基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的中醫(yī)面診證素辨證的研究

摘 要：根據(jù)中醫(yī)診斷推理對(duì)知識(shí)的不確定性、不完全性和邏輯推理的模糊性及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點(diǎn)出發(fā)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)中醫(yī)面診證素辨證進(jìn)行研究，得到一個(gè)關(guān)于證素辨證的面診神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在MATLAB上設(shè)計(jì)出這個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)64例病例進(jìn)行辨證并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；中醫(yī)面診； 證素辨證

中圖分類號(hào)：TP391.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-3695(2008)09-2655-03

Research of TCM face diagnosis and symptom factor based on NN

LU Pinga，LIN Kunhuib，ZHOU Changlec(a.School of Mathmatic Science;b.School of Software;c.School of Information Science Technology， Xiamen University， Xiamen Fujian 361005， China)

Abstract:Traditional Chinesemedical diagnosis has the characteristic of uncertainty， imperfection and illegibility， and the neural network has the same characteristic. Form the point of view，this paper discussed the thought that use the technology of neural nerwork to research the traditional Chinesemedical face diagnosis and symptom factors.It constructed the neural network of the TCM face diagnosis and symptom ， and analyzed the result.

Key words:NN(neural network)；TCMFD(traditional Chinesemedical face diagnosis)；symptom factors 

中醫(yī)藥現(xiàn)代化是國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃中具有戰(zhàn)略意義的研究領(lǐng)域。隨著社會(huì)各方面的信息化，信息化的概念刻不容緩地進(jìn)入了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在計(jì)算機(jī)的幫助下，西方醫(yī)學(xué)在各個(gè)方面的研究成果和醫(yī)務(wù)人員的工作效率都有了顯著提高。作為另一大醫(yī)學(xué)理論體系的中醫(yī)學(xué)仍然沿用上古的方法為大眾服務(wù)，并沒(méi)有從根本上解決中醫(yī)辨證論治的邏輯形式化描述問(wèn)題，這成為了醫(yī)務(wù)人員的學(xué)習(xí)和工作以及將中醫(yī)推向世界的阻礙。實(shí)踐證明，貫穿中醫(yī)學(xué)基本理論的診病方法和辯證思維不能完全沿用西方醫(yī)學(xué)所采用的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)中醫(yī)學(xué)的智能信息化^[1]。中醫(yī)診斷推理對(duì)知識(shí)的不確定性、不完全性和邏輯推理的模糊性等特點(diǎn)，需要從計(jì)算機(jī)“軟計(jì)算”技術(shù)方面入手，逐步實(shí)現(xiàn)中醫(yī)診斷的信息化。

1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與中醫(yī)面診證素辨證

20世紀(jì)40年代心理學(xué)家W.S.McCulloch和數(shù)學(xué)家W.Pitts從人腦信息處理的特點(diǎn)出發(fā)，采用數(shù)學(xué)模型的方法研究了腦細(xì)胞的動(dòng)作和結(jié)構(gòu)，以及生物神經(jīng)元的一些基本的特征，提出了第一個(gè)人工神經(jīng)計(jì)算模型，即神經(jīng)元的閾值元件MP模型。他們使用一些節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的連接，構(gòu)成一個(gè)模擬大腦可用于邏輯運(yùn)算的簡(jiǎn)單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和優(yōu)越性主要表現(xiàn)在四個(gè)方面：具有自適應(yīng)的學(xué)習(xí)能力；具有處理非線性映射的能力；具有泛化能力；具有高速尋找優(yōu)化解的能力，即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有并行計(jì)算能力。

《靈樞 邪氣臟腑病形》說(shuō)：“十二經(jīng)脈，三百六十五絡(luò)，其血?dú)饨陨嫌诿娑呖崭[。”由于心主血脈，其華在面，手足三陽(yáng)經(jīng)皆上行于頭面，特別是多氣多血的足陽(yáng)明胃經(jīng)分布于面，故面部血脈豐盛，為臟腑氣血之所榮；加之面部皮膚外露，其色澤變化易于觀察。凡臟腑的虛實(shí)、氣血的盛衰皆可通過(guò)面部色澤的變化而反映于外，因而臨床將面部作為望診的主要部分。

朱文鋒教授經(jīng)過(guò)數(shù)十年的深入研究創(chuàng)立了證素辨證新體系 。所謂證素， 就是指辨證的基本要素。證素是通過(guò)對(duì)證候 (癥狀、體征等) 的辨識(shí)而確定的病位和病性， 是構(gòu)成證名的基本要素。在這里， 證實(shí)際包括證候、證素、證名。辨證就是根據(jù)證候(病理信息)→辨別證素(確定病變本質(zhì)) →組合成證名(辨證診斷) 的思維認(rèn)識(shí)過(guò)程。根據(jù)這一特點(diǎn)，就可以利用軟計(jì)算方法與技術(shù)構(gòu)建根據(jù)病人病“癥”進(jìn)行病證分類的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，初步解決病癥—病證組合分類的問(wèn)題。

2 中醫(yī)面診證素辨證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖1所示的是中醫(yī)面診證素辨證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)圖，其分為三個(gè)部分：a)輸入預(yù)處理層，其主要功能是通過(guò)面診將診斷結(jié)果分為五類。b）證素辨證計(jì)算隱層，其主要功能是對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的中醫(yī)癥狀所得數(shù)值進(jìn)行計(jì)算、分類。它由兩個(gè)子層組成，第一子層主要是對(duì)癥狀的值的計(jì)算，第二子層神經(jīng)元主要是對(duì)癥狀的值計(jì)算結(jié)果的分類。c）輸出后處理層，其主要功能是對(duì)隱層計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行中醫(yī)面診—證素證型的對(duì)應(yīng)設(shè)置，輸出中醫(yī)對(duì)應(yīng)的15個(gè)證型。最終完成對(duì)輸入癥狀的中醫(yī)辨證。

1） 輸入預(yù)處理層神經(jīng)元模型

輸入預(yù)處理層神經(jīng)元模型的主要功能是通過(guò)面診將診斷結(jié)果分為：赤、青、黃、白、黑五類，如表1所示。

圖2是中醫(yī)面診—證素辨證計(jì)算中間層模型，包括兩部分，第一子層包含S1個(gè)神經(jīng)元，第二子層包含S2個(gè)神經(jīng)元，它們主要是將輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，獲得相關(guān)證型數(shù)據(jù)。其輸入向量X（R維輸入向量）首先與閾值θ1相乘，然后計(jì)算權(quán)值向量ω2S1×R的行向量之間的距離‖dist‖，產(chǎn)生S1維向量，再經(jīng)過(guò)函數(shù)f傳遞到第一隱層的輸出a1S1，即可表示為a1=f(dist(ω1，P×θ1))。其中dist()表示第一隱層權(quán)值向量ω1與輸入向量P×θ1之間的距離。然后第一子層計(jì)算結(jié)果a1S1與期望向量矩陣ω2S2×S1相乘，即ω2S2×S1×a1S1，獲得中間結(jié)果b1S2×1。其中，期望向量矩陣ω2S2×S1的每一列向量只有一個(gè)元素為1，代表相對(duì)應(yīng)的類別，其余元素均為0。再通過(guò)第二子層神經(jīng)元過(guò)濾函數(shù)Ψ計(jì)算得到輸出S2維向量b2S2，把其中較大的元素取為1，其余元素為0。最后得到面診—證素辨證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出S2維向量a2。至此，面診—證素辨證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就能夠完成對(duì)輸入癥狀的證素辨證。

第一層子層神經(jīng)元的激活函數(shù)的形式為

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文基于面診的證素辨證，在MATLAB工具下構(gòu)造一個(gè)三層前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)表 1選定了19個(gè)典型病例作為面診—證素辨證的模范樣本，并把其分成五個(gè)部分對(duì)應(yīng)于不同的中間層的權(quán)値。

表2 面診—證素辨證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨證計(jì)算隱層第一子層的連接權(quán)值（1）

入出

寒熱疼痛頭身飲食二便神面色皮膚脈象舌體舌苔其他

從面診—證素辨證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)果可以看出，面診—證素神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本上都能得到準(zhǔn)確的證型辨證結(jié)果（除脾虛和濕證外），但有些結(jié)果也附加其他結(jié)果。由于脾虛和濕證與中間層第一層的權(quán)值十分接近，又由于激活函數(shù)對(duì)于脾虛的輸出值十分接近于濕證的輸出值，容易出錯(cuò)。但總體而言辨證結(jié)果的準(zhǔn)確率還是比較高的，如要應(yīng)用于臨床還需進(jìn)一步提高準(zhǔn)確率。

4 結(jié)束語(yǔ)

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用現(xiàn)有固定結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建中醫(yī)面診系統(tǒng)，能夠根據(jù)樣本值對(duì)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造和訓(xùn)練，對(duì)部分非樣本測(cè)試值也能作出合理的診斷。從而說(shuō)明采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建中醫(yī)面診是完全可行的。但是由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)固定，只是根據(jù)樣本對(duì)其權(quán)值進(jìn)行訓(xùn)練，而不能根據(jù)樣本動(dòng)態(tài)地調(diào)整適合中醫(yī)診斷推理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，達(dá)到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值、結(jié)構(gòu)等整體的最優(yōu)，這就限制了中醫(yī)面診的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有效提高診斷推理結(jié)果的準(zhǔn)確率。所以，首先需要從現(xiàn)有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中選擇恰當(dāng)?shù)哪Ｐ停瑯?gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始結(jié)構(gòu)及其權(quán)值；再對(duì)其利用軟計(jì)算中其他相互協(xié)同互補(bǔ)的方法，如遺傳算法對(duì)構(gòu)建的中醫(yī)診斷知識(shí)庫(kù)中的每一類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到針對(duì)一類病證診斷的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和權(quán)值最優(yōu)。并且采用多級(jí)目錄管理的方式對(duì)構(gòu)建的各個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)子庫(kù)進(jìn)行有效的管理和調(diào)用（這也是下一步的工作）。從而能夠構(gòu)建適合中醫(yī)面診系統(tǒng)。

表12 診斷結(jié)果

編號(hào)NN診斷結(jié)果專家診斷結(jié)果編號(hào)NN診斷結(jié)果專家診斷結(jié)果

1陽(yáng)虛氣虛33濕證，脾虛脾虛

2陽(yáng)虛，血虛血虛34濕證，脾虛濕證

3血虛，氣虛，陽(yáng)虛氣虛，陽(yáng)虛35濕證，脾虛濕證

4血虛血虛36實(shí)熱證實(shí)熱證

5陰虛陰虛37脾虛脾虛

6血虛，氣虛氣虛，血虛，陽(yáng)虛38濕證濕證

7陽(yáng)虛，寒證氣虛，陽(yáng)虛39濕證，脾虛脾虛

8脾虛脾虛，濕證40脾虛脾虛

9血虛氣虛，陽(yáng)虛41脾虛脾虛

10脾虛，濕證脾虛，濕證42濕證脾虛

11氣虛氣虛43濕證濕證

12氣虛，陽(yáng)虛陽(yáng)虛44陰虛陰虛

13氣虛氣虛45脾虛脾虛

14氣虛氣虛46濕證，脾虛脾虛

15氣虛，陽(yáng)虛，寒證陽(yáng)虛47濕證，脾虛脾虛

16血虛，氣虛，陽(yáng)虛，寒證陽(yáng)虛48脾虛脾虛

17脾虛脾虛49實(shí)熱證實(shí)熱證

18脾虛濕證50實(shí)熱證實(shí)熱證

19濕證濕證51實(shí)熱證實(shí)熱證

20脾虛脾虛，濕證52實(shí)熱證實(shí)熱證

21濕證濕證53實(shí)熱證實(shí)熱證

22實(shí)熱證陰虛54陰虛陰虛

23脾虛濕證55實(shí)熱證實(shí)熱證

24濕證，脾虛濕證56實(shí)熱證實(shí)熱證

25脾虛濕證57實(shí)熱證實(shí)熱證

26脾虛脾虛58實(shí)熱證實(shí)熱證

27脾虛脾虛59實(shí)熱證實(shí)熱證

28脾虛脾虛60陰虛陰虛

29脾虛脾虛61陰虛陰虛

30實(shí)熱證實(shí)熱證62痛證腎陽(yáng)證

31實(shí)熱證實(shí)熱證63陰虛，實(shí)熱證實(shí)熱證

32實(shí)熱證實(shí)熱證64痛證腎陰虛

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