女性实际碳酸氢根参考值与地理环境的人工神经网络

曹晓仪，葛 淼，林天应，付成程

(1.陕西师范大学旅游与环境学院地理系，陕西 西安 710062；2.陕西师范大学食品工程与营养科学学院食品科学系，陕西 西安 710062)

实际碳酸氢根(actual bicarbonate，AB)是指隔绝空气的血液标本，在实际动脉血二氧化碳分压(PaCO2)、实际体温和血氧饱和度条件下测得的血浆HCO3-浓度，单位为mmol·L-1[1]，是临床上血气分析中用于判断人体内代谢性酸碱失衡的一项重要指标。目前，国内外缺乏成年女性实际碳酸氢根参考值的统一标准，严重影响了临床诊断的准确性。为制定中国成年女性实际碳酸氢根参考值的统一标准提供科学依据，很多学者[1-7]测定了本地区的健康女性实际碳酸氢根参考值，但有关成年女性的实际碳酸氢根参考值与地理环境之间关系的人工神经网络(artificial neural networks，ANNs)研究，国内外未见报道。本研究利用ANNs的方法研究中国女性实际碳酸氢根参考值与地理环境的关系，并利用空间插值的方法绘制出中国女性实际碳酸氢根参考值分布图，旨在为制定女性实际碳酸氢根参考标准和临床诊断提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 女性实际碳酸氢根参考值通过检索中国期刊网、万方数据资源系统、维普资讯网、超星数字图书馆等相关网络数据库，查阅相关高校图书馆馆藏部分期刊和相关书籍，获取了253个相关医院、高校以及医学科研单位测定的8 138例18～60岁中国成年健康女性实际碳酸氢根参考值。测定地点分布在湖南长沙，陕西西安，山东青岛，山西太原，云南昆明，江苏江阴、南通，辽宁沈阳，广西梧州、南宁和贵州贵阳等地区。

1.2 地理指标地理指标主要选取海拔高度(X1)、年日照时数(X2)、年平均气温(X3)、年平均相对湿度(X4)、年降水量(X5)、气温年较差(X6)6项指标，均来源于国家测绘局数据中心提供的共享资料及有关地理著作和词典[8-9]。

1.3 相关分析依据相关分析的原理和方法，利用SPSS 17.0统计软件[10]对女性实际碳酸氢根参考值与X1、X2、X3、X4、X5及X66项地理指标做相关分析，得到相关系数(r)值和可信度P值。

1.4 ANNs的构建ANNs通过输入层、隐含层和输出层，依靠系统的复杂程度，调整内部大量节点之间相互连接的关系，从而达到处理信息，研究变量间的非线性关系的目的，在预测功能上要优于传统的统计分析的方法。本研究选用5层逆向传播(back propagation,BP)神经网络模型进行模拟，步骤分训练和应用两部分，前者从训练数据中获取神经网络中的各项权重参数，建立模型；后者运用训练模型，对新输入的数据进行模拟预测，计算软件为MATLAB。过程为：将6项地理指标(X1、X2、X3、X4、X5、X6)作为输入层的6个神经元。隐含层共3层，每层设置12个神经元，为Y1,1、Y2,1、Y3,1、…Y3,12。输出层有1个神经元Y，为女性实际碳酸氢根参考值。其中输入层的6个神经元至隐含层第一层logsig函数激活，其他隐含层和输出层用pureline函数激活。

输入层接收到输入的信号 (X1、X2、X3、X4、X5、X6) 后，将其输出到第一隐含层。第一隐含层第j个神经元所接受到的信号为:

(1)

式中，netj(Xi) 为第一隐含层第j个神经元接受到的信号，Xi为输入，ωi,j为输入层第i个神经元和第一隐含层第j个神经元之间的连接权重。logsig(Xi)为logsig函数，具体如下：

(2)

第二隐含层与第一隐含层，第三隐含层与第二隐含层，输出层与第三隐含层通过线性函数激活，各层接收到的信号如下：

(3)

式中，netj(Ki) 为第j层隐含层 (j= 2,3)和输出层(j= 4)接受到的信号，ωi,j为各层神经元和前一层神经元之间的连接权重，netj-1(Ki)为前一层第Ki个神经元的输入。

1.5 模拟值与实测值t检验为检测BP神经网络模拟值与实测值之间的差异有无统计学意义，本研究运用SPSS 17.0统计软件对模拟值与实测值进行成对样本t检验。

1.6 女性实际碳酸氢根参考值分布图空间插值是通过已知点的数据推求同一区域其他未知点的数据的计算方法，常用于将离散点的测量数据转换成为连续的数据曲面，以便与其他空间现象的分布模式进行比较。空间插值的理论假设是空间位置上越靠近的点，越可能具有相似的特征值；而距离越远的点，其特征相似的可能性越小。女性实际碳酸氢根参考值的空间分布与地理因素存在着很强的相关性。本研究利用空间插值的方法[11]在ArcGIS9.2平台支持下绘制出女性实际碳酸氢根参考值分布图。

2 结 果

2.1 相关分析结果由相关分析可以得出女性实际碳酸氢根参考值与X1、X2、X3、X4、X5及X6的相关系数r和可信度P值。见表1。

表1 女性标准碳酸氢根参考值与地理因素的相关关系

6项地理指标的P值均小于0.05，与女性实际碳酸氢根参考值的关系显著。从相关系数看，海拔高度是影响实际碳酸氢根参考值的主要因素。女性实际碳酸氢根参考值随着气温年较差、年日照时数、年平均气温的增加而增加，随着海拔高度、年平均相对湿度、年降水量增大而减小。

2.2 BP神经网络模拟与结果检验运用BP神经网络方法，以3 000次为训练次数，获取各项网络权重，构建女性实际碳酸氢根参考值与地理指标复杂非线性模型。将全国4 383个点的6项地理指标作为神经元输入，最后模拟出结果，其标准差s=2.031 4，代表剩余标准差的数值[12]。图1是女性实际碳酸氢根参考值模拟值和实测值对比图。将模拟值与实测值进行成对的样本t检验，其结果为t=0.5241，所对应的双侧概率P=0.532>0.05。说明女性标准碳酸氢根实测值与神经网络训练模拟值之间的差异无统计学意义，该模型较为准确。

2.4 绘制女性实际碳酸氢根参考值分布图将4 383个市县的BP神经网络模拟结果运用ArcGIS9.2进行克里金(Kriging)插值，绘制出女性实际碳酸氢根参考值分布图(图2)。由图2可知 女性标准碳酸氢根参考值的空间分布规律。灰度值越小代表实际碳酸氢根参考值越低，灰度值越大代表实际碳酸氢根参考值较大，位于同一色系区域的实际碳酸氢根参考值相等，灰度值变化越快的区域表示实际碳酸氢根参考值变化较大，反之变化较小。青藏高原地区灰度值较小，变化明显，大于中部和东部地区，实际碳酸参考值较小，为19.63～24.64 mmol·L-1，如青海格尔木地区参考值为(23.350 0±2.031 4) mmol·L-1，西藏拉萨地区参考值为(21.380 0±2.031 4) mmol·L-1。中部地区灰度值居中，变化较缓，实际碳酸参考值较大，为24.64～27.38 mmol·L-1，如陕西西安地区 的参考值为(25.310 0±2.031 4)mmol·L-1，山西太原地区为(26.720 0±2.031 4) mmol·L-1。东部地区为冷色调(蓝色)，灰度值大，色彩变化较缓，实际碳酸参考值较大，为27.38～29.02 mmol·L-1。如上海地区的参考值为(28.710 0±2.031 4) mmol·L-1，辽宁大连地区的参考值为(28.680 0±2.031 4) mmol·L-1。

图1 女性实际碳酸氢根模拟值和实测值对比

图2 中国女性实际碳酸氢根参考值分布图

中国女性实际碳酸参考值分布大致与中国地形的三级阶梯相反，西部低东部高，海拔高度越大，参考值越低。随着海拔高度的增加，稀氧环境下，组织无氧呼吸增强，产生的乳酸与碱性的碳酸氢根中和，消耗了血液中的碳酸氢根。此外，缺氧通气反应(HVR)刺激呼吸中枢神经，使呼吸增强，促使血液中的碳酸氢根通过主动运输的方式随尿液排出体外，碳酸氢根含量减少。表1中女性实际碳酸参考值与海拔高度的单相关系数r=-0.58，也说明了该问题。

3 讨 论

地理环境是能量的交错带，位于地球表层，即岩石圈、水圈、土壤圈、大气圈和生物圈相互作用的交错带上，这一环境与人类的生产和生活密切相关，直接影响着人类的衣食住行。人的机体与地理环境处在一个矛盾统一的过程中:生命有机体一方面不断地从地理环境中摄取营养物质，同时也向地理环境排泄废物，在进行这种新陈代谢的物质交换过程中，也伴随着能量的交换以及信息传递，最后形成了人与地理环境物质交换的动态平衡。因此，实际碳酸氢根作为检验人体血气的重要指标，必定和地理环境之间有密切的联系，呈现出依赖关系。由于地理位置不同，地表的组成物质和形态不同，水、热条件不同，女性实际碳酸氢根参考值也就不同。地理环境通过物质、能量、信息的交换流动作用于人体血液，通过复杂的非线性方式影响实际碳酸氢根参考值。龙向洁等[5]用相关分析和多元回归分析的方法研究二者的关系，通过线性的方式反映实际碳酸氢根参考值与地理环境的关系，但难以说明两者间的复杂非线性关系。同时，由于反映地理环境的各地理要素之间具有较强的线性相关性，从而影响多元回归分析模型的精确性。因此，对地理环境与实际碳酸氢根参考值的复杂非线性研究具有重要的意义[6]。ANNs通过输入层、隐含层和输出层，能够很好地反映变量间的复杂非线性关系。杨青生等[6]运用ANNs对老年男性血沉参考值与地理环境关系进行研究，为医学正常参考值的地理分布规律的研究提供了新思路。

若已知中国某地的海拔高度、年日照时数、年平均气温、年平均相对湿度、年降水量、气温年较差6项地理指标，则可用建立好的BP神经网络模型来估算出该地区的女性实际碳酸氢根参考值。例如西安地区的海拔高度、年日照时数、年平均气温、年平均相对湿度、年降水量、气温年较差6项地理指标分别为：397.5 m、1 646.1 h、13.70℃、70%、553 mm和26.7℃，用神经网络模型就可计算该地区女性实际碳酸氢根参考值为(25.310 0±2.031 4) mmol·L-1。

应用BP神经网络模型，将中国4 383个市县的6项地理指标代入模型训练，得到女性实际碳酸氢根参考值的预测值。运用ArcGIS9.2进行空间插值绘制出中国女性实际碳酸氢根参考值分布图，由图可知女性标准碳酸氢根参考值的空间分布规律和宏观地估算中国女性实际碳酸氢根参考值，为该区域的临床诊断提供科学依据。

ANNs与过去的相关分析、多元回归模型、因子分析等线性模型相比，更能反映实际碳酸氢根参考值与地理因素之间复杂的非线性关系。此外，基于ANNs不需要人为地定义模型的结构和参数，在预测不同地区女性实际碳酸氢根参考值的过程中，最大限度地降低了人为的影响，提高了估算的精度。本研究借助相关分析、BP神经网络模型、GIS分析方法，揭示出女性实际碳酸氢根参考值与地理环境的相互关系和分布规律，为临床诊断提供科学依据，丰富了医学地理学的研究内容。

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