三種分類預測模型在醫(yī)學中的應用研究

(南方醫(yī)科大學 公共衛(wèi)生與熱帶醫(yī)學學院 生物統(tǒng)計學系，廣東 廣州 510515)

在很多醫(yī)學診斷和預后研究中都會用到統(tǒng)計預測模型，其中Logistic 回歸是一種常被用于預測結(jié)果為二分類變量的統(tǒng)計方法.而神經(jīng)網(wǎng)絡作為一種新的技術(shù)，有學者(如曹志峰)認為它有可能代替Logistic 回歸以及一些別的分類統(tǒng)計方法[1].BP (Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡是目前發(fā)展最成熟、應用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡，是一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ柧毜亩鄬忧梆伨W(wǎng)絡.這一過程可以較迅速地通過調(diào)整網(wǎng)絡中的權(quán)值以最小化網(wǎng)絡輸出和實際結(jié)果的誤差.BP神經(jīng)網(wǎng)絡首先由Rumelhart，Hinton和Williams 提出，并逐漸在各領域被廣泛應用[2].BP神經(jīng)網(wǎng)絡在醫(yī)學領域中主要應用于疾病輔助診斷，如曹志峰將BP神經(jīng)網(wǎng)絡運用在甲狀腺疾病的診斷上，結(jié)果顯示網(wǎng)絡對樣本的判對率達到99.3%[1].而在BP神經(jīng)網(wǎng)絡中，由Mackay 提出的貝葉斯正則化的引入[3]，是對傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡的一種優(yōu)化模型，可以修正BP神經(jīng)網(wǎng)絡中常出現(xiàn)的過擬合現(xiàn)象[4]，從而提高其推廣能力[5].國內(nèi)研究對其應用還不夠廣泛，國外大多學者把這種神經(jīng)網(wǎng)絡用在工科領域[6-7]，Yu 等人曾將此模型用于卵巢癌的診斷中[8].但總的來說，貝葉斯正則化BP神經(jīng)網(wǎng)絡在醫(yī)學上的應用比較少，遠不及其在工科領域的應用.因此，本文基于一個腎衰竭患者數(shù)據(jù)，應用BP神經(jīng)網(wǎng)絡、貝葉斯正則化BP神經(jīng)網(wǎng)絡與常用的二分類Logistic 回歸對腎衰竭患者是否死亡進行預測，并比較三種模型的預測效果.

1 對象與方法

1.1 數(shù)據(jù)介紹及其來源

為了比較BP神經(jīng)網(wǎng)絡、貝葉斯正則化BP神經(jīng)網(wǎng)絡、Logistic 回歸三者對同一個數(shù)據(jù)的預測效果，選用了《SPSS13.0 統(tǒng)計軟件應用教程》上的一個關(guān)于急性腎衰竭(ARF)的數(shù)據(jù)[9].該數(shù)據(jù)為某醫(yī)院1990～2000年中所有發(fā)生ARF的422名住院患者的臨床資料.該資料共涉及29個變量，其中，器官衰竭和透析方式均為多分類變量，分別有5個水平和4個水平，已被重新分別設置4個啞變量和3個啞變量;計量資料有年齡、血肌酐、血紅蛋白;其它均為二分類變量.把所有多分類變量轉(zhuǎn)換成啞變量之后，該數(shù)據(jù)最后共涉及36個變量，見數(shù)據(jù)文件“ARF.sav”.

實際上，并不是自變量越多得到的模型效果越好，選擇過多的變量往往會增加問題的復雜性，還會影響模型的擬合效果.本研究采用單因素Logistic 回歸對自變量進行篩選，從中選取P值小于0.05的自變量，最終選取了24個自變量:age (年齡)、社會支持、慢性病、手術(shù)、糖尿病、腫瘤、cr (血清肌酐)、少尿、lbp(低血壓)、黃疸、昏迷、輔助呼吸、心衰、肝衰、出血，呼衰、器官衰竭2個、器官衰竭3個、器官衰竭4個、dic (彌散性血管內(nèi)凝血)、敗血癥、感染、透析方式1、透析方式3.

1.2 方法介紹

1.2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡

典型的BP神經(jīng)網(wǎng)絡，是一個含有隱含層(既不屬于輸入層也不屬于輸出層，可同時存在多個隱含層)的三層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，如圖1所示.

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡基本結(jié)構(gòu)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡訓練主要分兩個過程:輸入變量的前向傳播以及誤差反向傳播.全程流程圖如圖2所示.

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡訓練流程

具體訓練步驟如下:

(1)確定網(wǎng)絡結(jié)構(gòu).

①確定隱含層層數(shù).

1989年Robert Hecht-Nielson 已經(jīng)證明對于任意閉區(qū)間內(nèi)的一個連續(xù)函數(shù)，都可以用只含有一個隱含層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡來逼近.本研究選用單個隱含層[10].

②確定隱含層節(jié)點數(shù)[11].

隱含層節(jié)點的選取，到目前還沒有完善的理論依據(jù)，大多以經(jīng)驗為主，且有多種可參考原則，本研究用以下原則來確定隱含層節(jié)點數(shù):m =log2n，其中，n為輸入層節(jié)點數(shù)，m為隱含層節(jié)點數(shù).本研究計算得出m約為4.55，四舍五入，以5為隱含層節(jié)點數(shù).

③確定激活函數(shù)類型[12].

理論上已證明，至少一個S 型隱含層加上一個線性輸出層的神經(jīng)網(wǎng)絡，能夠逼近任何有理函數(shù).因此，本研究隱含層激活函數(shù)f選用tansig 函數(shù)，輸出層函數(shù)g選擇purelin 函數(shù).

(2)初始化[12].

根據(jù)樣本輸入、輸出變量確定網(wǎng)絡輸入、輸出層節(jié)點數(shù)n，其中，輸入、輸出層節(jié)點數(shù)可以不同，如當輸入節(jié)點數(shù)為c，輸出節(jié)點數(shù)為d時，神經(jīng)網(wǎng)絡就表達了從c個自變量到d個因變量的函數(shù)映射關(guān)系.初始化輸入、隱含和輸出層間的權(quán)值wij和wjk，隱含、輸出層閾值aj和bk，其中i=k =1，2，…，n，j =1，2，…，m.(此處i=k是指輸入層節(jié)點與輸出層節(jié)點個數(shù)一致).學習速率設為0.01 (常用)，最大訓練次數(shù)設為20000，目標精度設為0.

(5)誤差反向傳播[2]，根據(jù)梯度下降算法更新權(quán)值wij和wjk，閾值aj和bk.如:wjk(l+1)= wjk(l)+Δwjk= wjk(l)+ηδkHj、wij(l+1)= wij(l)+Δwij=wij(l)+ηδjxi、bk(l+1(= bk(l)+Δbk=bk(l)+ηδk、aj(l+1)=aj(l)+Δaj=aj(l)+ηδj.其中，η為學習速率，δk為輸出層誤差，δj為隱含層誤差，l =1，2，…，M為訓練次數(shù).

1.2.2 貝葉斯正則化BP神經(jīng)網(wǎng)絡

實際上，貝葉斯正則化神經(jīng)網(wǎng)絡是在BP神經(jīng)網(wǎng)絡誤差反向傳播后增加一個貝葉斯正則化優(yōu)化參數(shù)的過程.因此，對于貝葉斯正則化BP神經(jīng)網(wǎng)絡中BP神經(jīng)網(wǎng)絡那一部分的參數(shù)設置和計算等不再贅述，而貝葉斯正則化優(yōu)化參數(shù)這一過程又分為正則化和貝葉斯推理兩個部分，步驟如下[3，5，14]:

這里，我們記網(wǎng)絡模型訓練樣本集D =(xi，yi)，i=1，2，…，n，令網(wǎng)絡框架為A(包括網(wǎng)絡層數(shù)、每層節(jié)點數(shù)、激活函數(shù)類型)，網(wǎng)絡參數(shù)為w(包括三層間所有的權(quán)閾值)，網(wǎng)絡模型為O(x;w，A)，誤差函數(shù)為ED(D|w，為了縮減網(wǎng)絡復雜度，給誤差函數(shù)加一個權(quán)罰項1，2，…N.注意，這里提到的i和m在本節(jié)中分別表示樣本數(shù)和網(wǎng)絡參數(shù)(權(quán)值閾值)個數(shù)，不要與前面提及的記號混淆.由ED和Ew綜合成一個新的目標函數(shù)(目標是指整個算法的最優(yōu)化目標):M =αEw(w | A)+βED(D| w，A).其中，α，β為“黑箱子(black box)”參數(shù)[3]，也叫超參數(shù)[14].實際應用時，最小化目標函數(shù)是為了減少網(wǎng)絡訓練誤差的同時降低網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的復雜度.因為常規(guī)的正則化方法一般很難確定正則化參數(shù)的大小，而采用貝葉斯理論可以在網(wǎng)絡訓練過程中自適應地調(diào)節(jié)正則化參數(shù)大小并使參數(shù)達到最優(yōu)，最后經(jīng)過一系列推導，可以得到其中，γ=N-2αtr(M(wMP))-1，wMP表示M取最小值時所對應的網(wǎng)絡參數(shù)值;γ表示有效的網(wǎng)絡參數(shù)個數(shù)，反映網(wǎng)絡的實際規(guī)模;N是網(wǎng)絡中所有參數(shù)的個數(shù).

1.3 軟件實現(xiàn)及方法

用SPSS 21.0 對原數(shù)據(jù)中的變量進行篩選，以不同分界點作Logistic 回歸并得出相應的判對率，畫出三個模型的ROC 曲線并計算其AUC;用Matlab 訓練BP神經(jīng)網(wǎng)絡和貝葉斯正則化BP神經(jīng)網(wǎng)絡并以不同分界點計算其判對率.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同分界點下三種模型判對率的比較

表1 不同分界點下三個模型的判對率

比較不同分界點下三個模型對同一數(shù)據(jù)的預測效果，觀察分界點的選擇對三個模型預測效果的影響，選擇了0.3、0.4、0.5、0.6 與0.7 五個分界點，結(jié)果見表1.可見三個模型以0.5為分界點時判對率最高.此時，Logistic 回歸模型的靈敏度為81.6%，特異度為93.4%;BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型的靈敏度為84.6%，特異度為93.1%;貝葉斯正則化BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型的靈敏度為96.3%，特異度為99.6%.

2.2 三個模型ROC 曲線及曲線下面積(AUC)比較

以三個模型輸出的原始結(jié)果為基礎畫出三個模型的ROC 曲線(圖3)并求出曲線下面積(表2).直接比較兩個ROC 曲線下面積的95%可信區(qū)間是否交叉，如交叉，則表明兩個ROC 曲線下面積在α =0.05時無顯著差異;如不交叉，則有統(tǒng)計學差異[15].可見，BP神經(jīng)網(wǎng)絡和Logistic 回歸比較，它們的AUC 無顯著差別，而貝葉斯正則化BP神經(jīng)網(wǎng)絡和上述二者比較，它們的AUC 有顯著差別，且貝葉斯正則化BP神經(jīng)網(wǎng)絡AUC為三者中最大者，即模型預測效果最好.

圖3 三個模型ROC 曲線圖

表2 三個模型AUC 及95%置信區(qū)間

3 結(jié)論

針對本研究的數(shù)據(jù)，當三個模型的輸出結(jié)果都以0.5作為分界點時，它們的判對率分別為89.1%(Logistic 回歸)、90.05% (BP神經(jīng)網(wǎng)絡)和98.58%(貝葉斯正則化BP神經(jīng)網(wǎng)絡).用三個模型原始輸出結(jié)果和目標數(shù)據(jù)作比較畫出的ROC 曲線及求得的AUC分別為0.950、0.947和0.995.可見，針對這一數(shù)據(jù)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡的預測效果并不像大多數(shù)以往研究中所說的會比Logistic 回歸結(jié)果好[1，16-17]，反而是和Logistic回歸得出的結(jié)果差不多，但是貝葉斯正則化BP神經(jīng)網(wǎng)絡的預測效果比上述兩個模型好很多.當然，不排除是由于數(shù)據(jù)樣本量不足導致BP神經(jīng)網(wǎng)絡不能得到很好的訓練，從而預測效果不如理想中準確.不過，本研究突出了貝葉斯正則化BP神經(jīng)網(wǎng)絡不需要大量的訓練樣本也能得到很好的輸出結(jié)果這一優(yōu)點.

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