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胖不胖:看人工神经网络怎么“称”

发布时间:2019-10-09 14:23:27 编辑:笔名

肥胖是世界卫生组织确定的十大慢性疾病之一,而中国的肥胖现状更为严峻。世界卫生组织的最新报告显示,在我国现有近9000万肥胖者,这一数字已超越美国居世界首位。肥胖常与心血管、高血脂、糖尿病等疾病相伴,更增加了对人体健康的威胁。然而,怎样才算肥胖,如何对肥胖进行更确切的评估呢?2016年第3期《前沿科学》刊载了清华大学体育与健康科学研究中心主任张冰教授等的论文“基于BP神经网络的体脂百分比评估模型研究”,对这一问题进行了详细解读。

张冰告诉记者,通常人体体重可划分为两部分,脂肪组织的重量和去脂肪重量。人体成分是指人体中的脂肪重量和去脂体重占体重的比例,而用来评价一个人的身体成分最重要的指数就是体脂百分比或称脂肪率,即脂肪重量占人体体重的百分比。

近几十年随着科学技术的发展,用来进行人体成分评测的方法和技术越来越丰富。据张冰介绍,评估人体成分的直接方法是通过尸体解剖进行分析,其他的评价方法都是间接的。由于尸体的研究数量有限,所以许多身体成分的评价技术可以被称为双重间接测试,也就是通过另一个间接测试方法、误差以及随后的测量数据进行估测。如此间接的结果,大多数是用来对人体成分进行估测或预测。而估测的方法也从简单易行的方法到非常复杂昂贵的实验室测试等,也可以按照测试人员的技能和仪器设备两个参数进行分类。比较复杂的测试方法有实验室的水下称重法、双能X射线测试法、总体电导率或阻抗、核磁共振成像等,而比较简单的方法有皮褶测试法、围度测试法、生物电阻抗等。其中水下称重密度测试方法历来被认为是人体成分测量的金标准,其主要通过水下人体重量与人体密度密切相关的原理来进行估测的。以上检测测量设备对环境、成本等要求较高,所以通过人体测量学的方法对青少年和成人的身体成分进行评测显得尤为重要。

“人体测量方法可以用来评估身体形态及身体成分的比例,具体方法包括身高、体重、身材比例、围度、皮褶厚度、骨骼围度和长度等。”张冰说。通过筛查,选定了研究样本量在1000人以上的三个国外经典体脂百分比预测方程作为比较对象。本次测试在实验室采用韩国Inbody3.0测试仪器,主要以大学生及大学附近的社区居民为主要对象。总计测试了1000人,其中男女各500人,年龄在20岁至76岁之间,体质指数(BMI)在16.2—42.7 kg/m2之间。进一步线性相关分析发现,三个公式同Inbody3.0仪器测试均呈现出显著的相关关系。相比原公式推导时的验证的相关系数,本次实验数据均达到或超过了原实验的相关系数,可以看出三个经典方程对于估测体脂百分比均有较好的效度。采用1000人的Inbody3.0仪器检测数据,输入指标为年龄、性别、身高、体重和BMI指标,利用BP人工神经网络进行建模实现更加精确的评估。

张冰说,人脑可以看作是一个高度复杂的、非线性的和并行的信息处理系统。神经元是人脑神经系统的最基本结构单元,当一个神经元被激活后,一个信号在该神经元的轴突传递,最终经过该神经元的轴突末梢将信号传递给其他神经元或神经。通过刺激传递,人脑能完成许多高效计算机也难以完成的感知识别任务。

什么是人工神经网络呢?张冰说:“随着神经生物学、生理学的发展,人们试图通过模仿人脑的一些基本的信息处理方法建立模型,这种模仿大脑的功能称为人工神经网络。”如果从自适应机器的视角对神经网络进行分析,可以将神经网络看作是有简单处理单元构成的大规模并行分布式处理器,其天然地具备存储经验知识和使之可用的特性。神经网络同人脑主要有两个方面比较相似,一是通过学习从外界环境中获取知识,二是互联神经元的连接强度及突触权值用于存储所获得的知识。张冰认为,尽管不是所有问题都适合采用神经网络来解决,但神经网络对于许多问题还是非常好的解决方法之一。相较于传统程序算法,神经网络可以实现相同功能而用更少的代码。神经网络对于求解一些难以用固定模式解决的问题比较适合,如模式识别、分组分类、预测和数据挖掘等。单层感知器只能解决线性可分的问题,而实际应用过程中大量的问题都属于线性不可分问题,而采用多层人工神经网络可以实现复杂的预测及分类任务。

目前人工神经网络至少已经有几十种模型,例如BP神经网络、RBF神经网络、ART神经网络等。其中应用最多、范围最广的应属BP算法,其采用非循环多级网络的训练算法,虽收敛速度较慢,但因其具有广泛的适用性,使得它自从被提出后很快就成为应用最为广泛的多层网络训练算法。可以说BP算法的出现,弥补了多层人工神经网络没有算法的缺点。

张冰指出,采用BP人工神经网络经过数万次的反复分析、训练,计算,确定了输入指标为年龄、性别、身高和BMI2,采用最大错误率为万分之一,学习率0.02,记忆率0.7,训练次数2万次得出结果符合预期要求,将经典回归方程的偏倚程度缩小了0.9,评估准确性在其基础上提高了7.6%。总体上来看,通过BP人工神经网络模型估算方法比前面的三个估测方程更加理想,可以更确切的进行体脂百分比的评估。

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