前層的輸出作為下一層的RBM 輸入，最終通過誤差的反向傳播來訓(xùn)練整個網(wǎng)絡(luò)[15-16]。

DBN 基于能量模型，對于包含m個隱藏單元的DBN，定義其狀態(tài)為h，可見層的能量為v。此時RBM 的能量函數(shù)如式（1）所示。

在式（1）中，i代表可見單元，j代表隱藏單元，ai、bj分別是可見單元與隱藏單元的偏置，Wij是可見層到隱藏層的連接權(quán)重矩陣。通過相關(guān)參數(shù)，基于式（1）模型的初始化可以得到核心函數(shù)，如式（2）所示。

Z(θ)是P(v,h|θ)的歸一化算子。然后計算兩層間的概率因子，如式（3）所示。

利用式（3）可以得到隱藏層中第j個單元的激活概率，如式（4）所示。

在RBM 訓(xùn)練中，需要確定的最終參數(shù)是E(v,h|θ)中的θ，文中通過Gibbs 抽樣，得到RBM 的近似分布，然后獲得E(v,h|θ)梯度的近似值。

1.2 Autoencoder特征提取方法

對于傳統(tǒng)的淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通常需要人為地定義、標(biāo)注輸入數(shù)據(jù)的特征作為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的輸入向量。該種定義方法涉及大量的數(shù)據(jù)處理，工作量極大。此外，對于算法使用者的專業(yè)水平要求較高且效率低下，而所提取的特征數(shù)量也不夠，無法滿足深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的要求。因此，該文引入了自編碼器(Autoencoder)網(wǎng)絡(luò)作為特征提取方法。該網(wǎng)絡(luò)的特征提取流程如圖2 所示。

圖2 Autoencoder方法流程

Autoencoder 可以看作是一個無監(jiān)督的學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，它將輸入的數(shù)據(jù)（Input）進(jìn)行編碼（Encoder），然后把編碼的結(jié)果解碼（Decoder）后獲得最終的輸出（Output）。隨 后，根 據(jù)Input 與Output 間 的 誤 差（Error）不斷調(diào)整編碼、解碼參數(shù)獲得期望的輸出。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 Autoencoder網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

對于m維的輸入變量X與n維的輸出變量Y，定義激活函數(shù)f與g，如式（5）所示。

其中，w與p分別是輸入層到隱藏層的權(quán)重矩陣和偏置矩陣，wˉ與q分別是隱藏層到輸出層的權(quán)重矩陣和偏置矩陣。文中使用的激活函數(shù)sf和sg均是Sigmoid 函數(shù)，理想狀態(tài)下，輸出層Y應(yīng)是輸入層X數(shù)據(jù)的復(fù)現(xiàn)，因此w有如式（6）所示的關(guān)系：

為了降低輸入與輸出間的誤差，需要定義誤差距離W(x,y)，當(dāng)使用Sigmoid 函數(shù)時，W(x,y)的定義方法如下。

根據(jù)W(x,y)，可以進(jìn)一步定義自編碼過程中的損失函數(shù)。若訓(xùn)練集的數(shù)據(jù)形式如式（8）所示：

則其損失函數(shù)如式（9）所示。

該文在自組織網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時，采用梯度下降算法生成的自組織網(wǎng)絡(luò)的隱藏層，即可作為深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入的特征向量。

結(jié)合DBN 網(wǎng)絡(luò)與和Autoencoder 自編碼網(wǎng)絡(luò)，文中構(gòu)建了圖4 所示的系統(tǒng)算法流程圖。

從圖4 可以看出，該算法系統(tǒng)，首先，需要對所需的相關(guān)醫(yī)療數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；然后，使用Autoencoder算法自動化提取數(shù)據(jù)中的相關(guān)特征，利用提取的特征進(jìn)行DBN 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練；最終，對訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能測試。

圖4 系統(tǒng)算法流程圖

2 方法實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

該文結(jié)合深度置信網(wǎng)絡(luò)與自編碼網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了一個深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)，并將其應(yīng)用在醫(yī)療財務(wù)數(shù)據(jù)的智能分析上。為了評估系統(tǒng)在數(shù)據(jù)分析上的性能，文中基于某大型醫(yī)院的財務(wù)數(shù)據(jù)集進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)，該數(shù)據(jù)集包含了醫(yī)院一段時期內(nèi)的148 500 條財務(wù)數(shù)據(jù)，通過分析每段單位時間內(nèi)財務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對醫(yī)院運(yùn)轉(zhuǎn)情況的評估標(biāo)注，評估結(jié)果為運(yùn)轉(zhuǎn)健康、運(yùn)轉(zhuǎn)不利兩種。文中評估結(jié)果的判斷依據(jù)為醫(yī)院的財務(wù)周報數(shù)據(jù)集，并使用這兩個結(jié)果作為系統(tǒng)的輸出結(jié)果。

在將數(shù)據(jù)輸入到算法模型前，由于該數(shù)據(jù)集中存在著非格式化數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)缺失的現(xiàn)象，因此需要先進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理。將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)輸入到Autoencoder 網(wǎng)絡(luò)中，提取出17 個相關(guān)特征，具體的特征類目如表1 所示。

表1 模型輸入特征

在表1中，包含了可以反應(yīng)醫(yī)院財務(wù)狀況的17個財務(wù)指標(biāo)，這些指標(biāo)覆蓋了醫(yī)院的運(yùn)營成本、盈利狀態(tài)以及未來的發(fā)展預(yù)期等多個方面。

2.2 仿真結(jié)果

在仿真前，首先需要確定深度置信網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)。對于深度置信網(wǎng)絡(luò)，重要的參數(shù)有輸入層、輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)、隱藏層的節(jié)點(diǎn)數(shù)。其中，輸入層的節(jié)點(diǎn)數(shù)與特征數(shù)相關(guān)，輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)與網(wǎng)絡(luò)輸出向量的維度有關(guān)。而隱藏層層數(shù)以及每層的節(jié)點(diǎn)數(shù)對網(wǎng)絡(luò)性能有著重要的影響。若層數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)較少，網(wǎng)絡(luò)深度不足，則會影響網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分析能力；若層數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)過多，網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練過程中則產(chǎn)生過擬合現(xiàn)象，從而影響網(wǎng)絡(luò)在測試集上的泛化性能。該文通過逐層實(shí)驗(yàn)的方法，確定網(wǎng)絡(luò)隱藏層層數(shù)與每層隱藏層的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

表2、表3 與圖5 給出了隱藏層層數(shù)、隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)變化對模型精度的影響。表2 的第1 列與第2 列對應(yīng)了第一次實(shí)驗(yàn)，第一次實(shí)驗(yàn)只有一個隱藏層?？梢钥闯?，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為22 時，網(wǎng)絡(luò)可達(dá)到最優(yōu)的精度63.4 %。其次，將第一個隱藏層的節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)置為22，進(jìn)行第二次實(shí)驗(yàn)。表2 的第3 列與第4 列對應(yīng)了第二次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，第二次實(shí)驗(yàn)中，第二個隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化范圍為6～14。可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為10時，網(wǎng)絡(luò)可以達(dá)到最優(yōu)的精度75.5 %。同樣的方法可以確定第3 層與第4 隱藏層的節(jié)點(diǎn)數(shù)。當(dāng)由第3隱藏層增加為第4 隱藏層時，網(wǎng)絡(luò)的最佳性能由80.0 %降低到78.7 %，這是由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性造成了訓(xùn)練過程中產(chǎn)生過擬合現(xiàn)象。

表2 第1隱藏層和第2隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)的影響

表3 第3隱藏層和第4隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)的影響

圖5 隱藏層層數(shù)和隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)變化對準(zhǔn)確率的影響

結(jié)合實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，最終可以確定網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，如表4 所示。

表4 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

根據(jù)表4 中的參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，然后使用上文中處理后的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行算法性能測試。為了評估文中的DBN 與Autoencoder 方法組合后的算法系統(tǒng)性能，進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)。具體結(jié)果如表5所示。

表5 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

表5 對比了該文中深度學(xué)習(xí)算法與一些淺層機(jī)器學(xué)習(xí)算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。可以看出，相較于淺層的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，文中算法的AUC 與Accuracy 分別可達(dá)到0.81 與80.0%，而淺層機(jī)器學(xué)習(xí)中，性能最好的Random Forest 的AUC 和Accuracy 分別只能達(dá)到0.71和74.3%，在AUC上，該文算法提升了0.1，在Accuracy上，提升了5.7%，兩個指標(biāo)均有較明顯的提升。

3 結(jié)束語

智能化的醫(yī)療數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對于醫(yī)療大數(shù)據(jù)分析具有重要意義，該文結(jié)合深度學(xué)習(xí)理論中的深度置信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了相關(guān)研究。通過引入自編碼網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了從大規(guī)模醫(yī)療財務(wù)數(shù)據(jù)中自動化的提取特征信息，提升了財務(wù)工作的效率。通過對比實(shí)驗(yàn)證明，在醫(yī)療財務(wù)數(shù)據(jù)集的分析上，深度學(xué)習(xí)算法的各項(xiàng)指標(biāo)均有明顯提升。而淺層機(jī)器學(xué)習(xí)算法的計算效率優(yōu)勢將隨著計算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展越來越小，深度學(xué)習(xí)算法在數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域?qū)懈鼜V闊的應(yīng)用前景。