基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法預(yù)測(cè)生物活性介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控矽肺纖維化的研究

1、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的要領(lǐng)猜測(cè)生物活性介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控矽肺纖維化的研究杜海艦高宏生伍瑞昌王運(yùn)斗【摘要】目的：探究矽肺纖維化同生物活性介質(zhì)之間的干系。要領(lǐng)：使用Delphi語言體例了BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模子盤算機(jī)步伐，創(chuàng)立并闡發(fā)了矽肺膠原纖維猜測(cè)的數(shù)學(xué)模子。結(jié)果：選定網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)為9，初始權(quán)值閾值約為(-0.2,0.2)，最大相對(duì)偏向?yàn)?%，最小相對(duì)偏向?yàn)?.2%。結(jié)論：應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較好的猜測(cè)結(jié)果，可為臨床醫(yī)學(xué)研究提供一個(gè)很好的研究思緒。【關(guān)鍵詞】BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；生物活性介質(zhì)；矽肺；膠原纖維；猜測(cè)矽肺是塵肺中最嚴(yán)峻的一種范例，是由于恒久吸入凌駕必然濃度的含有游離二氧化硅的粉塵，肺內(nèi)產(chǎn)生普及的結(jié)節(jié)性纖維化。矽

2、肺纖維化的猜測(cè)困難，診斷滯后。如今，矽肺的發(fā)病機(jī)理仍舊不完全明晰，尚無有用的早期診斷篩檢要領(lǐng)，也無早期診斷的特異性指標(biāo)和特異性的治療藥物和要領(lǐng)。一經(jīng)傳統(tǒng)的后前位胸大片確診，肺部病變已經(jīng)無法逆轉(zhuǎn)。因此，探求早期診斷(篩檢)特異性的生物介質(zhì)組合，對(duì)防范、治療以致終極消除矽肺具有緊張意義。矽肺的發(fā)病與細(xì)胞因子ytkine,K網(wǎng)絡(luò)調(diào)控有嚴(yán)密接洽，高宏生等用體系生物學(xué)的要領(lǐng)論證了細(xì)胞因子對(duì)矽肺纖維化的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控干系1，2，論證了細(xì)胞因子龐大非線性致炎致纖維化的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控假說。王世鑫等用鑒別方程的要領(lǐng)，通過診斷肺纖維化準(zhǔn)確率。矽肺纖維化與差異活性介質(zhì)、基因表達(dá)等多種因素嚴(yán)密相干3，因此估計(jì)是一個(gè)多目的決議題目

3、。傳統(tǒng)的猜測(cè)要領(lǐng)是用多元線性回返來舉行猜測(cè)，統(tǒng)計(jì)者費(fèi)盡心機(jī)的想尋出決議目的和各因素之間尋出一個(gè)線性的公式干系，試圖想用一個(gè)嚴(yán)酷的數(shù)學(xué)模子公式表達(dá)出相應(yīng)的干系?，F(xiàn)實(shí)上，具有精良的非線性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以猜測(cè)矽肺纖維化結(jié)果。本研究圖基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的要領(lǐng)猜測(cè)生物活性介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控的矽肺纖維化。1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的根本理論人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于對(duì)人腦構(gòu)造布局、運(yùn)動(dòng)機(jī)制的開端熟悉提出的一種新型信息處置懲罰體系。通過模擬腦神經(jīng)體系的構(gòu)造布局以及某些運(yùn)動(dòng)機(jī)理，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可出現(xiàn)出人腦的很多特性，并具有人腦的一些根本成效。從本質(zhì)上講，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種大范圍并行的非線性動(dòng)力體系。它具有很多引人注目的特點(diǎn)：大范圍的龐大體系，有大量

4、可供調(diào)治的參數(shù)；高度并行的處置懲罰機(jī)制，具有高速運(yùn)算的本領(lǐng)；高度冗余的構(gòu)造方法等。在猜測(cè)范疇中應(yīng)用最普及的照舊BP網(wǎng)絡(luò)。BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法是一種偏向反向流傳式網(wǎng)絡(luò)權(quán)值練習(xí)要領(lǐng)。本色就象最小二乘法一樣，BP算法是在樣本空間中耦合如許一個(gè)曲面，縱然全部的樣本點(diǎn)均在這個(gè)曲面上，假設(shè)如許的曲面不存在，就尋到離樣本點(diǎn)的間隔之和最小的曲面作為近似解。BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)歷程包羅：正向流傳和反向流傳。當(dāng)正向流傳時(shí)，輸入信息從輸入層經(jīng)隱單位處置懲罰，后傳向輸出層，每一層神經(jīng)元的狀態(tài)只影響下一層的神經(jīng)元的狀態(tài)。假設(shè)在輸出層得不到盼望的輸出，那么轉(zhuǎn)入反向流傳，將偏向信號(hào)沿本來的神經(jīng)毗連通路返回。返回歷程中，逐一修改各層

5、神經(jīng)元毗連的權(quán)值。這種歷程不竭迭代，末了使得信號(hào)偏向到達(dá)容許的偏向范疇之內(nèi)。如圖1所示為3層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)布局圖。輸入層隱含層輸出層圖1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)布局設(shè)3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入向量為X=(x1,x2,xn)T；隱層輸出向量為Y=(y1,y2,y)T，輸出層向量為=(1,2,l)T，盼望輸出向量為d=(d1,d2,dl)T。f(x)=11+e-x,BP學(xué)習(xí)算法權(quán)值調(diào)解盤算公式為：jk=(dk-k)k(1-k)yj0k=(dk-k)k(1-k)(0,1)2應(yīng)用實(shí)例2.1矽肺猜測(cè)的影響因素大量研究表白，肺泡巨噬細(xì)胞和肺泡上皮細(xì)胞在肺構(gòu)造炎癥反響及纖維化病變的啟動(dòng)、生長(zhǎng)歷程中起到最為關(guān)鍵的作用，重要是通過排泄細(xì)

6、胞因子、炎性介質(zhì)等生物活性物質(zhì)，發(fā)揮直接或間接的生物學(xué)作用。這些K包羅：白介素interleukin，IL、腫瘤壞死因子turnersisfatr，TNF、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子transfringgrthfatr，TGF等。按照排泄細(xì)胞因子差異將Th細(xì)胞分為Th1和Th2兩種范例。Th1重要排泄白介素-2interleukin-2，IL-2、白介素-12interleukin-12，IL-12、白介素-18interleukin-18，IL-18、滋擾素-Interfern-，IFN-等，重要介導(dǎo)細(xì)胞免疫應(yīng)答,與炎癥有關(guān)，具有抗纖維化作用,可按捺成纖維細(xì)胞的增殖及纖維的天生。Th2重要排泄白介素-4i

7、nterleukin-4，IL-4、白介素-5interleukin-5，IL-5、白介素-10interleukin-10，IL-10、白介素-13interleukin-13，IL-13、單核細(xì)胞趨化卵白-1nyteheattratantprtEin-1，P-1等，而Th2重要介導(dǎo)體液免疫反響，可促進(jìn)成纖維細(xì)胞的增生,導(dǎo)致膠原卵白合成增長(zhǎng),并按捺膠原卵白的落解,終極導(dǎo)致細(xì)胞外的基質(zhì)卵白沉積和纖維天生。Th1型和Th2型免疫應(yīng)答之間存在著交互的負(fù)反響作用,維持著正常的免疫平衡。其負(fù)反響調(diào)治通常就是靠產(chǎn)生的細(xì)胞因子起作用的,即一型K可以下調(diào)另一型K的成效。Th1/Th2型K失衡可導(dǎo)致機(jī)體對(duì)損傷

8、的非常反響?？傊?，矽肺病人存在K網(wǎng)絡(luò)的平衡紊亂，其錯(cuò)綜龐大的調(diào)控機(jī)制大概到場(chǎng)矽肺的產(chǎn)生和生長(zhǎng)69，如圖2所示。圖2細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)調(diào)控圖2.2矽肺猜測(cè)的BP網(wǎng)絡(luò)模子的方案本研究運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模子要領(lǐng)，對(duì)矽肺猜測(cè)舉行方案，得出其猜測(cè)模子。矽肺纖維化輸入層簡(jiǎn)直定：按照eta闡發(fā)和微分方程網(wǎng)絡(luò)模子確定生物活性介質(zhì)為輸入層。對(duì)付矽肺猜測(cè),應(yīng)當(dāng)根據(jù)其關(guān)鍵要向來確定輸入層各因素，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模子中,輸入層可以選定白介素interleukin，IL、腫瘤壞死因子turnersisfatr，TNF、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子transfringgrthfatr，TGF等。按照排泄細(xì)胞因子差異將Th細(xì)胞分為Th1和Th2兩種范例。

9、Th1重要排泄白介素-2interleukin-2，IL-2、白介素-12interleukin-12，IL-12、白介素-18interleukin-18，IL-18、滋擾素-Interfern-，IFN-作為輸入層,輸入單位數(shù)為8，隱含層節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)直定參考下面單位盤算公式：=n+a此中為隱層單位數(shù)，n為輸著迷經(jīng)元個(gè)數(shù)，為輸入迷經(jīng)元個(gè)數(shù)，a為110之間的常數(shù)。本研究中，隱層單位數(shù)盤算如下：8+2+18+2+10即：4.3313.33按照的盤算值，由小到大改背叛點(diǎn)數(shù)練習(xí)并查驗(yàn)其精度，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)的增長(zhǎng)偏向不進(jìn)一步減小時(shí)，其臨界值即為應(yīng)接納的值。末了，顛末網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)實(shí)練習(xí)結(jié)果比力，選定網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)為9，

10、此時(shí)網(wǎng)絡(luò)能較快地收斂至所要求的精度。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模子中,初始權(quán)值拔取對(duì)付輸出結(jié)果是否最靠近現(xiàn)實(shí),及是否可以或許收斂、學(xué)習(xí)時(shí)間的是非等干系很大。初始權(quán)值太大,使得加權(quán)之后的輸入和N落在了網(wǎng)絡(luò)模子的s型激活函數(shù)的飽和期中,從而會(huì)導(dǎo)致()非常小,而由于當(dāng)()0時(shí),那么有0,使得ji0,終極使得調(diào)治歷程沒有什么結(jié)果。以是權(quán)值及閾值的初始值應(yīng)選為勻稱漫衍的小數(shù)履歷值,約為(-2.4/F,2.4/F)之間,此中F為所連單位的輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)。本模子輸入端節(jié)點(diǎn)數(shù)為11,以是初始值約為(-0.2,0.2),可隨機(jī)拔取4。對(duì)矽肺猜測(cè)之前,應(yīng)先按照影響矽肺猜測(cè)的因素舉行綜合猜測(cè)。在現(xiàn)實(shí)操縱時(shí),還應(yīng)結(jié)合履歷值。假設(shè)Sig

11、id函數(shù)拔取阻擋稱函數(shù)雙曲正切函數(shù),綜合評(píng)估指標(biāo)的目的值D的范疇也應(yīng)在-1,1之間,也便是綜合指標(biāo)的無量綱數(shù)值在0,1之間。通常輸出單位的局部梯度比輸入端的大,以是輸出單位的學(xué)習(xí)的步長(zhǎng)應(yīng)比輸入單位小一些5。通過以上闡發(fā)可得網(wǎng)絡(luò)模子布局如圖3。使用Delphi語言體例了BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模子盤算機(jī)步伐舉行練習(xí)集樣本練習(xí)，練習(xí)輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)為8，表1為矽肺猜測(cè)輸入練習(xí)樣本和檢測(cè)樣本，當(dāng)偏向給定E0.00005,學(xué)習(xí)步長(zhǎng)為0.1，經(jīng)200次練習(xí)，網(wǎng)絡(luò)精度到達(dá)要求，如表2和圖4所示。表1矽肺猜測(cè)輸入練習(xí)樣本和檢測(cè)樣本表2練習(xí)樣本練習(xí)次數(shù)網(wǎng)絡(luò)偏向樣本經(jīng)200次練習(xí)后，網(wǎng)絡(luò)偏向滿意精度要求，隱含單位到各輸入單位

12、的權(quán)值和閾值及輸出單位到各隱含單位的權(quán)值和閾值調(diào)解為表3和表4所示。由于矽肺猜測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模子經(jīng)練習(xí)后，網(wǎng)絡(luò)精度已經(jīng)到達(dá)要求，可以用查驗(yàn)樣本檢測(cè)猜測(cè)結(jié)果，如表5所示。從猜測(cè)結(jié)果看，最大相對(duì)偏向?yàn)?.0%，最小相對(duì)偏向?yàn)?.2%，猜測(cè)結(jié)果非常顯著，該網(wǎng)絡(luò)的查驗(yàn)性能不變，可以很好的對(duì)矽肺舉行猜測(cè)。表3隱含單位到各輸入單位的權(quán)值和閾值表4輸出單位到各隱含單位的權(quán)值和閾值表5查驗(yàn)樣本及矽肺猜測(cè)結(jié)果3討論本研究通過接納神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的要領(lǐng)，探究矽肺纖維化同生物活性介質(zhì)之間的干系，并創(chuàng)立了矽肺纖維化的影響因素和型膠原、型膠原的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從猜測(cè)結(jié)果看，可以或許較正確的猜測(cè)矽肺纖維化。但還應(yīng)當(dāng)看到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到猜測(cè)另有很多不盡快意的題目，重