胖不胖：看人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)怎么“稱(chēng)”

來(lái)源：科技日?qǐng)?bào) 2016-10-21 趙文紅

　　肥胖是世界衛(wèi)生組織確定的十大慢性疾病之一，而中國(guó)的肥胖現(xiàn)狀更為嚴(yán)峻。世界衛(wèi)生組織的最新報(bào)告顯示，在我國(guó)現(xiàn)有近9000萬(wàn)肥胖者，這一數(shù)字已超越美國(guó)居世界首位。肥胖常與心血管、高血脂、糖尿病等疾病相伴，更增加了對(duì)人體健康的威脅。然而，怎樣才算肥胖，如何對(duì)肥胖進(jìn)行更確切的評(píng)估呢？2016年第3期《前沿科學(xué)》刊載了清華大學(xué)體育與健康科學(xué)研究中心主任張冰教授等的論文“基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的體脂百分比評(píng)估模型研究”，對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)解讀。

　　張冰告訴記者，通常人體體重可劃分為兩部分，脂肪組織的重量和去脂肪重量。人體成分是指人體中的脂肪重量和去脂體重占體重的比例，而用來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)人的身體成分最重要的指數(shù)就是體脂百分比或稱(chēng)脂肪率，即脂肪重量占人體體重的百分比。

　　近幾十年隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，用來(lái)進(jìn)行人體成分評(píng)測(cè)的方法和技術(shù)越來(lái)越豐富。據(jù)張冰介紹，評(píng)估人體成分的直接方法是通過(guò)尸體解剖進(jìn)行分析，其他的評(píng)價(jià)方法都是間接的。由于尸體的研究數(shù)量有限，所以許多身體成分的評(píng)價(jià)技術(shù)可以被稱(chēng)為雙重間接測(cè)試，也就是通過(guò)另一個(gè)間接測(cè)試方法、誤差以及隨后的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行估測(cè)。如此間接的結(jié)果，大多數(shù)是用來(lái)對(duì)人體成分進(jìn)行估測(cè)或預(yù)測(cè)。而估測(cè)的方法也從簡(jiǎn)單易行的方法到非常復(fù)雜昂貴的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試等，也可以按照測(cè)試人員的技能和儀器設(shè)備兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行分類(lèi)。比較復(fù)雜的測(cè)試方法有實(shí)驗(yàn)室的水下稱(chēng)重法、雙能X射線(xiàn)測(cè)試法、總體電導(dǎo)率或阻抗、核磁共振成像等，而比較簡(jiǎn)單的方法有皮褶測(cè)試法、圍度測(cè)試法、生物電阻抗等。其中水下稱(chēng)重密度測(cè)試方法歷來(lái)被認(rèn)為是人體成分測(cè)量的金標(biāo)準(zhǔn)，其主要通過(guò)水下人體重量與人體密度密切相關(guān)的原理來(lái)進(jìn)行估測(cè)的。以上檢測(cè)測(cè)量設(shè)備對(duì)環(huán)境、成本等要求較高，所以通過(guò)人體測(cè)量學(xué)的方法對(duì)青少年和成人的身體成分進(jìn)行評(píng)測(cè)顯得尤為重要。

　　“人體測(cè)量方法可以用來(lái)評(píng)估身體形態(tài)及身體成分的比例，具體方法包括身高、體重、身材比例、圍度、皮褶厚度、骨骼圍度和長(zhǎng)度等。”張冰說(shuō)。通過(guò)篩查，選定了研究樣本量在1000人以上的三個(gè)國(guó)外經(jīng)典體脂百分比預(yù)測(cè)方程作為比較對(duì)象。本次測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室采用韓國(guó)Inbody3.0測(cè)試儀器，主要以大學(xué)生及大學(xué)附近的社區(qū)居民為主要對(duì)象。總計(jì)測(cè)試了1000人，其中男女各500人，年齡在20歲至76歲之間，體質(zhì)指數(shù)（BMI）在16.2—42.7 kg/m2之間。進(jìn)一步線(xiàn)性相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，三個(gè)公式同Inbody3.0儀器測(cè)試均呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)關(guān)系。相比原公式推導(dǎo)時(shí)的驗(yàn)證的相關(guān)系數(shù)，本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均達(dá)到或超過(guò)了原實(shí)驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)，可以看出三個(gè)經(jīng)典方程對(duì)于估測(cè)體脂百分比均有較好的效度。采用1000人的Inbody3.0儀器檢測(cè)數(shù)據(jù)，輸入指標(biāo)為年齡、性別、身高、體重和BMI指標(biāo)，利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模實(shí)現(xiàn)更加精確的評(píng)估。

　　張冰說(shuō)，人腦可以看作是一個(gè)高度復(fù)雜的、非線(xiàn)性的和并行的信息處理系統(tǒng)。神經(jīng)元是人腦神經(jīng)系統(tǒng)的最基本結(jié)構(gòu)單元，當(dāng)一個(gè)神經(jīng)元被激活后，一個(gè)信號(hào)在該神經(jīng)元的軸突傳遞，最終經(jīng)過(guò)該神經(jīng)元的軸突末梢將信號(hào)傳遞給其他神經(jīng)元或神經(jīng)。通過(guò)刺激傳遞，人腦能完成許多高效計(jì)算機(jī)也難以完成的感知識(shí)別任務(wù)。

　　什么是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)呢？張冰說(shuō)：“隨著神經(jīng)生物學(xué)、生理學(xué)的發(fā)展，人們?cè)噲D通過(guò)模仿人腦的一些基本的信息處理方法建立模型，這種模仿大腦的功能稱(chēng)為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。”如果從自適應(yīng)機(jī)器的視角對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，可以將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)看作是有簡(jiǎn)單處理單元構(gòu)成的大規(guī)模并行分布式處理器，其天然地具備存儲(chǔ)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和使之可用的特性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同人腦主要有兩個(gè)方面比較相似，一是通過(guò)學(xué)習(xí)從外界環(huán)境中獲取知識(shí)，二是互聯(lián)神經(jīng)元的連接強(qiáng)度及突觸權(quán)值用于存儲(chǔ)所獲得的知識(shí)。張冰認(rèn)為，盡管不是所有問(wèn)題都適合采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于許多問(wèn)題還是非常好的解決方法之一。相較于傳統(tǒng)程序算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)相同功能而用更少的代碼。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于求解一些難以用固定模式解決的問(wèn)題比較適合，如模式識(shí)別、分組分類(lèi)、預(yù)測(cè)和數(shù)據(jù)挖掘等。單層感知器只能解決線(xiàn)性可分的問(wèn)題，而實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中大量的問(wèn)題都屬于線(xiàn)性不可分問(wèn)題，而采用多層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的預(yù)測(cè)及分類(lèi)任務(wù)。

　　目前人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)至少已經(jīng)有幾十種模型，例如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。其中應(yīng)用最多、范圍最廣的應(yīng)屬BP算法，其采用非循環(huán)多級(jí)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練算法，雖收斂速度較慢，但因其具有廣泛的適用性，使得它自從被提出后很快就成為應(yīng)用最為廣泛的多層網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法。可以說(shuō)BP算法的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了多層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有算法的缺點(diǎn)。

　　張冰指出，采用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)數(shù)萬(wàn)次的反復(fù)分析、訓(xùn)練，計(jì)算，確定了輸入指標(biāo)為年齡、性別、身高和BMI2，采用最大錯(cuò)誤率為萬(wàn)分之一，學(xué)習(xí)率0.02，記憶率0.7，訓(xùn)練次數(shù)2萬(wàn)次得出結(jié)果符合預(yù)期要求，將經(jīng)典回歸方程的偏倚程度縮小了0.9，評(píng)估準(zhǔn)確性在其基礎(chǔ)上提高了7.6%?？傮w上來(lái)看，通過(guò)BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型估算方法比前面的三個(gè)估測(cè)方程更加理想，可以更確切的進(jìn)行體脂百分比的評(píng)估。

編輯：苑苑