支持向量回歸在人體血紅蛋白無創(chuàng)檢測中的應(yīng)用

袁境澤 盧啟鵬 王靜麗 丁海泉 高洪智 吳春陽 李晚俠

摘要采用線性漸變?yōu)V光片（Linear variable filter， LVF），優(yōu)化設(shè)計高性能、便攜式的人體血液成分近紅外檢測設(shè)備，研究了支持向量回歸（Support vector regression， SVR）模型對人體血紅蛋白（Hemoglobin， Hb）的預(yù)測能力及穩(wěn)定性，以實現(xiàn)貧血疾病的無創(chuàng)診斷。無創(chuàng)采集100位志愿者食指前端光譜信息并劃分定標集、驗證集1和2。應(yīng)用網(wǎng)格搜索方法優(yōu)選懲罰參數(shù)與核函數(shù)參數(shù)c=5.28， g=0.33，用以建立穩(wěn)健的SVR模型。隨后，分別對驗證集1和2中Hb水平進行定量分析。實驗結(jié)果表明： 預(yù)測標準偏差（RMSEP） 分別為10.20 g/L和10.85 g/L，相對預(yù)測標準偏差（RRMSEP） 為6.85%和7.48%，測量精度較高且SVR模型對不同樣品的適應(yīng)性較強，基本滿足臨床檢測要求。基于SVR算法自行設(shè)計的LVF型近紅外光譜檢測設(shè)備在貧血癥的無創(chuàng)診斷中有著良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞無創(chuàng)檢測； 人血紅蛋白； 近紅外光譜； 支持向量回歸； 便攜式儀器

1引 言

人血紅蛋白（Hemoglobin， Hb）水平是臨床上用于貧血、失血等疾病診斷和分類的重要指標[1～3]。全球約有15億人患有不同程度貧血，每年因患貧血引發(fā)各類疾病而導(dǎo)致死亡的人數(shù)過千萬，貧血癥已成為全球性的公共衛(wèi)生問題[4]。在貧血癥患者中，孕婦貧血會導(dǎo)致免疫力下降、產(chǎn)后感染風(fēng)險增大；易造成胎兒慢性缺氧，引發(fā)早產(chǎn)、死胎等嚴重后果。妊娠期間，新生兒無法從貧血母體中獲取足夠的生血物質(zhì)是新生兒罹患貧血癥的主要原因。貧血癥將嚴重影響新生兒全身器官、骨骼的發(fā)育，引發(fā)智力發(fā)育遲緩、免疫力低下等問題。因此，對于孕婦及新生兒的早期貧血癥的及時診斷及預(yù)防十分必要。

目前，常規(guī)Hb檢測方法存在諸多缺點，如需抽血，有創(chuàng)傷，尤其對于新生兒患者，血管細窄、血液含量低，抽血方法不便操作且可能加重病情；檢測周期長，需要專業(yè)人員的操作。因此，傳統(tǒng)檢測方法不利于開展家庭或社區(qū)內(nèi)的Hb檢測工作，增加了貧血疾病早期診斷和預(yù)防的難度。而無創(chuàng)Hb檢測方法可以避免上述問題，相關(guān)研究具有重要的理論及實際應(yīng)用價值[5]。

Jbsis[6]在1977年首次報道了Hb在近紅外光區(qū)的吸收特性。近紅外光譜分析技術(shù)（Near infrared spectroscopy， NIRS）因其具有無損、快速、無需試劑、可多組分同時分析等優(yōu)勢，已成為無創(chuàng)Hb檢測研究領(lǐng)域關(guān)注的熱點之一[7～11]。Kumar等[12]應(yīng)用近紅外分光光度法，通過優(yōu)選最佳波長測量動脈血中血紅蛋白濃度，標準偏差低于12%； Frasca等[13] 通過應(yīng)用Pulse COOximeter設(shè)備，實現(xiàn)對重癥監(jiān)護病人Hb含量的無創(chuàng)檢測及實時監(jiān)測。目前出現(xiàn)了商品化的專用型血液成分近紅外檢測儀器，美國Masimo公司生產(chǎn)的Radical7 和Pronto7全血血紅蛋白監(jiān)測儀可實現(xiàn)Hb濃度的無創(chuàng)連續(xù)監(jiān)測，檢測誤差在10%左右[14，15]，但儀器價格較為昂貴，且測量精度有待提高。

為提高人體Hb無創(chuàng)檢測精度，同時提高近紅外光譜檢測儀器的臨床實用性，本研究組構(gòu)建了以線性漸變?yōu)V光片（Linear variable filter， LVF）與16像元陣列式探測器為基礎(chǔ)的高性能、便攜式近紅外光譜檢測設(shè)備。LVF的通帶中心波長在特定方向隨著位置線性變化的濾光片，能夠?qū)⑷肷鋸?fù)色光分成與濾光片位置相關(guān)的光譜。其結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、可靠性高，可有效簡化儀器結(jié)構(gòu)，制備便攜式儀器。LVF分光光譜線性變化特性與線陣列式探測器匹配良好[16]。

作為間接分析方法， NIRS通過對人體光譜數(shù)據(jù)與標準方法測得的Hb化學(xué)指標建立特定的函數(shù)關(guān)系，即定標模型，實現(xiàn)對未知樣品中Hb含量的預(yù)測。因此，定標模型的預(yù)測能力與穩(wěn)定性，是決定NIRS分析精度的關(guān)鍵因素之一。支持向量回歸方法（Support vector regression， SVR）用于近紅外光譜分析，可提高定量分析的精密度[17]。 本研究將SVR用于近紅外光譜無創(chuàng)檢測人體血紅蛋白，考察其在提高檢測精度方面的作用。應(yīng)用自行設(shè)計搭建的LVF型近紅外光譜檢測設(shè)備開展在體實驗，無創(chuàng)采集志愿者右手食指前端光譜信號并劃分為3組樣品集， 即定標集、驗證集1和2。應(yīng)用基于交叉驗證理論的網(wǎng)格搜索方法優(yōu)選懲罰參數(shù)與核函數(shù)參數(shù)，用以建立穩(wěn)健的SVR模型；通過對比分析SVR模型對兩組驗證集樣品Hb含量的預(yù)測精度，驗證便攜式儀器與定標模型的適用性與穩(wěn)定性。

2檢測原理與實驗

2.1支持向量回歸方法的基本原理

SVR主要運算過程[18～20]如下：

y=w1x1+w2x2+…+wNxN（1）

將模型（1）簡記為下面的回歸預(yù)測模型：

f（x）=wTx+b（2）

SVR以結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小為原則，可有效簡化模型，其優(yōu)化目標函數(shù)為：

minw，b1[]2[SX）]‖w‖2（3）

s.t.|yi-wTxi-b|≤ε， i=1，2，…，N

其中ε為不敏感參數(shù)，在SVR中線性約束預(yù)測誤差在±ε內(nèi)。為消除可能存在的奇異值數(shù)據(jù)對SVR模型性能的影響，引入松弛變量ξ，則公式（3）轉(zhuǎn)化為：

minw，b1[]2[SX）]‖w‖2+c∑Ni=1（ξi+ξ*i）（4）

s.t.yi-wTxi-b|≤ε+ξi

wTxi+b-yi≤ε+ξiξi， ξi≥0

分 析 化 學(xué)第45卷

第9期袁境澤等： 支持向量回歸在人體血紅蛋白無創(chuàng)檢測中的應(yīng)用

其中， c為懲罰參數(shù)，c取值越大表明SVR回歸模型適應(yīng)性較差；c取值小將導(dǎo)致ε靈敏度降低，加大訓(xùn)練誤差。懲罰參數(shù)c對SVR模型的復(fù)雜程度和適應(yīng)性起平衡折衷作用，在應(yīng)用中需要人為設(shè)置。此時的目標函數(shù)是一個凸二次規(guī)劃問題，可以應(yīng)用拉格朗日對偶性變換到對偶變量的優(yōu)化問題求解。目標函數(shù)變?yōu)椋篹ndprint

minw，bmaxαi，α*i， βi，β*iLP=1[]2[SX）]‖w‖2+c∑Ni=1αi（ε+ξi-yi+wTxi+b）-

∑Ni=1αi（ε+ξi+yi-wTxi-b）-∑Ni=1（βιξi+βiξi）（5）

其中αi，α*i， βi，β*i≥0，i=1，2，…N為拉格朗日乘子。由于滿足KKT條件，上述minw，bmaxαi，α*i， βi，β*iLP原始問題可以轉(zhuǎn)化為對偶問題maxαi，α*i， βi，β*iminw，bLD更容易求解。因此目標函數(shù)轉(zhuǎn)換為：

maxαi，αi LD=-12Ni=1Nj=1（αi-α*i）（αj-αj）-εNi=1（αi+α*i）+Ni=1yi（αi-α*i）

s.t.Ni=1（αi-α*i）i=0， 0≤αi，αi≤c， （6）

求得相應(yīng)的回歸估計函數(shù)：

f（x）=Ni=1（αi-αi）+b（7）

在尋優(yōu)目標函數(shù)中，采用適當?shù)膬?nèi)積函數(shù)K（xi，xj）=<φ（xi）·φ（xj）>可以實現(xiàn)某一非線性變換后的線性回歸，非線性情況下目標函數(shù)如下：

f（x）=Ni=1（αi-αi）K（xi，xj）+b

w=Ni=1（αi-αi）φ（xi）（8）

SVR是一種以核思想為基礎(chǔ)的模型訓(xùn)練方法，其性能在很大程度上由核函數(shù)與相關(guān)超參數(shù)（c和g）的選擇所決定。常用的核函數(shù)類型有線性（Linear）、多項式型（Polynomial）、徑向基函數(shù)（Radial basis function，RBF）和Sigmoid。而且不同類型的核函數(shù)都有與之密切相關(guān)的參數(shù)，以RBF為例，（xi，xj）=exp（

Symbolm@@ ‖xi-xj‖2/σ2）=exp（

Symbolm@@ g‖xi-xj‖2）， 核函數(shù)參數(shù)為g，可表征參與訓(xùn)練的樣本數(shù)據(jù)的分布特征，確定局部范圍內(nèi)相鄰區(qū)域間隔。

本研究綜合考慮非線性因素并降低模型復(fù)雜度，選擇非線性函數(shù)RBF作為核函數(shù)。相比Sigmoid、多項式核函數(shù)等多參數(shù)情況，RBF核函數(shù)參數(shù)僅有一項。此時，需要優(yōu)選的相關(guān)超參數(shù)為懲罰參數(shù)c和核函數(shù)參數(shù)g。目前較常使用的參數(shù)尋優(yōu)方法為網(wǎng)格搜索（Grid search，GS）。

2.2實驗儀器

本課題組自行設(shè)計搭建的LVF型人體血液成分近紅外光譜檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括光源系統(tǒng)、手指固定裝置、分光系統(tǒng)、探測系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)。光譜采集波段范圍650～1000 nm，采集速率50幅/s， 信噪比>15000∶1。

2.2.1光源系統(tǒng)Hb在600～1000 nm有較強的吸收譜帶[21]，為此，設(shè)置系統(tǒng)采集波段為可見近紅外區(qū)650～1000 nm譜區(qū)。優(yōu)選該范圍內(nèi)9個不同中心波長的LED耦合成650～1000 nm寬波段測量光源，并以3×3矩陣形式緊密排列。組合光源能夠克服單LED的窄帶寬限制，滿足寬譜區(qū)測量要求，且能夠有效減少溫度變化對測量精度的影響。此外，為使陣列式LED組合光源在檢測位置處形成各中心波長能量均勻分布、直徑<8 mm的圓形匯聚光斑，于光源前方設(shè)計加裝透鏡系統(tǒng)。

2.2.2手指固定裝置由柔性材料制成的具有獨特結(jié)構(gòu)的裝置可將人體右手食指固定在有效檢測位置（即光源匯聚光斑處）。通過施加適當壓力，確保食指前端的平穩(wěn)狀態(tài)，從而有效避免測量過程中因不自主抖動造成的檢測位置偏移，提高光譜采集穩(wěn)定性。

2.2.3探測器選型由于心臟搏動、血液循環(huán)等生理活動，人體血流容積隨時間產(chǎn)生周期性變化，這將導(dǎo)致在不同時刻、同一位置所測血液成分信息對應(yīng)不同光程，進而影響分析結(jié)果。為此，本研究選擇日本HAMAMATSU公司16象元陣列式Si探測器（S411116R），以實現(xiàn)同一時刻獲取全部光譜信息，有效避免血管容積隨時間變化引起的光程差異問題。此外，線陣列式探測器與LVF分光光譜線性變化特性匹配，配合使用可有效提升儀器性能、精簡儀器結(jié)構(gòu)，獨立像元也可有效避免信號串擾問題。

2.2.4分光元件優(yōu)化設(shè)計線性漸變?yōu)V光片基本尺寸與膜系結(jié)構(gòu)，采用的濾光片參數(shù)如下：有效區(qū)域長度 12.8 mm；有效波段 620～1080 nm；分辨率（即半峰寬）<1.5%中心波長；峰值透過率>60%；截止深度<0.1%；線性漸變系數(shù)為（35.9±5.0） nm/mm。LVF緊靠線陣列式探測器安裝，可有效縮短光路，在精簡儀器結(jié)構(gòu)的同時，降低了光束傳播中的能量損失。

2.3實驗方法

2.3.1數(shù)據(jù)采集實驗測量對象為參加醫(yī)院常規(guī)體檢的100位志愿者（年齡范圍27～79歲；男女比例約1∶1.3，志愿者知情同意參與測試）。

光譜檢測設(shè)備無創(chuàng)采集每位志愿者手指前端光譜信號。開始測量前，受檢者需靜坐10 s，狀態(tài)平穩(wěn)后將右手食指放入儀器固定裝置，要求受檢者手指前端輕壓并完全覆蓋通光孔。隨后，開始光譜信號采集，采集時間約為20 s， 環(huán)境溫度保持在20～22℃。光譜信號采集完成后，即刻抽取志愿者靜脈血樣，經(jīng)理化方法分析，獲得對應(yīng)的Hb檢測值，作為真實值。圖2為采集的人體食指指端近紅外光譜吸光度特性。

2.3.2樣品集劃分為建立穩(wěn)健的定標模型，將100組樣品劃分為3個樣品集：定標集和驗證集1和2（表1）。應(yīng)用定標集樣品建立校正模型后，分別對驗證集1和2中樣品Hb含量進行定量分析，綜合分析定標模型Hb預(yù)測精度與對不同樣品的適應(yīng)能力。樣品集劃分過程中，依據(jù)濃度范圍均勻分布的原則，將100組樣品按照真實值遞增順序排列， 等間隔梯度選取52份樣品作為定標集，剩余樣品隨機平分成兩組驗證集。定標集和兩組驗證集樣品數(shù)量比值約為2∶1∶1。

3結(jié)果與討論

近年來，SVR因兼具全局最優(yōu)性和較好的泛化能力，被廣泛應(yīng)用于化學(xué)計量學(xué)中的定量分析研究 中[18～20] 。本研究應(yīng)用SVR算法建立人體光譜吸光度數(shù)據(jù)與Hb生化檢測指標之間的回歸關(guān)系，即定標模型，優(yōu)選RBF作為核函數(shù)。此時，需要優(yōu)選的相關(guān)參數(shù)為懲罰參數(shù)c和核函數(shù)參數(shù)g。為提升SVR模型穩(wěn)健性，使用網(wǎng)格搜索方法，在[

Symbolm@@ 28，28]（即[

Symbolm@@ 256，256]）區(qū)間內(nèi)尋找最優(yōu)c，g參數(shù)組合。網(wǎng)格搜索方法基于交叉驗證（CV）理論，以定標集交叉驗證標準偏差為評價標準。 應(yīng)用Matlab軟件進行尋優(yōu)計算，優(yōu)選參數(shù)結(jié)果如圖3所示，此時交叉驗證標準偏差最小。

以網(wǎng)格搜索方法優(yōu)選的參數(shù)組合c=5.28， g=0.33為基礎(chǔ)，建立SVR定標模型，并分別對驗證集1和2中樣品的Hb濃度定量分析，預(yù)測結(jié)果如圖4所示：預(yù)測相關(guān)系數(shù)（Prediction correlation coefficient， Rp） 分別為0.77和0.70，預(yù)測標準偏差（Root mean squared error of prediction， RMSEP）分別為10.20 g/L和10.85 g/L，相對預(yù)測標準偏差（Relative root mean squared error of prediction， RRMSEP） 分半為6.85%和7.48%。

實驗結(jié)果表明，以SVR為基礎(chǔ)，針對人體血紅蛋白含量的無創(chuàng)檢測精度較高，基本接近臨床檢測方法的檢測精度，可望用于貧血癥早期診斷。同時，SVR模型對不同預(yù)測樣品的適應(yīng)性較強，泛化能力較好，具有較強的穩(wěn)定性。應(yīng)用NISR無創(chuàng)檢測人體血液成分時，實際測量的近紅外吸收光譜數(shù)據(jù)與樣品化學(xué)測量值之間會存在一定的非線性因素影響，如由血液、皮膚組織光散射作用導(dǎo)致的光譜吸收峰漂移；待測成份濃度過低或過高；待測成分與其它組分間的相互作用； 以及儀器噪聲、基線漂移等。SVR在解決線性、非線性回歸問題方面均具有較為突出的優(yōu)勢。尤其針對光譜數(shù)據(jù)與樣品化學(xué)測量值間存在的非線影響因素， SVR可以轉(zhuǎn)化為凸二次規(guī)劃問題求解，成功引入內(nèi)積形式，從而可通過適當選用核函數(shù)有效解決非線性回歸問題；且轉(zhuǎn)化為凸二次規(guī)劃問題后， SVR理論上可得到全局最優(yōu)解，從而有效提升對血紅蛋白的定量分析精度；此外SVR由于引入松弛變量ξ，有效提升模型對異常值以及噪音的容忍性，進一步加強SVR定標模型對不同檢測個體的適應(yīng)性及對血紅蛋白成分的預(yù)測穩(wěn)定性。因此，SVR適用于光譜信號較為復(fù)雜的人體血紅蛋白無創(chuàng)檢測。

4結(jié) 論

本研究以LVF與16像元陣線陣列式探測器為基礎(chǔ)，設(shè)計搭建高性能、小型化便攜式血液成分分析設(shè)備，開展人體Hb在體測量。采用網(wǎng)格搜索方法優(yōu)選相關(guān)參數(shù)，以優(yōu)選的參數(shù)組合c=5.28， g=0.33為基礎(chǔ)，建立SVR定標模型并分別對驗證集1和2中Hb水平進行定量分析。本法預(yù)測精度較高，SVR模型對不同預(yù)測樣品的適應(yīng)性較強，泛化能力較好，具有較強的穩(wěn)定性。結(jié)合SVR算法，線性漸變?yōu)V光片型近紅外光譜檢測設(shè)備在貧血癥診斷領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。

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Support Vector Regression for Noninvasive Detection of

Human Hemoglobin

YUAN JingZe1，2， LU QiPeng*1， WANG JingLi3， DING HaiQuan1， GAO HongZhi1， WU ChunYang1，2， LI WanXia1，2

1（State Key Laboratory of Applied Optics， Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics， and Physics，

Chinese Academy of Sciences， Changchun130033， China）

2（University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

3（Cancer Center， The First Hospital of Jinlin University， Changchun 130021， China）

AbstractTo facilitate noninvasive diagnosis of anemia， highperformance and portable near infrared （NIR） spectrometer for human blood constituents was designed and fabricated based on linear variable filter （LVF）. Meanwhile， the performance of support vector regression （SVR） model for quantitative analysis of human hemoglobin （Hb） was investigated. Spectral data were collected noninvasively from 100 volunteers by selfdesigned LVFNIR spectrometer， then divided into calibration set， validation set 1 and 2. To establish a robust SVR model， grid search method was applied to optimize the penalty parameter and kernel function parameter c=5.28， g=0.33. Then， Hb levels in the validation 1 and 2 sets were quantitatively analyzed. The results showed that the root mean square error of prediction （RMSEP） were 10.20 g/L and 10.85 g/L， respectively， and the relative RMSEP （RRMSEP） were 6.85% and 7.48%， respectively. The results indicated that the SVR model had high prediction accuracy to Hb level and adaptability to different samples， and could satisfy the requirements of clinical measurement. Based on the SVR algorithm， the selfdesigned LVFNIR spectrometer has a wide application prospect in the field of noninvasive anemia diagnosis.

KeywordsNoninvasive detection； Hemoglobin； Nearinfrared spectroscopy； Support vector regression； Portable device

（Received 16 February 2017； accepted 10 August 2017）

This work was supported by the National High Technology Research and Development Program of China （No.2012AA022602） and the National Natural Science Foundation of China （Nos. 61308067， 61475155）.endprint