神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在凝血酶原時(shí)間檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究*

鄧俊偉，姚 佳,2，郭 振，周連群，趙鶴鳴△

(1.蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇蘇州215006；2.中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所/中國科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇州215163；3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽合肥 230026)

凝血酶原時(shí)間(PT)是凝血時(shí)間檢測中外源性凝血功能指標(biāo)，多用于抗凝治療的監(jiān)測[1]。近年來，隨著即時(shí)檢驗(yàn)(POCT)系統(tǒng)的快速發(fā)展，PT的快速、準(zhǔn)確、便攜式檢測越來越為醫(yī)學(xué)界所重視[2]，而目前市面上已有的便攜式儀器大多價(jià)格昂貴且檢測精度不高[3-4]，檢測問題主要出現(xiàn)在POCT系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析方法上。簡易、不靈活的數(shù)據(jù)分析方法使傳感器與檢測系統(tǒng)匹配存在問題，導(dǎo)致檢測產(chǎn)生誤差[4]。針對(duì)這種情況，開展便攜式PT快速檢測系統(tǒng)的研究具有實(shí)際應(yīng)用意義和臨床應(yīng)用價(jià)值[5]。本研究設(shè)計(jì)了基于電化學(xué)方法的測量系統(tǒng)，并在數(shù)據(jù)處理時(shí)采用BP算法的數(shù)據(jù)預(yù)測技術(shù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在非線性擬合上的強(qiáng)大功能，大幅度提高了數(shù)據(jù)分析方法的擬合度，展現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在儀表系統(tǒng)中的應(yīng)用前景[6]。但傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在許多問題，本研究在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)一步提升了網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練速度及預(yù)測精度。

1 資料與方法

1.1一般資料 本研究所用血樣均來自蘇州科技城醫(yī)院。檢測數(shù)據(jù)均是在自主研發(fā)系統(tǒng)上檢出后，將結(jié)果與醫(yī)院SYSMEX CS 5100檢測系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比篩選，剔除因意外操作導(dǎo)致變異系數(shù)(CV)大于10%的數(shù)據(jù)。本研究獲得蘇州科技城醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)并接受監(jiān)督。所有受試者均知情同意并簽署知情同意書。

1.2傳感器與檢測系統(tǒng) 本研究所用傳感器、檢測系統(tǒng)均為課題組自主研發(fā)。傳感器是通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備并經(jīng)過驗(yàn)證(在CHI660E電化學(xué)工作站上進(jìn)行檢測后，與SYSMEX CS 5100光學(xué)凝血儀對(duì)比驗(yàn)證)[7]。檢測系統(tǒng)是自主設(shè)計(jì)研制的，本文結(jié)果部分會(huì)交代系統(tǒng)的可行性，下面介紹一下系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。電化學(xué)傳感器極化反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)輸出電流微弱(通常在nA～μA級(jí)別)，在進(jìn)行檢測電路總體設(shè)計(jì)時(shí)，需要保證高增益、低噪聲和低失真等特性[8]，而片式的電化學(xué)生物傳感器等效電路復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)電路板時(shí)，采用4層PCB板設(shè)計(jì)，合理布線，避免電路檢測時(shí)產(chǎn)生自激振蕩[8]。系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)見圖1。系統(tǒng)檢測流程見圖2，具體步驟為：(1)硬件準(zhǔn)備。包括恒電位自檢、模具快速加熱及PID控溫。(2)操作流程監(jiān)測。整個(gè)操作流程將在單片機(jī)的監(jiān)管下進(jìn)行，避免有誤操作、反應(yīng)異常等錯(cuò)誤結(jié)果。(3)數(shù)據(jù)采集。單片機(jī)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)傳輸給電腦軟件，電腦軟件進(jìn)行曲線顯示并保存反應(yīng)數(shù)據(jù)。(4)數(shù)據(jù)處理分析。電腦軟件實(shí)時(shí)管控曲線走勢，當(dāng)滿足條件時(shí)停止檢測系統(tǒng)運(yùn)作。將保存的數(shù)據(jù)放入已訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理，得到測量結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 系統(tǒng)檢測流程圖

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與方法

1.3.1系統(tǒng)重復(fù)性試驗(yàn) 從醫(yī)院選取3位不同血液捐獻(xiàn)者，PT值分別為10.3、19.6、28.7 s，同時(shí)采集標(biāo)本并分別進(jìn)行5次檢測。

1.3.2數(shù)據(jù)分析對(duì)比試驗(yàn) 在醫(yī)院選取有梯度的血液標(biāo)本共11份，在相同條件下對(duì)每份標(biāo)本進(jìn)行3次檢測，因此數(shù)據(jù)標(biāo)本共33份。分別用差值法[9]、公式法、傳統(tǒng)BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測和優(yōu)化BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測4種方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后將4種方法與醫(yī)院SYSMEX CS 5100標(biāo)準(zhǔn)檢測方法進(jìn)行Bland-Altman偏倚分析和Passing-Bablok回歸分析。

注：(a)、(b)為進(jìn)樣特征；(c)、(d)為反應(yīng)特征。

1.3.4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在非線性問題上有很大的優(yōu)勢，但是存在易形成局部極小值、收斂速度慢和標(biāo)本學(xué)習(xí)覆蓋等問題。本文采取了學(xué)習(xí)率η自適應(yīng)調(diào)節(jié)和激活函數(shù)引入抖度因子的優(yōu)化方案[12-13]。

注：X1、X2、X3、X4、X5、X6為輸入層的6個(gè)節(jié)點(diǎn)；Y1為輸出層的1個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2 結(jié) 果

2.1系統(tǒng)重復(fù)性試驗(yàn) 表1中展示的是3例血液捐獻(xiàn)者的5次PT檢測結(jié)果，CV均<4.00%，符合儀器技術(shù)指標(biāo)要求，由此可看出檢測系統(tǒng)對(duì)PT檢測具有較好的一致性和重復(fù)性。

注：A為傳統(tǒng)BP算法；B為優(yōu)化BP算法；Best和Goal重合。

2.2數(shù)據(jù)分析

2.2.1網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果 優(yōu)化后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練周期比較見圖5。由圖5可以看出，傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在前1 000個(gè)周期內(nèi)因?yàn)槟承┰驅(qū)е率諗烤徛鰡栴}后仍需要600個(gè)以上的周期，而優(yōu)化后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂十分迅速。分別對(duì)兩種BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行140份標(biāo)本的測試，測試結(jié)果與SYSMEX CS 5100檢測標(biāo)準(zhǔn)值差值的絕對(duì)值作為測試誤差，見圖6。

表1 3份標(biāo)本5次PT檢測結(jié)果

圖6 PT值預(yù)測誤差比較

2.2.2方法對(duì)比結(jié)果 應(yīng)用MedCalc V12.7.2.0軟件，以SYSMEX CS 5100檢測PT值為標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)差值法、公式法、傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測和優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測所得PT值進(jìn)行Passing-Bablok回歸分析和Bland-Altman偏倚分析，見圖7～10?；貧w方程差值法為Y=0.941X-0.294(slope0.941,95%CI，斜率：0.893 5～1.008 7，截距：-1.564 3～0.853 2);公式法為Y=0.939X+0.039 3(slope0.939,95%CI，斜率：0.900 9～0.992 4，截距：-1.018 2～0.833 5);傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測為Y=0.937X+0.141(slope0.937,95%CI，斜率：0.896 6～0.995 7，截距：-0.942 1～1.362 1);優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測為Y=1.002X+0.078 5(slope1.002,95%CI，斜率：0.959 2～1.055 6，截距：-0.611 1～0.702 0)。由回歸函數(shù)可知，差值法、公式法和傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測與SYSMEX CS 5100檢測方法比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，而優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測與SYSMEX CS 5100檢測方法比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。對(duì)差值法、公式法、傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測和優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測進(jìn)行Bland-Altman偏倚分析，分別計(jì)算在一致性界限范圍內(nèi)各種方法檢測值的占比η，差值法(P=0.007 7，η=97.0%)和公式法(P=0.020 0，η=93.9%)均與SYSMEX CS 5100檢測結(jié)果差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(P=0.126 4，η=97.0%)和優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(P=0.365 7，η=97.0%)均與SYSMEX CS 5100檢測方法有較好的一致性，且優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法更好。

圖7 差值法與SYSMEX CS 5100檢測方法的回歸分析和差異分布

圖8 公式法與SYSMEX CS 5100檢測方法的回歸分析和差異分布

圖9 傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測與SYSMEX CS 5100檢測方法的回歸分析和差異分布

圖10 優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測與SYSMEX CS 5100檢測方法的回歸分析和差異分布

3 討 論

PT對(duì)快速、準(zhǔn)確、床旁檢測具有重要意義，其中差值法和公式法是POCT分析儀的常用數(shù)據(jù)分析方法，但這兩種方法對(duì)傳感器與檢測系統(tǒng)要求較高。

本文介紹了一種快速、準(zhǔn)確、床旁PT凝血檢測系統(tǒng)，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法。為了驗(yàn)證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在PT凝血檢測系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，本研究設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)差值法、公式法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法進(jìn)行了Passing-Bablok回歸分析和Bland-Altman偏倚分析。結(jié)果表明，差值法和公式法應(yīng)用在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中與SYSMEX CS 5100檢測無良好的一致性，但優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法的應(yīng)用系統(tǒng)與SYSMEX CS 5100檢測方法具有良好的相關(guān)性，可以互換。

通過PT電化學(xué)檢測過程可知，其復(fù)雜的凝血過程表征為曲線時(shí)，會(huì)影響曲線的峰型、峰值等，因此，固定的曲線分析方法必然會(huì)導(dǎo)致檢測的誤差。相對(duì)來說，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的靈活性體現(xiàn)在非線性關(guān)系的高度擬合上，并且具有再學(xué)習(xí)的能力，可以不斷自我優(yōu)化，適應(yīng)不同檢測場景，提高檢測精度。從成本角度來看，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法需要穩(wěn)定性更高的傳感器和檢測系統(tǒng)，給患者造成較大的經(jīng)濟(jì)壓力，不利于PT快速檢測的應(yīng)用與推廣。而本文設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)針對(duì)低廉的絲網(wǎng)印刷傳感器，極大地降低了成本，更加體現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在PT檢測過程中的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié) 論

本研究結(jié)果顯示，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法與SYSMEX CS 5100檢測方法具有良好的一致性。比較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析方法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用解決了傳感器與檢測系統(tǒng)的匹配問題，實(shí)現(xiàn)了檢測數(shù)據(jù)到PT值的精確轉(zhuǎn)換，使PT的POCT系統(tǒng)具有較高的精度。