女性實(shí)際碳酸氫根參考值與地理環(huán)境的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

曹曉儀，葛 淼，林天應(yīng)，付成程

(1.陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院地理系，陜西 西安 710062；2.陜西師范大學(xué)食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院食品科學(xué)系，陜西 西安 710062)

實(shí)際碳酸氫根(actual bicarbonate，AB)是指隔絕空氣的血液標(biāo)本，在實(shí)際動脈血二氧化碳分壓(PaCO2)、實(shí)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?dú)夥治鲋杏糜谂袛嗳梭w內(nèi)代謝性酸堿失衡的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前，國內(nèi)外缺乏成年女性實(shí)際碳酸氫根參考值的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重影響了臨床診斷的準(zhǔn)確性。為制定中國成年女性實(shí)際碳酸氫根參考值的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)依據(jù)，很多學(xué)者[1-7]測定了本地區(qū)的健康女性實(shí)際碳酸氫根參考值，但有關(guān)成年女性的實(shí)際碳酸氫根參考值與地理環(huán)境之間關(guān)系的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural networks，ANNs)研究，國內(nèi)外未見報道。本研究利用ANNs的方法研究中國女性實(shí)際碳酸氫根參考值與地理環(huán)境的關(guān)系，并利用空間插值的方法繪制出中國女性實(shí)際碳酸氫根參考值分布圖，旨在為制定女性實(shí)際碳酸氫根參考標(biāo)準(zhǔn)和臨床診斷提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 女性實(shí)際碳酸氫根參考值通過檢索中國期刊網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)、維普資訊網(wǎng)、超星數(shù)字圖書館等相關(guān)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，查閱相關(guān)高校圖書館館藏部分期刊和相關(guān)書籍，獲取了253個相關(guān)醫(yī)院、高校以及醫(yī)學(xué)科研單位測定的8 138例18～60歲中國成年健康女性實(shí)際碳酸氫根參考值。測定地點(diǎn)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(qū)。

1.2 地理指標(biāo)地理指標(biāo)主要選取海拔高度(X1)、年日照時數(shù)(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(xiàng)指標(biāo)，均來源于國家測繪局?jǐn)?shù)據(jù)中心提供的共享資料及有關(guān)地理著作和詞典[8-9]。

1.3 相關(guān)分析依據(jù)相關(guān)分析的原理和方法，利用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件[10]對女性實(shí)際碳酸氫根參考值與X1、X2、X3、X4、X5及X66項(xiàng)地理指標(biāo)做相關(guān)分析，得到相關(guān)系數(shù)(r)值和可信度P值。

1.4 ANNs的構(gòu)建ANNs通過輸入層、隱含層和輸出層，依靠系統(tǒng)的復(fù)雜程度，調(diào)整內(nèi)部大量節(jié)點(diǎn)之間相互連接的關(guān)系，從而達(dá)到處理信息，研究變量間的非線性關(guān)系的目的，在預(yù)測功能上要優(yōu)于傳統(tǒng)的統(tǒng)計分析的方法。本研究選用5層逆向傳播(back propagation,BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行模擬，步驟分訓(xùn)練和應(yīng)用兩部分，前者從訓(xùn)練數(shù)據(jù)中獲取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的各項(xiàng)權(quán)重參數(shù)，建立模型；后者運(yùn)用訓(xùn)練模型，對新輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬預(yù)測，計算軟件為MATLAB。過程為：將6項(xiàng)地理指標(biāo)(X1、X2、X3、X4、X5、X6)作為輸入層的6個神經(jīng)元。隱含層共3層，每層設(shè)置12個神經(jīng)元，為Y1,1、Y2,1、Y3,1、…Y3,12。輸出層有1個神經(jīng)元Y，為女性實(shí)際碳酸氫根參考值。其中輸入層的6個神經(jīng)元至隱含層第一層logsig函數(shù)激活，其他隱含層和輸出層用pureline函數(shù)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(jīng)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(jīng)元接受到的信號，Xi為輸入，ωi,j為輸入層第i個神經(jīng)元和第一隱含層第j個神經(jīng)元之間的連接權(quán)重。logsig(Xi)為logsig函數(shù)，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(shù)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(jīng)元和前一層神經(jīng)元之間的連接權(quán)重，netj-1(Ki)為前一層第Ki個神經(jīng)元的輸入。

1.5 模擬值與實(shí)測值t檢驗(yàn)為檢測BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬值與實(shí)測值之間的差異有無統(tǒng)計學(xué)意義，本研究運(yùn)用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件對模擬值與實(shí)測值進(jìn)行成對樣本t檢驗(yàn)。

1.6 女性實(shí)際碳酸氫根參考值分布圖空間插值是通過已知點(diǎn)的數(shù)據(jù)推求同一區(qū)域其他未知點(diǎn)的數(shù)據(jù)的計算方法，常用于將離散點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為連續(xù)的數(shù)據(jù)曲面，以便與其他空間現(xiàn)象的分布模式進(jìn)行比較?？臻g插值的理論假設(shè)是空間位置上越靠近的點(diǎn)，越可能具有相似的特征值；而距離越遠(yuǎn)的點(diǎn)，其特征相似的可能性越小。女性實(shí)際碳酸氫根參考值的空間分布與地理因素存在著很強(qiáng)的相關(guān)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(shí)際碳酸氫根參考值分布圖。

2 結(jié) 果

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

表1 女性標(biāo)準(zhǔn)碳酸氫根參考值與地理因素的相關(guān)關(guān)系

6項(xiàng)地理指標(biāo)的P值均小于0.05，與女性實(shí)際碳酸氫根參考值的關(guān)系顯著。從相關(guān)系數(shù)看，海拔高度是影響實(shí)際碳酸氫根參考值的主要因素。女性實(shí)際碳酸氫根參考值隨著氣溫年較差、年日照時數(shù)、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(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬與結(jié)果檢驗(yàn)運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，以3 000次為訓(xùn)練次數(shù)，獲取各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重，構(gòu)建女性實(shí)際碳酸氫根參考值與地理指標(biāo)復(fù)雜非線性模型。將全國4 383個點(diǎn)的6項(xiàng)地理指標(biāo)作為神經(jīng)元輸入，最后模擬出結(jié)果，其標(biāo)準(zhǔn)差s=2.031 4，代表剩余標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值[12]。圖1是女性實(shí)際碳酸氫根參考值模擬值和實(shí)測值對比圖。將模擬值與實(shí)測值進(jìn)行成對的樣本t檢驗(yàn)，其結(jié)果為t=0.5241，所對應(yīng)的雙側(cè)概率P=0.532>0.05。說明女性標(biāo)準(zhǔn)碳酸氫根實(shí)測值與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模擬值之間的差異無統(tǒng)計學(xué)意義，該模型較為準(zhǔn)確。

2.4 繪制女性實(shí)際碳酸氫根參考值分布圖將4 383個市縣的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)果運(yùn)用ArcGIS9.2進(jìn)行克里金(Kriging)插值，繪制出女性實(shí)際碳酸氫根參考值分布圖(圖2)。由圖2可知 女性標(biāo)準(zhǔn)碳酸氫根參考值的空間分布規(guī)律?；叶戎翟叫〈韺?shí)際碳酸氫根參考值越低，灰度值越大代表實(shí)際碳酸氫根參考值較大，位于同一色系區(qū)域的實(shí)際碳酸氫根參考值相等，灰度值變化越快的區(qū)域表示實(shí)際碳酸氫根參考值變化較大，反之變化較小。青藏高原地區(qū)灰度值較小，變化明顯，大于中部和東部地區(qū)，實(shí)際碳酸參考值較小，為19.63～24.64 mmol·L-1，如青海格爾木地區(qū)參考值為(23.350 0±2.031 4) mmol·L-1，西藏拉薩地區(qū)參考值為(21.380 0±2.031 4) mmol·L-1。中部地區(qū)灰度值居中，變化較緩，實(shí)際碳酸參考值較大，為24.64～27.38 mmol·L-1，如陜西西安地區(qū) 的參考值為(25.310 0±2.031 4)mmol·L-1，山西太原地區(qū)為(26.720 0±2.031 4) mmol·L-1。東部地區(qū)為冷色調(diào)(藍(lán)色)，灰度值大，色彩變化較緩，實(shí)際碳酸參考值較大，為27.38～29.02 mmol·L-1。如上海地區(qū)的參考值為(28.710 0±2.031 4) mmol·L-1，遼寧大連地區(qū)的參考值為(28.680 0±2.031 4) mmol·L-1。

圖1 女性實(shí)際碳酸氫根模擬值和實(shí)測值對比

圖2 中國女性實(shí)際碳酸氫根參考值分布圖

中國女性實(shí)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(huán)境下，組織無氧呼吸增強(qiáng)，產(chǎn)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(yīng)(HVR)刺激呼吸中樞神經(jīng)，使呼吸增強(qiáng)，促使血液中的碳酸氫根通過主動運(yùn)輸?shù)姆绞诫S尿液排出體外，碳酸氫根含量減少。表1中女性實(shí)際碳酸參考值與海拔高度的單相關(guān)系數(shù)r=-0.58，也說明了該問題。

3 討 論

地理環(huán)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(huán)境與人類的生產(chǎn)和生活密切相關(guān)，直接影響著人類的衣食住行。人的機(jī)體與地理環(huán)境處在一個矛盾統(tǒng)一的過程中:生命有機(jī)體一方面不斷地從地理環(huán)境中攝取營養(yǎng)物質(zhì)，同時也向地理環(huán)境排泄廢物，在進(jìn)行這種新陳代謝的物質(zhì)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(huán)境物質(zhì)交換的動態(tài)平衡。因此，實(shí)際碳酸氫根作為檢驗(yàn)人體血?dú)獾闹匾笜?biāo)，必定和地理環(huán)境之間有密切的聯(lián)系，呈現(xiàn)出依賴關(guān)系。由于地理位置不同，地表的組成物質(zhì)和形態(tài)不同，水、熱條件不同，女性實(shí)際碳酸氫根參考值也就不同。地理環(huán)境通過物質(zhì)、能量、信息的交換流動作用于人體血液，通過復(fù)雜的非線性方式影響實(shí)際碳酸氫根參考值。龍向潔等[5]用相關(guān)分析和多元回歸分析的方法研究二者的關(guān)系，通過線性的方式反映實(shí)際碳酸氫根參考值與地理環(huán)境的關(guān)系，但難以說明兩者間的復(fù)雜非線性關(guān)系。同時，由于反映地理環(huán)境的各地理要素之間具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性，從而影響多元回歸分析模型的精確性。因此，對地理環(huán)境與實(shí)際碳酸氫根參考值的復(fù)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(fù)雜非線性關(guān)系。楊青生等[6]運(yùn)用ANNs對老年男性血沉參考值與地理環(huán)境關(guān)系進(jìn)行研究，為醫(yī)學(xué)正常參考值的地理分布規(guī)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(shù)、年平均氣溫、年平均相對濕度、年降水量、氣溫年較差6項(xiàng)地理指標(biāo)，則可用建立好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來估算出該地區(qū)的女性實(shí)際碳酸氫根參考值。例如西安地區(qū)的海拔高度、年日照時數(shù)、年平均氣溫、年平均相對濕度、年降水量、氣溫年較差6項(xiàng)地理指標(biāo)分別為：397.5 m、1 646.1 h、13.70℃、70%、553 mm和26.7℃，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型就可計算該地區(qū)女性實(shí)際碳酸氫根參考值為(25.310 0±2.031 4) mmol·L-1。

應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將中國4 383個市縣的6項(xiàng)地理指標(biāo)代入模型訓(xùn)練，得到女性實(shí)際碳酸氫根參考值的預(yù)測值。運(yùn)用ArcGIS9.2進(jìn)行空間插值繪制出中國女性實(shí)際碳酸氫根參考值分布圖，由圖可知女性標(biāo)準(zhǔn)碳酸氫根參考值的空間分布規(guī)律和宏觀地估算中國女性實(shí)際碳酸氫根參考值，為該區(qū)域的臨床診斷提供科學(xué)依據(jù)。

ANNs與過去的相關(guān)分析、多元回歸模型、因子分析等線性模型相比，更能反映實(shí)際碳酸氫根參考值與地理因素之間復(fù)雜的非線性關(guān)系。此外，基于ANNs不需要人為地定義模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，在預(yù)測不同地區(qū)女性實(shí)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(guān)分析、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、GIS分析方法，揭示出女性實(shí)際碳酸氫根參考值與地理環(huán)境的相互關(guān)系和分布規(guī)律，為臨床診斷提供科學(xué)依據(jù)，豐富了醫(yī)學(xué)地理學(xué)的研究內(nèi)容。

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