基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的腦卒中中醫(yī)辨證分型舌象分類研究

王朝雨，黃奎麟，代國(guó)威，強(qiáng)茗，王倩

〔摘要〕 目的 通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)腦卒中中醫(yī)辨證分型與中醫(yī)舌象特征分類的關(guān)系，為探索新的腦卒中臨床標(biāo)準(zhǔn)化治療方法提供診斷依據(jù)。方法 本研究選取284名腦卒中患者作為研究對(duì)象，通過(guò)遷移學(xué)習(xí)微調(diào)改進(jìn)DenseNet201用于特征向量的提取，使用信息增益、卡方檢驗(yàn)、對(duì)稱不確定性與ReliefF濾波算法并組合去重以選擇特征向量，最后利用Cubic SVM形成交叉數(shù)據(jù)集在多種分類器上進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試，比較模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果 試驗(yàn)結(jié)果表明，組合的四類特征提取算法使得準(zhǔn)確率高于基礎(chǔ)結(jié)果的3.26%，Cubic SVM分類器相對(duì)于其他分類器以及未改進(jìn)的DenseNet201取得了最優(yōu)結(jié)果，可以在腦卒中中醫(yī)舌象辨證分型中提供至少為95.74%的準(zhǔn)確率。結(jié)論 本研究提出的TCM舌象分類模型的方法結(jié)構(gòu)是有效的，可輔助臨床中醫(yī)師進(jìn)行診斷治療，值得臨床推廣和進(jìn)一步深入研究。

〔關(guān)鍵詞〕 中醫(yī)舌診；深度學(xué)習(xí)；舌象分類；支持向量機(jī)；特征選擇

〔中圖分類號(hào)〕R288? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)志碼〕A? ? ? ? 〔文章編號(hào)〕doi：10.3969/j.issn.1674－070X.２０23.08.019

Convolutional neural networks-based TCM pattern differentiation and classification of tongue manifestations in stroke patients

WANG Zhaoyu1， HUANG Kuilin1*， DAI Guowei2， QIANG Ming3， WANG Qian4

1. Guanghan Hospital of Chinese Medicine， Guanghan， Sichuan 618399， China; 2. Agricultural Information Institute， Chinese Academy of Agricultural Sciences， National Agriculture Science Data Center， Beijing 100081， China; 3. Department of Acupuncture and Rehabilitation， Institute of Chinese Medicine， Sichuan Academy of Chinese Medicine， Chengdu， Sichuan 610031， China; 4. Department of Neurology， the First Hospital of Tisnghua University， Beijing 100016， China

〔Ａｂｓｔｒａｃｔ〕 Objective To learn the relationship between TCM pattern differentiation and feature classification of TCM tongue manifestations in stroke patients through convolutional neural networks （CNN）， so as to provide a diagnostic basis for exploring new standardized clinical treatment methods for stroke. Methods A total of 284 stroke patients were selected as subjects， and DenseNet201 was fine-tuned by transfer learning for feature vector extraction. The feature vectors were selected using information gain， chi-square test， symmetric uncertainty， and ReliefF filtering algorithm， combined with deduplication. Finally， Cubic SVM was used to form a crossover dataset for training and testing on multiple classifiers to compare the accuracy of the models. Results The combined four-class feature extraction algorithm resulted in an accuracy rate higher than 3.26% of the basic result， and compared with other classifiers and the unimproved DenseNet201， the Cubic SVM classifier achieved optimal results， providing an accuracy rate of at least 95.74% in the pattern differentiation of TCM tongue manifestations in stroke patients. Conclusion The methodological structure for the classification model of TCM tongue manifestations proposed in this study is effective， and it can assist clinical TCM physicians in diagnosis and treatment， which is worthy of clinical promotion and further in-depth research.

〔Ｋｅｙｗｏｒｄｓ〕 TCM tongue diagnosis; deep learning; classification of tongue manifestations; support vector machine; feature selection

腦卒中是一組由器質(zhì)性腦損傷導(dǎo)致的突然發(fā)病、迅速出現(xiàn)局限性或彌散性腦功能缺損為主要表現(xiàn)的腦血管疾病。隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，該病的發(fā)病率、致死率、致殘率均有所下降，但仍是中國(guó)的前3位致死病因，且腦卒中發(fā)病率、患病率、復(fù)發(fā)率隨著年齡增長(zhǎng)不斷提高，隨著人口老齡化加劇，腦卒中對(duì)個(gè)人、家庭和社會(huì)造成的危害日趨嚴(yán)重，且本病致殘率高，約有2/3的病人在卒中的針對(duì)性救治后仍遺留不同程度的功能障礙[1]。因此，提高本病臨床治療有效率意義重大。

中醫(yī)在腦卒中的診療中發(fā)揮了重要作用，傳統(tǒng)中醫(yī)主要依靠望、聞、問(wèn)、切來(lái)獲得臨床資料和病人信息，以此為基礎(chǔ)為病人制訂個(gè)性化的診療方案?！饵S帝內(nèi)經(jīng)·本神篇》曰：“視其外應(yīng)，以知其內(nèi)，則知所病矣?！敝斓は兜は姆āつ芎仙}可以萬(wàn)全》云：“視其外應(yīng)，以知其內(nèi)者，當(dāng)以觀外乎診于外者，斯以知其內(nèi)，蓋有諸內(nèi)者，必形諸外?！蓖\作為四診之首，對(duì)疾病診斷的重要性不言而喻。舌診和面診都是望診中的重要內(nèi)容，但面診受到外部環(huán)境影響更大，且其特征表現(xiàn)不如舌診變化迅速靈敏，導(dǎo)致診療過(guò)程中收集的信息對(duì)疾病診斷的意義不及舌診，故舌診因其敏感度和準(zhǔn)確性高、易于采集等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于臨床疾病診斷。

現(xiàn)行中醫(yī)中風(fēng)病行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2]中將腦卒中分為兩類、三期、8個(gè)證型：中風(fēng)急性期-中經(jīng)絡(luò)（風(fēng)痰阻絡(luò)證、風(fēng)火上擾證、痰熱腑實(shí)證），中風(fēng)急性期-中臟腑（痰熱內(nèi)閉證、痰蒙清竅證、元?dú)鈹∶撟C），以及恢復(fù)期（氣虛血瘀證、陰虛風(fēng)動(dòng)證）。腦卒中的所有證型都可以通過(guò)內(nèi)外的映射關(guān)系表現(xiàn)于舌象，故準(zhǔn)確對(duì)病人舌象進(jìn)行分類有利于明確本病辨證分型并指導(dǎo)治療方案，但由于不同中醫(yī)醫(yī)師的診斷標(biāo)準(zhǔn)、行醫(yī)經(jīng)驗(yàn)、臨床思維方式均有一定差異，導(dǎo)致臨床上對(duì)病人的診斷缺乏客觀化和標(biāo)準(zhǔn)化。為此，借助信息技術(shù)進(jìn)行舌象客觀量化研究，對(duì)輔助醫(yī)師診斷和治療腦卒中有重要意義。

機(jī)器學(xué)習(xí)及深度學(xué)習(xí)中醫(yī)舌象特征提取識(shí)別已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)[3-4]，研究指出舌診客觀量化研究在疾病分型[5]、治未病[6]、輔助中醫(yī)診斷[7]和治療[8]標(biāo)準(zhǔn)化中有一定可行性。田琪等[9]發(fā)現(xiàn)，高血壓與舌象之間存在直接映射關(guān)系，舌象變化可輔助高血壓診療；周袁申等[10]發(fā)現(xiàn)，不同臨床分型的新冠病毒感染患者間舌形及苔質(zhì)分布有差異；榮文雅等[11]發(fā)現(xiàn)，多維圖像分析技術(shù)提取腺病毒感染患者的舌象特征與臨床辨證具有較強(qiáng)的一致性，可為臨床辨證提供客觀依據(jù)；劉夢(mèng)等[12]在進(jìn)行500例受試者基于Faster R-CNN算法的深度學(xué)習(xí)與遷移學(xué)習(xí)中，得出該技術(shù)可以較好地完成中醫(yī)舌象局部特征辨識(shí)任務(wù)，具有較好的遷移能力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，舌象采集分析、舌象定量化、現(xiàn)代儀器運(yùn)用、機(jī)器學(xué)習(xí)與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定量分析等方面均取得長(zhǎng)足發(fā)展[13-19]，深化特定疾病的舌象分析已具有一定理論及實(shí)踐基礎(chǔ)。因此，本研究旨在探討通過(guò)人工智能學(xué)習(xí)腦卒中中醫(yī)辨證分型與中醫(yī)舌象特征分類的關(guān)系，以期為臨床治療提供診斷依據(jù)。

1 資料與方法

1.1? 資料來(lái)源

本研究選取2021年7月至2023年2月在廣漢市中醫(yī)醫(yī)院門診及住院部治療，并符合診斷及納入標(biāo)準(zhǔn)的284例腦卒中患者為研究對(duì)象，其中腦梗死182例占64.08%，腦出血102例占35.92%。其中男性166例，女性118例；最小年齡33歲，最大年齡99歲，平均年齡64歲；最短病程3 d，最長(zhǎng)病程2年，平均病程56 d。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（批文編號(hào)為2023-01-009-K01），且研究對(duì)象均簽署知情同意書。

1.2? 納入及排除標(biāo)準(zhǔn)

納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）符合本研究相關(guān)中西醫(yī)診斷納入標(biāo)準(zhǔn)：符合本病臨床表現(xiàn)，輔助檢查明確提示腦出血/腦梗死，經(jīng)鑒別排除其他類似疾病者。西醫(yī)診斷標(biāo)準(zhǔn)為參照現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《腦梗死》[20]、《腦出血》[21]進(jìn)行診斷；中醫(yī)診斷標(biāo)準(zhǔn)為參照現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《中風(fēng)病》[2]進(jìn)行診斷；（2）患者同意進(jìn)行本研究且未加入其他臨床研究。

排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）因各種原因無(wú)法配合研究者進(jìn)行研究數(shù)據(jù)采集者；（2）因顱內(nèi)占位性病變等出現(xiàn)卒中樣體征或癥狀者；（3）合并腫瘤、嚴(yán)重心肝腎功能障礙及其他危急重癥者；（4）妊娠及哺乳期婦女。

1.3? 一般情況

本研究邀請(qǐng)臨床經(jīng)驗(yàn)豐富的中醫(yī)醫(yī)師對(duì)入組患者舌象進(jìn)行分類形成腦卒中中醫(yī)舌象數(shù)據(jù)集，參考現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《中風(fēng)病》將研究對(duì)象分為8個(gè)證型，將其證型名稱及舌象表現(xiàn)分述如下。中風(fēng)急性期-中經(jīng)絡(luò)：（1）風(fēng)痰阻絡(luò)證（舌質(zhì)暗淡，舌苔薄白或白膩）；（2）風(fēng)火上擾證（舌質(zhì)紅絳，舌苔黃膩而干）；（3）痰熱腑實(shí)證（舌質(zhì)紅，舌苔黃膩）。中風(fēng)急性期-中臟腑：（4）痰熱內(nèi)閉證（舌質(zhì)紅絳，舌苔黃褐干膩）；（5）痰蒙清竅證（舌質(zhì)紫暗，苔白膩）；（6）元?dú)鈹∶撟C（舌蜷縮，舌質(zhì)紫暗，苔白膩）。中風(fēng)恢復(fù)期：（7）氣虛血瘀證（舌質(zhì)暗淡，有齒痕，舌苔白膩）；（8）陰虛風(fēng)動(dòng)證（舌質(zhì)紅而體瘦，少苔或無(wú)苔）。各證型舌象樣本詳見圖1。

1.4? 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遷移學(xué)習(xí)

在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，遷移學(xué)習(xí)是一種常見的研究技術(shù)。在深度學(xué)習(xí)中，遷移學(xué)習(xí)方法使用預(yù)訓(xùn)練模型獲得的知識(shí)在新的數(shù)據(jù)集中訓(xùn)練一個(gè)新的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolutional neural networks， CNN）模型。深度CNN模型需要大量的初始訓(xùn)練數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)不足的情況下訓(xùn)練深度CNN模型，會(huì)導(dǎo)致模型失去泛化的能力，變得與訓(xùn)練數(shù)據(jù)過(guò)于匹配。另一方面，遷移學(xué)習(xí)使得深度CNN模型的建立即使在沒(méi)有大量的數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練深度CNN架構(gòu)的情況下也能實(shí)現(xiàn)。遷移學(xué)習(xí)可以通過(guò)兩種方式完成：通過(guò)特征提取法和微調(diào)法。

在通過(guò)特征提取方法進(jìn)行遷移學(xué)習(xí)時(shí)，使用預(yù)訓(xùn)練的深度CNN模型作為特征提取器，將新數(shù)據(jù)集的圖像批量傳遞給預(yù)訓(xùn)練模型，檢索新數(shù)據(jù)集獲得特征向量。通過(guò)微調(diào)法的遷移學(xué)習(xí)利用預(yù)訓(xùn)練模型作為在新數(shù)據(jù)集上的訓(xùn)練起點(diǎn)，對(duì)相同預(yù)訓(xùn)練模型進(jìn)行重新訓(xùn)練，對(duì)預(yù)訓(xùn)練模型中的分類層所做的修改是根據(jù)新數(shù)據(jù)集中的類數(shù)建立新的分類層。

1.5? 微調(diào)DenseNet201模型

在這項(xiàng)工作中，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遷移學(xué)習(xí)微調(diào)改進(jìn)的DenseNet201模型[22]。遷移學(xué)習(xí)任務(wù)使用在ImageNet數(shù)據(jù)集中預(yù)訓(xùn)練的DenseNet201卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，首先將預(yù)訓(xùn)練模型的全連接層移除，然后，在無(wú)分類層的預(yù)訓(xùn)練模型基礎(chǔ)上添加三個(gè)新的層進(jìn)行微調(diào)。一般情況下，在預(yù)先訓(xùn)練去掉全連接層的DenseNet201模型之上，再連接一個(gè)全局平均池化（global average pooling， GAP）層，將多維特征轉(zhuǎn)換為一維特征[23]。在這種方法中，采用全局平均池化層替代全連接層，與全連接層相比，GAP層對(duì)整個(gè)特征圖內(nèi)的所有像素求均值，不存在需要微調(diào)的參數(shù)，使得各個(gè)類別與特征圖的聯(lián)系更加直觀，由于GAP操作沒(méi)有參數(shù)參與訓(xùn)練，非卷積層部分參數(shù)量大大減少，所以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)卷積層的卷積核參數(shù)易于進(jìn)行充分地微調(diào)更新，從而能夠更加充分的提取分類目標(biāo)信息。在GAP層之后，添加一個(gè)全連接層，包含1 024個(gè)神經(jīng)元。此外，在全連接層上應(yīng)用Dropout以防止過(guò)擬合，并設(shè)置隨機(jī)丟棄概率值為0.35。最后，添加帶有Softmax激活函數(shù)的輸出層對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行分類。所改進(jìn)的DenseNet201模型描述如圖2（a）所示，圖2（b）DenseBlock層是組成DenseNet網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要模塊，圖2（c）Transition層主要用于連接兩個(gè)相鄰的DenseBlock，起到壓縮模型的作用，模型預(yù)訓(xùn)練權(quán)重選擇IMAGENET1K_V1，該網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)為708，深度為201，連接數(shù)為805，參數(shù)量為20.06 M，模型復(fù)雜度為5.71 GMac。

1.6? 特征選擇

特征選擇被定義為從包含數(shù)據(jù)集中所有特征的特征向量中選擇具有最佳性能表示比例的子集。該方法移除冗余特征減少了向量大小和計(jì)算復(fù)雜性，并提高了模型的性能。在本研究中，基于信息增益、卡方檢驗(yàn)、對(duì)稱不確定性和ReliefF濾波算法被用于特征選擇[24-25]。

在信息增益（information gain， IG）方法中，采用熵進(jìn)行計(jì)算，給出每個(gè)屬性發(fā)生隨機(jī)性、不確定性和意外情況的概率。IG算法的公式表示屬性Y的熵值隨屬性X的函數(shù)而減小，表達(dá)式如式（1）所示，其中H（Y）為特征Y的熵，H（Y/X）為特征X相對(duì)于特征Y的條件熵。因此，一個(gè)特征的顯著性水平是由單獨(dú)考慮相應(yīng)特征時(shí)，由該類熵的減小程度來(lái)決定。

IG=H（Y）-H（Y/X）（1）

在對(duì)稱不確定性方法（symmetric uncertainty， SU）中，計(jì)算是將信息增益除以Y和X的熵值之和，SU系數(shù)由于存在相關(guān)因子，需要進(jìn)行歸一化處理，值為1表示特征信息是完全可預(yù)測(cè)的，值為0表示Y和X之間沒(méi)有關(guān)系，具體的算法公式如式（2）所示。

CST2=■? ? （2）

卡方檢驗(yàn)（chi-square test， CST）方法是確定目標(biāo)與數(shù)值變量之間的卡方度量，只有卡方值最大的變量才會(huì)被選擇。算法公式如式（3），n為數(shù)據(jù)集中的特征個(gè)數(shù)，oi為對(duì)應(yīng)特征的觀測(cè)頻率值，ei為期望頻率值。首先，計(jì)算這些值與真實(shí)類的卡方統(tǒng)計(jì)量CST2，當(dāng)卡方值接近于零時(shí)，觀測(cè)到的頻率值和期望的頻率值會(huì)更加相容，計(jì)算得卡方值與卡方分布中指定的閾值進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)比較決定變量是否適合選擇。

CST2=■■ （3）

在ReliefF濾波選擇算法中，隨機(jī)選擇屬于同一類和異類的最近鄰。對(duì)于每一個(gè)相同的類，該算法計(jì)算一個(gè)相關(guān)性指數(shù)，并為它們分配一個(gè)正權(quán)重，而對(duì)于屬于不同類別的要素被分配負(fù)權(quán)重。這些步驟適用于所有特征，并根據(jù)其權(quán)重進(jìn)行排序。式（4）給出了算法權(quán)值的計(jì)算公式，式中指定的Wi表示相關(guān)屬性的權(quán)重，nearbyHiti表示屬于同一類的最近樣本中的特征值，nearbyMissi則表示屬于不同類的最近樣本中的特征值。

Wi=Wi-1-（xi-nearbyHiti）2+（xi-nearbyMissi）2（4）

1.7? 支持向量機(jī)（support vector machine， SVM）

在機(jī)器學(xué)習(xí)中，目標(biāo)對(duì)象的分類是解決數(shù)據(jù)集中對(duì)應(yīng)于兩個(gè)或多個(gè)目標(biāo)標(biāo)簽的歸屬性問(wèn)題。 SVM是一種簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，它能在N維空間的特征中找到一個(gè)超平面，以在標(biāo)簽類別中進(jìn)行分類。由于核函數(shù)將輸入數(shù)據(jù)空間變成高維空間，SVM也被稱為核化SVM，Linear核、Polynomial核、徑向基函數(shù)（radial basis function， RBF）和Sigmoid核是最常見的核函數(shù)，其中，多項(xiàng)式核函數(shù)普遍使用二次多項(xiàng)式與三次多項(xiàng)式核函數(shù)（Cubic SVM）。

1.8? 中醫(yī)舌象分類模型方法結(jié)構(gòu)

本研究提出了一種用于中醫(yī)舌象分類模型的方法結(jié)構(gòu)。圖3顯示了方法的基本結(jié)構(gòu)，該方法主要分為3個(gè)階段，分別為特征向量的提取、選擇特征向量與建立交叉數(shù)據(jù)集訓(xùn)練模型。在第一階段，對(duì)數(shù)據(jù)集的圖像進(jìn)行裁剪并適應(yīng)所使用的DenseNet201卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入大小，在輸入網(wǎng)絡(luò)前，通過(guò)對(duì)這些圖像應(yīng)用表1所示的組合數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)，可用圖像的數(shù)量從284增加到852，這樣可以防止過(guò)擬合，提高模型的性能。利用遷移學(xué)習(xí)微調(diào)改進(jìn)的DenseNet201模型，從網(wǎng)絡(luò)的最后一個(gè)全連接層輸出包含1 024個(gè)特征向量。在第二階段，利用4類特征選擇算法分別選擇特征數(shù)據(jù)，選取的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行組合去重，得到由最佳300個(gè)特征組成的特征向量。為了保證模型結(jié)果的一致性，將具有合并特征的特征向量進(jìn)行5倍和10倍交叉驗(yàn)證處理。第三階段，利用Cubic SVM對(duì)交叉驗(yàn)證處理的數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試，所形成的舌象鑒定模型被用于性能評(píng)分。

1.9? 性能指標(biāo)與試驗(yàn)參數(shù)

為了評(píng)估所提出的模型，將腦卒中中醫(yī)辨證分型舌象數(shù)據(jù)集拆分為訓(xùn)練和測(cè)試數(shù)據(jù)集，并進(jìn)行3-折和6-折交叉驗(yàn)證（K-fold cross-validation， K-Fold CV）。對(duì)于性能評(píng)價(jià)，選用了4個(gè)常用的指標(biāo)：準(zhǔn)確率（accuracy）、精確率（precision）、靈敏度（sensitivity）與F1分?jǐn)?shù)（F-score）。

本研究采用Windows11專業(yè)工作站版64位操作系統(tǒng)，Intel（R）Core（TM）i7-11800H處理器，存儲(chǔ)器選擇第四代DDR4，32.00 GB內(nèi)存，NVIDIA GeForce RTX 3060 Laptop 6 GB顯卡。主要算法由微軟VSCode和Python 3.9執(zhí)行，Scikit-learn框架實(shí)現(xiàn)了SVM與特征提取機(jī)器學(xué)習(xí)算法，深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用Pytorch深度學(xué)習(xí)框架實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果

2.1? 舌象分類性能分析

基于腦卒中中醫(yī)辨證分型舌象數(shù)據(jù)集，利用多階段構(gòu)建中醫(yī)腦卒中舌象分類模型的方法對(duì)腦卒中的8類證型舌象進(jìn)行分類，合并去重的4類特征選擇算法所得到的特征向量數(shù)據(jù)被用于3-折與6-折交叉驗(yàn)證進(jìn)行處理。試驗(yàn)結(jié)果（表2）顯示所有證型的舌象驗(yàn)證準(zhǔn)確率、精確率、靈敏度及F1分?jǐn)?shù)均達(dá)到95%以上，其中風(fēng)火上擾證舌象的準(zhǔn)確率及F1分?jǐn)?shù)最低，分別為95.74%、96.49%，氣虛血瘀證舌象準(zhǔn)確率及F1分?jǐn)?shù)最高，分別為98.22%、98.31%，出現(xiàn)此結(jié)果可能是因?yàn)轱L(fēng)火上擾證在臨床中屬于危急重癥，該證型的發(fā)病率較其他證型低、患病后的死亡率較高，且本證型患者功能障礙較重，出現(xiàn)伸舌困難導(dǎo)致臨床可采集樣本量有限，加之本證型特點(diǎn)為舌質(zhì)紅絳、舌苔黃膩而干，可能因采集設(shè)備、采集環(huán)境、采集技術(shù)、圖片分辨率或顏色校正等方面的原因?qū)е伦R(shí)別的準(zhǔn)確率下降；但氣虛血瘀證為腦卒中恢復(fù)期，屬于該證型的患者患病后絕大部分預(yù)后為致殘，致死率較低，在經(jīng)過(guò)急性期的治療及后期的康復(fù)后患者肢體功能好轉(zhuǎn)，采集舌象樣本是配合度較高，故臨床可采集樣本量充足，可進(jìn)行充分的再學(xué)習(xí)。F1分?jǐn)?shù)作為一個(gè)結(jié)合精確率及靈敏度的模型評(píng)估指標(biāo)，在處理不平衡數(shù)據(jù)集的分類模型中更有優(yōu)勢(shì)，本研究中F1分?jǐn)?shù)從高到低依次為：氣虛血瘀證（98.31%）、痰熱內(nèi)閉證（98.09%）、陰虛風(fēng)動(dòng)證（97.9%）、元?dú)鈹∶撟C（97.85%）、風(fēng)痰阻絡(luò)證（97.49%）、痰熱腑實(shí)證（97.38%）、痰蒙清竅證（97.01%）、風(fēng)火上擾證（96.49%），準(zhǔn)確率的高低次序與F1分?jǐn)?shù)相類似，即：除個(gè)別證型（痰熱內(nèi)閉證）外，腦卒中恢復(fù)期的證型對(duì)應(yīng)的舌象分類的F1分?jǐn)?shù)明顯高于急性期對(duì)應(yīng)的舌象分類，這樣的結(jié)果也提示了樣本量大小可能會(huì)對(duì)識(shí)別的精確率略有影響，但總體上此方法仍能提供至少96.49%的F1分?jǐn)?shù)及95.74%的準(zhǔn)確率?？傮w而言，微調(diào)改進(jìn)的DenseNet201卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行舌象特征的識(shí)別具有較高的精確性，投入臨床應(yīng)用可靠性高。

2.2? 消融驗(yàn)證與多分類器對(duì)比

在本節(jié)，將對(duì)所提出的舌象分類模型方法結(jié)構(gòu)進(jìn)行2個(gè)實(shí)驗(yàn)研究，它們都是基于腦卒中中醫(yī)辨證分型舌象數(shù)據(jù)集并采用6-折交叉驗(yàn)證處理。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)研究中，采用具有三次多項(xiàng)式核函數(shù)的SVM作為分類器，并對(duì)4類特征選擇算法進(jìn)行消融試驗(yàn)驗(yàn)證。為了體現(xiàn)深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與融合SVM分類器卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能差異，修改DenseNet201網(wǎng)絡(luò)中Softmax層的前一個(gè)全連接層的輸出參數(shù)為腦卒中中醫(yī)辨證分型舌象數(shù)據(jù)集的分類數(shù)（表3中序號(hào)1），并以此作為基礎(chǔ)性能指標(biāo)。消融驗(yàn)證的結(jié)果（表3）提示僅使用一類或幾類組合的特征選擇算法結(jié)果不能改善DenseNet201網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)準(zhǔn)確率及F1分?jǐn)?shù)，在單獨(dú)使用對(duì)稱不確定性特征選擇算法時(shí)得出的結(jié)果較基礎(chǔ)準(zhǔn)確率及基礎(chǔ)F1分?jǐn)?shù)分別下降了14.26%和14.05%，單獨(dú)使用ReliefF濾波特征選擇算法時(shí)得出的結(jié)果較基礎(chǔ)準(zhǔn)確率及基礎(chǔ)F1分?jǐn)?shù)分別下降了4.36%和2.75%，提示本試驗(yàn)中對(duì)稱不確定性特征選擇算法性能最差，而ReliefF濾波特征選擇算法性能最好。當(dāng)四類特征算法功能進(jìn)行組合后（表3序號(hào)8），其準(zhǔn)確率及F1分?jǐn)?shù)均大于97%，其準(zhǔn)確率和F1分?jǐn)?shù)分別高于基礎(chǔ)結(jié)果3.26%和3.42%，提示四種特征選擇算法選出的特征經(jīng)合并去重后形成的數(shù)據(jù)集可靠度更高，選出的舌象特征更貼合臨床實(shí)際，增加了臨床應(yīng)用及推廣的可行性。在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)研究中，驗(yàn)證了處理后的舌象數(shù)據(jù)在不同機(jī)器學(xué)習(xí)分類器的性能表現(xiàn)，具體為三次多項(xiàng)式核Cubic SVM、徑向基函數(shù)RBF SVM、線性核Linear SVM、Sigmoid函數(shù)Sigmoid SVM、決策樹（decision tree， DT）、高斯貝葉斯（Gaussian naive bayes， Gaussian NB）、K最近鄰（K-nearest neighbor， KNN）和集成分類器中的隨機(jī)森林（random forest， RF）與Adaboost以獲得精度。結(jié)果如表4所示，使用不同的分類器的性能結(jié)果差異較大，RBF SVM、KNN、DT、RF及adaboost所得性能結(jié)果均大于93%；在支持向量機(jī)（SVM）相關(guān)的4個(gè)分類器中cubic SVM得出結(jié)果優(yōu)于其他分類器，準(zhǔn)確率、精確率、靈敏度、F1分?jǐn)?shù)均大于97%；集成分類器中RF得到的四類性能指標(biāo)結(jié)果較adaboost僅略偏高，但相較于Cubic SVM則略偏低，提示集成分類器也可能適合進(jìn)行相關(guān)研究，但Cubic SVM得到的性能結(jié)果可靠性更高，更適合臨床應(yīng)用。

3 討論

隨著現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展，在生活作息不規(guī)律，缺乏運(yùn)動(dòng)、情緒緊張與工作生活壓力增大因素的影響下腦卒中發(fā)病呈年輕化趨勢(shì)，且隨著老齡化社會(huì)發(fā)展，本病發(fā)病率逐年增加，雖然醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致本病死亡率有一定降低，但本病復(fù)發(fā)率、致殘率仍高，不僅影響個(gè)人的生活質(zhì)量及生存期，還為社會(huì)家庭造成沉重負(fù)擔(dān)。早期介入中醫(yī)治療能改善病人預(yù)后，提高病人生存時(shí)間，改善病人生活質(zhì)量，降低病死率，提高療效。中醫(yī)作為一種“以人為本”的醫(yī)學(xué)，重視整體觀念，在辨證論治時(shí)需結(jié)合“望、聞、問(wèn)、切”四診所得臨床資料進(jìn)行綜合判斷，故傳統(tǒng)的中醫(yī)診療嚴(yán)重依賴“人”，但由于不同中醫(yī)醫(yī)師的學(xué)識(shí)、臨床經(jīng)驗(yàn)、診斷標(biāo)準(zhǔn)與臨床思維方式均有一定差異，導(dǎo)致診療缺乏客觀化、標(biāo)準(zhǔn)化，出現(xiàn)醫(yī)師經(jīng)驗(yàn)傳承難、病人治病就醫(yī)難、醫(yī)療成果轉(zhuǎn)化難等問(wèn)題。

因此，本研究以中醫(yī)專家分類的284名腦卒中病人的8種證型對(duì)應(yīng)舌象為依據(jù)，通過(guò)遷移學(xué)習(xí)微調(diào)改進(jìn)的DenseNet201模型進(jìn)行特征向量的提取、再利用4類特征選擇算法并組合去重以選擇特征向量，最后利用Cubic SVM建立交叉數(shù)據(jù)集訓(xùn)練模型，經(jīng)此三階段的深度學(xué)習(xí)形成一種用于中醫(yī)舌象分類模型的方法結(jié)構(gòu)，達(dá)到利用機(jī)器學(xué)習(xí)輔助臨床診療的目的。

本研究結(jié)果顯示，該方法可以排除人工誤差在完全基于舌體圖像數(shù)據(jù)的情況下對(duì)腦卒中中醫(yī)舌象進(jìn)行辨證分型且準(zhǔn)確性和靈敏性均達(dá)到97%以上，這促進(jìn)了專科疾病中醫(yī)診斷的標(biāo)準(zhǔn)化及客觀化的發(fā)展，也有利于輔助中醫(yī)醫(yī)師進(jìn)行診斷并為臨床治療提供一定建議，但由于本研究中急性期的各個(gè)證型獲取的舌象圖像數(shù)據(jù)樣本量較少，需在未來(lái)的研究中擴(kuò)大樣本量進(jìn)行更深入的研究。

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