基于粒子群優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的脈象識別方法

張開生+黃謙

摘 要： 針對傳統(tǒng)脈診存在易受主觀因素影響、診斷結(jié)果可靠性不高等問題，提出基于粒子群優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的脈象識別方法。粒子群算法中評判粒子好壞的適應(yīng)度函數(shù)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出誤差，以此獲得最優(yōu)粒子的位置向量，并把其值作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值。在Matlab中建立基于BP算法、PSO?BP算法和GA?BP算法的三種ANN模型用于脈象信號的識別。實驗結(jié)果表明，在識別脈象時，優(yōu)化后的算法降低了傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出誤差，提高了識別精度，PSO?BP算法明顯改善了傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化能力。

關(guān)鍵詞： 脈象識別； 粒子群算法； 輸出誤差； 誤差反向傳播算法； 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)； 泛化能力

中圖分類號： TN711?34； TP391 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）03?0096?05

Abstract： Since the traditional pulse diagnosis is easily affected by subjective factors， and its result has low reliability， a pulse recognition method based on PSO?BP neural network is put forward. The fitness function judging the particles in PSO algorithm adopts the neural network to output the error， so as to obtain the position vector of the optimal particle. The value of the position vector is taken as the initial weight and threshold of the BP neural network. The ANN model based on BP algorithm， PSO?BP algorithm and GA?BP algorithm was established in Matlab to recognize the pulse signal. The experimental results show that the optimized algorithm can reduce the output error of the traditional BP neural network and improve the recognition accuracy for pulse recognition. The PSO?BP algorithm can improve the generalization ability of the traditional BP neural network significantly.

Keywords： pulse recognition； particle swarm optimization； output error； error BP algorithm； neural network； generalization ability

0 引 言

脈診是中醫(yī)看病時主要的四種診斷方法之一，具有重要的臨床價值，其診斷過程就是根據(jù)不同脈搏信號中包含的信息判斷人體的健康狀況。傳統(tǒng)脈診是醫(yī)生根據(jù)自己的經(jīng)驗對病情作出診斷，這種方式極易受到醫(yī)生個人情況等主觀因素的影響，對于同一個病人，不同醫(yī)生的診斷結(jié)果可能會有所差異。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展，傳統(tǒng)的中醫(yī)脈診開始慢慢受到人們的質(zhì)疑，脈診的客觀化研究對于中醫(yī)的發(fā)展具有重大意義[1]。

針對以上問題，很多學(xué)者對脈搏信號的采集、處理、分析分別進行了研究，并取得了一定的成果[2?4]，其中有不少將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于脈象的識別[5]。然而傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)常用的學(xué)習(xí)方法是梯度下降法，在整個學(xué)習(xí)過程中，只是根據(jù)樣本調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的初始連接權(quán)值，以減小輸出誤差，初始值的設(shè)置是否合適，將直接影響到整個算法的性能，存在容易陷入局部最優(yōu)解、穩(wěn)定性不好、泛化能力較差的問題[6?7]。本文提出基于PSO?BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的脈象識別方法，先計算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出誤差，然后以此尋找PSO算法中適應(yīng)度值最小的粒子，得出該粒子的位置矢量，設(shè)置為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最初的權(quán)值和閾值達到優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目的，降低輸出誤差，使脈象識別結(jié)果更具可靠性。

1 脈象信號的采集與特征提取

在本文中，需要先采集脈象信號并進行處理，提取特征向量構(gòu)成建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型所需的訓(xùn)練樣本集和測試樣本集。目前，采集脈象信號時常用的便攜式傳感器主要包括兩種類型，即壓電式與光電容積式；脈象信號的處理方式可采用傅里葉變換或者對其進行小波變換。考慮到壓電式傳感器采集的脈象波形比光電容積式采集的脈象波形信息更準確和全面，而與傅里葉變換相比較，小波變換的時頻特性使其能夠保留更多的細節(jié)信息，因此，本文采用壓電式脈搏傳感器采集脈象信號，并用小波變換處理脈象信號。

1.1 脈象信號的采集與預(yù)處理

脈象信號采集裝置的硬件結(jié)構(gòu)包括脈搏傳感器、微處理器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、串口通信模塊以及上位機等，各部分之間的連接關(guān)系如圖1所示。

采用脈象信號采集裝置在中醫(yī)門診進行臨床采集，通過微處理器將脈搏傳感器采集到的信號通過串口通信的方式送入到上位機中。設(shè)置采樣頻率為128 Hz，每次采樣時間為15 s，得到如圖2所示數(shù)據(jù)長度為1 920的脈搏波形。

在采集信號的過程中，由于人體的呼吸等活動、采集裝置的影響以及外界環(huán)境的其他干擾會產(chǎn)生噪聲信號疊加在脈象信號上，所以要預(yù)處理采集到的脈象信號，這個過程包括去除高頻噪聲和低頻干擾引起的基線漂移。因為硬件濾波方便直接，具有很好的時效性，所以本文采用簡單的RC低通濾波電路濾除信號中的高頻噪聲。去除基線漂移最常用的方法就是小波變換，本文利用Matlab中小波工具箱選擇“Sym8”小波將脈象信號分解成8個不同頻率的部分，將第8層低頻部分的系數(shù)設(shè)置為零，其他尺度系數(shù)保持不變，重構(gòu)信號為去除基線漂移的脈象信號，如圖3所示。endprint

1.2 特征向量的提取

對脈象信號進行小波變換可以抽取信號中不同頻率段的信息，在不同尺度上對各脈搏波進行分解，然后計算各個尺度上重構(gòu)脈搏波的能量?？梢缘贸?，在各個頻率段上，類別不同的脈象能量值具有顯著差異。分別計算出各頻率段信號的能量之和，然后按一定順序排列，可以得到用于識別脈象信號的特征向量[8]。能量值定義如下：設(shè)表示脈象信號在第尺度上重構(gòu)波形第點對應(yīng)的能量值，則表示小波分解后第尺度上重構(gòu)波形的能量和。其中，是脈象信號經(jīng)小波變換后第層重構(gòu)波形的第個點的幅值[9]。

脈象信號有效成分的頻率分布區(qū)間一般主要為[0，20] Hz，最高的頻率一般不會超過40 Hz。分別計算脈象信號經(jīng)八層分解后各層的高頻段重構(gòu)信號的能量之和，然后按照一定順序排列便可作為識別脈象的特征向量。采集一例脈象信號進行預(yù)處理并重構(gòu)其小波分解后各層的高頻段可得到如圖4所示的波形。圖中cd8，cd7，cd6，cd5，cd4，cd3，cd2，cd1為對應(yīng)各層的高頻信號，頻率范圍分別為[32，64] Hz，[16，32] Hz，[8，16] Hz，[4，8] Hz，[2，4] Hz，[1，2] Hz，[0.5，1] Hz，[0.25，0.5] Hz。

依照上文中能量的定義分別計算脈象信號各頻段的總能量得到特征向量，如下：

2 脈象識別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network，ANN）在實際中應(yīng)用最為普遍的一種，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包含有輸入層、輸出層和若干隱層。BP算法是一種監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，在學(xué)習(xí)過程中通過給定的輸入樣本和輸出樣本，根據(jù)誤差不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)各層間的連接權(quán)值對網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練[10]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程包括輸入數(shù)據(jù)的正向傳播和誤差的反向傳播。在正向傳播過程中，從第一層神經(jīng)元開始向后逐層計算各層神經(jīng)元的輸入數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果，并計算最后一層輸出神經(jīng)元的誤差；在反向傳播過程中，根據(jù)誤差從最后一層向前反向逐層修改各隱層的連接權(quán)值，將訓(xùn)練過程進行反復(fù)迭代，直到誤差達到目標范圍之內(nèi)[11]。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)較好的自學(xué)習(xí)能力和非線性性能使其在很多實際問題中可以得到良好的應(yīng)用效果，但其訓(xùn)練算法一般采用梯度下降法，初始參數(shù)的選定會影響網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中收斂的方向，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果可能是局部最優(yōu)解而造成輸出結(jié)果不穩(wěn)定或者誤差較大。采用粒子群算法對BP算法進行優(yōu)化可以有效解決BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢、容易陷入局部最優(yōu)解的問題[12]。

2.2 PSO?BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

粒子群優(yōu)化算法（Particle Swarm Optimization， PSO）是一種智能優(yōu)化算法[13]，在定義好合適的函數(shù)后，可以計算群體中每個粒子的適應(yīng)度值，然后根據(jù)適應(yīng)度值的好壞來判斷粒子性能的優(yōu)劣[14]。隨機的初始粒子群根據(jù)個體極值和全局極值改變自身參數(shù)尋求最優(yōu)值，在每一次迭代過程中，粒子更新自身速度與位置的公式分別如下[15]：

式中表示個體極值；表示全局極值；表示粒子的速度；表示粒子的位置；為慣性權(quán)重；為當前迭代次數(shù)；和為學(xué)習(xí)因子；和為分布于的隨機數(shù)。

在PSO算法優(yōu)化BP算法時，用粒子群中最優(yōu)粒子位置向量中的數(shù)值按順序作為BP網(wǎng)絡(luò)中的每個權(quán)值和閾值的初始值，每個粒子的維數(shù)可根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)計算得到。將給定訓(xùn)練樣本集的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各輸出神經(jīng)元的均方誤差作為粒子群的適應(yīng)函數(shù)，根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)計算每個粒子的適應(yīng)度值，其值越小說明網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果的誤差越小，也表示相應(yīng)粒子的性能越好。粒子位置不斷更新使得網(wǎng)絡(luò)輸出層誤差逐步變小，每一次迭代中使得誤差最小的粒子作為當前最優(yōu)粒子。

算法流程圖如圖5所示，其步驟可總結(jié)如下：

1） 輸入訓(xùn)練樣本和測試樣本，對數(shù)據(jù)進行歸一化處理，確定BP網(wǎng)絡(luò)每層神經(jīng)元的個數(shù)；

2） 確定BP網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)，確定PSO的相關(guān)參數(shù)；

3） 隨機產(chǎn)生初始粒子位置和速度；

4） 訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，計算輸出誤差，即粒子的適應(yīng)度值；

5） 得到個體極值和全局極值；

6） 更新每個微粒的速度和位置；

7） 判斷是否符合PSO停止迭代的條件，如果符合，停止迭代，保存結(jié)果，進行步驟8），否則轉(zhuǎn)到步驟4）；

8） 將得到的全局最優(yōu)值作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值；

9） 用BP算法訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直到輸出結(jié)果的誤差達到設(shè)定的目標范圍之內(nèi)；

10） 用測試樣本進行仿真，得到輸出結(jié)果。

在以上10個步驟中，步驟2）根據(jù)BP網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)確定PSO的相關(guān)參數(shù)，步驟4）將前者輸出結(jié)果的誤差作為后者的適應(yīng)度值，而步驟8）將粒子群算法得到的最優(yōu)解設(shè)置為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始訓(xùn)練參數(shù)，這三個步驟作為兩種算法的結(jié)合點，使得模型可以具備兩種算法的優(yōu)點，既有較好的全局搜索能力，也有較好的局部搜索能力，提高了其泛化能力。

2.3 基于PSO?BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的脈象識別模型

在本文中，脈象識別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選擇只有一個隱含層的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將小波變換得到的8個能量值作為輸入樣本，因此，網(wǎng)絡(luò)的輸入層具有8個神經(jīng)元；根據(jù)經(jīng)驗公式和實驗誤差對比，設(shè)置隱層為10個神經(jīng)元；由于本文研究了9種脈象，輸出神經(jīng)元表示9種不同的結(jié)果，所以輸出層設(shè)置為4個神經(jīng)元，這9種脈象訓(xùn)練的期望輸出向量為，如表1所示。

采用PSO算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法時，粒子的維數(shù)取決于網(wǎng)絡(luò)各層的權(quán)值和閾值個數(shù)之和。因BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為8?10?4型，所以粒子維數(shù)為134。根據(jù)經(jīng)驗試湊和實驗對比，設(shè)置粒子規(guī)模為30，最大迭代次數(shù)為100次，慣性權(quán)重為0.5，加速度因子和均為1.5，位置限制區(qū)間為[-5，5]，速度限制區(qū)間為[-1，1]。采用可識別脈象的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型輸出端誤差作為粒子群的適應(yīng)度函數(shù)，并用Matlab仿真軟件畫出適應(yīng)度值的變化曲線，如圖6 所示。隨著迭代次數(shù)的不斷增加，函數(shù)值越來越小，與之相反，個體的適應(yīng)度會越來越高。endprint

3 實驗仿真及結(jié)果分析

本文中仿真實驗基于Matlab軟件，分別建立基于BP算法、GA?BP算法和PSO?BP算法的ANN模型對脈象信號進行識別，從9種脈象中各取20組數(shù)據(jù)構(gòu)成180組訓(xùn)練樣本集，用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)對三種模型進行同樣的訓(xùn)練，為了檢驗三種網(wǎng)絡(luò)模型的性能，選取18組與建模數(shù)據(jù)無關(guān)系的數(shù)據(jù)對其進行驗證，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、GA?BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PSO?BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果以及期望輸出的對比如圖7所示，誤差對比如圖8所示，三種模型的訓(xùn)練誤差曲線如圖9所示。

根據(jù)圖7，對比三種不同網(wǎng)絡(luò)模型的實際輸出結(jié)果與實驗期望輸出值可知，三種模型的實際輸出值與期望輸出值基本相符，均能實現(xiàn)18例脈象樣本的正確識別，其中基于PSO?BP算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實際輸出結(jié)果較BP算法和GA?BP算法的模型輸出結(jié)果更接近樣本值。

根據(jù)圖8可以得出，基于三種不同算法的ANN模型輸出誤差有很大區(qū)別：BP網(wǎng)絡(luò)模型的誤差均小于0.12，GA?BP網(wǎng)絡(luò)模型的誤差均小于0.04，PSO?BP網(wǎng)絡(luò)模型的誤差均小于0.02；BP網(wǎng)絡(luò)模型誤差變化幅度較大，另兩種網(wǎng)絡(luò)模型誤差變化相對較為平穩(wěn)，而且基于PSO?BP算法的ANN模型比基于GA?BP算法的ANN模型更穩(wěn)定。計算BP網(wǎng)絡(luò)模型的均方誤差為0.001 3，GA?BP網(wǎng)絡(luò)模型的均方誤差為0.000 14，而PSO?BP網(wǎng)絡(luò)模型的均方誤差為0.000 014，具有更高的精確度。

根據(jù)圖9對比三種網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練過程中測試樣本、驗證樣本與訓(xùn)練樣本的誤差曲線可知，PSO?BP網(wǎng)絡(luò)模型的三條誤差曲線變化趨勢比BP網(wǎng)絡(luò)和GA?BP網(wǎng)絡(luò)模型更接近，迭代次數(shù)最少，最終收斂的誤差最小。

綜上分析，把基于PSO?BP算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于脈象識別更為合理，識別結(jié)果更為理想，更加有效地改善了脈象識別模型的泛化能力，可靠性更高。

4 結(jié) 語

本文提出一種基于粒子群優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的脈象識別方法，具體指把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出誤差作為粒子群算法中粒子個體的適應(yīng)度值尋找最優(yōu)值，將全局最優(yōu)值設(shè)置為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最初的權(quán)值和閾值，實現(xiàn)用PSO算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目的，建立了基于PSO?BP算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并將其用于9種人體脈象的識別中。采用小波變換作為脈搏信號的預(yù)處理手段構(gòu)成識別脈象的特征向量，再把其作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入數(shù)據(jù)，使用大量統(tǒng)一數(shù)據(jù)對基于PSO?BP網(wǎng)絡(luò)、BP網(wǎng)絡(luò)和GA?BP網(wǎng)絡(luò)的脈象識別模型進行訓(xùn)練，最后用與建模無關(guān)的數(shù)據(jù)對三種網(wǎng)絡(luò)模型進行檢驗。實驗結(jié)果表明，基于PSO?BP算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型比另外兩種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型泛化能力更好，精確度更高，識別脈象的結(jié)果更具可靠性。

參考文獻

[1] 魏紅，徐剛.從中醫(yī)整體、動態(tài)、平衡觀論脈診客觀化研究[J].中醫(yī)雜志，2014，55（1）：25?27.

WEI Hong， XU Gang. Objective study of pulse diagnosis from the integral， dynamic and balanced view of traditional Chinese medicine [J]. Journal of traditional Chinese medicine， 2014， 55（1）： 25?27.

[2] 焦琪玉，龐春穎.基于DSP的脈象儀的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國醫(yī)療器械雜志，2013，37（2）：112?115.

JIAO Qiyu， PANG Chunying. Design and realization of pulse instrument based on DSP [J]. Chinese journal of medical instrumentation， 2013， 37（2）： 112?115.

[3] 宮樹杰，陳明銳.基于脈象信號處理的肝硬化診斷方法研究[J].計算機應(yīng)用與軟件，2014，31（6）：69?71.

GONG Shujie， CHEN Mingrui. Diagnosis of liver cirrhosis based on pulse signal processing [J]. Computer applications and software， 2014， 31（6）： 69?71.

[4] 燕海霞，王憶勤，郭睿.中醫(yī)常見脈象脈圖特征分析及識別研究[J].中華中醫(yī)藥雜志，2010，25（12）：2295?2298.

YAN Haixia， WANG Yiqin， GUO Rui. Analysis and recognition of common pulse patterns of traditional Chinese medicine [J]. Journal of traditional Chinese medicine and pharmacy， 2010， 25（12）： 2295?2298.

[5] 郭紅霞，師義民.中醫(yī)脈象的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法研究[J].計算機工程與應(yīng)用，2005（32）：187?189.

GUO Hongxia， SHI Yimin. Study on classification method of Chinese pulse by BP neural network [J]. Computer engineering and applications， 2005（32）： 187?189.

[6] 張德慧，張德育，劉清云，等.基于粒子群算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)[J].計算機工程與設(shè)計，2015，36（5）：1321?1326.

ZHANG Dehui， ZHANG Deyu， LIU Qingyun， et al. Optimization of BP neural network based on particle swarm optimization [J]. Computer engineering and design， 2015， 36（5）： 1321?1336.endprint

[7] 張璐，雷雪梅.基于粒子群優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的養(yǎng)腸胃菜譜判定[J].計算機科學(xué)，2016，43（z2）：63?66.

ZHANG Lu， LEI Xuemei. Decision of menu good for stomach based on particle swarm optimization and BP neural network [J]. Computer science， 2016， 43（S2）： 63?66.

[8] 岳沛平，李訓(xùn)銘.基于小波變換的中醫(yī)脈象信號特征提取與分析[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2006，27（1）：23?25.

YUE Peiping， LI Xunming. Feature extraction and analysis of pulse signal based on wavelet transform [J]. Medical and health equipment， 2006， 27（1）： 23?25.

[9] 張坤艷.脈象特征信息的提取與識別方法研究[D].青島：山東科技大學(xué)，2007.

ZHANG Kunyan. Study on extraction and recognition of pulse feature information [D]. Qingdao： Shandong University of Science and Technology， 2007.

[10] ERIC WONG W， YU Qi. BP neural network based effective fault localization [J]. International journal of software engineering and knowledge engineering， 2009， 19（4）： 573?597.

[11] 鐘珞，饒文碧，鄒承明.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其融合應(yīng)用技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

ZHONG Luo， RAO Wenbi， ZOU Chengming. Artificial neural network and its application technology [M]. Beijing： Science Press， 2007.

[12] 張少迪.基于PSO?BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的短期負荷預(yù)測算法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（12）：155?158.

ZHANG Shaodi. Short term load forecasting algorithm based on PSO?BP neural network [J]. Modern electronics technique， 2013， 36（12）： 155?158.

[13] WANG Hongbo， ZHAO Xiaoqi， TU Xuyan， et al. Cooperative velocity updating model based particle swarm optimization [J]. Applied intelligence， 2014， 40（2）： 322?342.

[14] 谷宇，呂曉琪，趙瑛，等.基于PSO?SVM的乳腺腫瘤輔助診斷研究[J].計算機仿真，2015，32（5）：344?349.

GU Yu， L? Xiaoqi， ZHAO Ying， et al. Study on auxiliary diagnosis of breast cancer based on PSO?SVM [J]. Computer simulation， 2015， 32（5）： 344?349.

[15] 王小川，史峰，郁磊，等.Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)43個案例分析[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

WANG Xiaochuan， SHI Feng， YU Lei， et al. 43 cases analysis of Matlab neural network [M]. Beijing： Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press， 2013.endprint