（计算机应用技术专业论文）老年痴呆症早期预测专家系统研究与应用.pdf

摘要 老年痴呆症( a l z h e i m e r d i s e a ，a d ) 是一种高发性老年疾病，随着全球人口老龄化 的日益严重，越来越成为一个严重的社会问题。轻度认知损伤( m i l dc o g n i t i o n i m p a i r m e n t ，m c i ) 为正常老年向a d 转化的过渡阶段，因此m c i 群体的研究对于a d 的早期诊断和早期预测具有重要意义。传统的m c i 诊断方法是依靠多个记忆力和认知 能力的国际标准量表的测试，如果各量表的测查结果一致，被试者状态确定，则可以直 接做出诊断，但如果各量表测查结果不一致，被试者状态待定，则需要神经内科医生权 衡各项指标，并查看具体的测试过程来进行主观判断。 本文改进了传统的m c i 诊断方法，提出了一个基于单类支持向量机的诊断模型， 并实现了该诊断模型。在诊断模型的基础上，本文构建了一个以j 2 e e 为框架的b s 模 式的专家系统，利用该专家系统进行m c i 的诊断。 为了使实验更加便于操作，本文采用修订后的m c i 诊断标准。采集被试者记忆力 与认知能力等方面的数据并进行预处理，将预处理后的状态确定的被试者数据作为诊断 模型中推理机的训练数据，将状态待定的被试者数据作为测试数据，最后由该诊断模型 给出状态待定的被试者是否有m c i 倾向。在推理机的建立部分，本文采用单类支持向 量机分类技术，分别从核函数的选择及参数寻优、训练样本预处理、训练算法等几方面 详细阐述了推理机的建立与训练。其中，本文采用格点搜索法的改进方法与交叉验证的 方法来寻找核函数的最优参数，从而避免训练中可能出现的过学习问题。本文还给出了 一种新的样本处理方式，对训练样本进行预处理，在不影响正确率的情况下，缩短了训 练时间。 实验从大连、沈阳等地区寻找出年龄在4 5 7 5 岁之间的5 5 名被试者，采集他们的 记忆力与认知能力方面的数据a 将专家的诊断结果与专家系统的诊断结果进行了对比。 结果表明，使用该诊断模型的专家系统对m c i 的预测精度达到了8 5 7 ，能够较好地将 正常被试者和m c i 被试者分离，达到了早期预测的目的，并且避免了传统诊断方法中 人为因素的干扰，是一种有效的m c i 诊断模型。 关键词：单类支持向量机；诊断模型；老年痴呆症；轻度认知损伤；专家系统 大连理工大学硕士学位论文 s t u d y a n da p p l i c a t i o no f a l z h e i m e rd i s e a s ef o r e c a s te x p e r ts y s t e m a b s t r a c l ： a l z h e i m e rd i s e a s e ( a d ) i sf l , h i g hi n c i d e n c eo fs e n i l ed i s e a s e s a st h eg l o b a la c i n go f t h ep o p u l a t i o ni sb e c o m i n gi n e l v a s i n g l ys e r i o u s ，a di si n c r e a s i n g l yb e c o m i n gas e r i o u ss o c i a l p r o b l e m m i l dc o g n i t i v ei m p a i r m e n t ( m c i ) i sa s t a t eb c t w c 捌l ln o l r n a la g i n ga n da d t h e l a t e s tl e p o r t $ s a i dt h a tm c ii sar e p r e s e n t a t i v eo f t h ev e r ye a r l ya ds t a g e t h e r e f o r et h es t u d y o fm c ii so fg r e a ts i g n i f i e a l w , et oa d t h et r a d i t i o n a lm e t h o dt od i a g n o s em c ii sb a s e do n t h es c a l et e s t i n g i t 啪m a k ed i r e c td i a g n o s i si f t h er e s u l to f t l a es c a l et e s t i n gi sc o n s i s t e n t b u t w t l e nt h er e s u l tc o m e st oe o n f l i c t i tn e e d sap h y s i e i a nt od i a g n o s ea n dj u d g e t h i sp a p e ri m p l - 0 1 c e st h et r a d i t i o m lm c id i a g n o s t i cm e t h o d , p r o p o s e sa n di m p l e m e n t sa d i a g n o s t i cm o d e lb a s e do no n e - c l a s ss u p p o r tv e c t 0 i rm a c h i n e ab sm o d ee x p e r ts y s t e m b a s e do nt h i sd i a g n o s t i cm o d e lu s i n gj 2 e ef r a m e w o r ki se o m - m l e t 脚i no r d e rt od i 鲫o m c l i no r d e rt oo p e r a t em o r ec o n v e n i e n t , t h i sp a p e ra d o p t sn w i s c dd i a g n o s t i cc r i t e r i ao f m c l , a n dc o l l e c t ss u b j e c t s d a t ao fm e m o r ya n dc o g n i t i v ea b i l i t ya n dp r e t r e a t s t h ed i a g n o s t i c m o d e lu s e si d e n d f i e ds t a t ed a t aa si t st r a i n i n gd a t at ol r a i nt h ei n f e r e n c ee n g i n e ，a n d 嘲 t m e e r t a i ns t a t ed a t aa si t st e s td a t a f i n a l l yt h ec l i a g n o s t i em o d e lg i v e st h el e s u l td fw h e t h e r t h e r ei sam c it e n d e n c yo ft m e e r t a i ns u b j e ：c t s i nt h ee s t a b l i s h m e n to ft h ei n f e r e n c ee n g i n e , t h ep a p e ru s e so n e - c l a s ss u p p o r tv e c t o rm a c h i n ee l a s s i t i e a t i o nt e c h n o l o g y i tf o c u s e so n s e v e r a la s p e c t ss u c h 嬲c h o i c eo f k e r n e lf u n c t i o na n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n , t h ep r e t r e a u n e a t o fl r a i n i n gs a m p l e t r a i n i n ga l g o r i t h ma n ds oo i l , t h ep a p e ru s e sg r i ds e a r c ha n dc r o s s v a l i d a t i o nt oa v o i do v e rf i t t i n gp r o b l e m s i nt h ep r o c e s so f s p e c i f i c ar l e ：wm e t h o do f h a n d l i n g s a m p l e 。i sp r o p o s e d t h i sm e t h o dr e d u c e st h e 仃a i n i n gt i m e , b u tt h ec o r r e c tr a t el 即3 a i l 3 s b a s i c a l l yu n c h a n g e d t h ee x p e r i m e n tf m d so u t5 5p e i s o i l sa tt h ea g eo f4 5 - 7 5f r o md a l i a na n ds h e n y a n g i t c o l l e c t st h e i rd a t ao fm e m o r ya n dc o g n i t i v ea b i l i t y t h ee x p e r i m e n tc o m p a r e st h ed i a g n o s t i c r e s u l t so ft h ep h y s i c i a na n dt h es y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e d i c t i o na c c u r a c yo ft h e d i a g n o s t i cm o d e lr e a c h e s8 5 弼t h i sm o d e la v o i d sm a n - m a d ef a c t o r s i t i sa ne f f e c t i v e m o d e lf o rd i a g n o s i n gm c i k e yw o r d s ：o n e - c l a s ss u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ；d i a g n o s t i cm o d e l ；a l z l a e i m e rd i s e a s e ； m i l dc o g n i t i v et r a p a i r m e n t ；e x p e r ts y s t e m i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：二墨牡日期：兰渊 大连理i 一人学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：三= 塾堑坌： 导师签名： 兰：舅兰华 2 丑年止月立日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 老年痴呆症( a l z h e i m e rd i s e a s e ，a d ) 是一种高发性老年疾病【l j ，随着全球人1 2 1 老龄 化的日益严重，a d 越来越成为一个严重的社会问题。据世界卫生组织( w h o ) 统计，老 年人口中，a d 患病率占总人口的4 5 ，8 0 岁以上的老年人可占1 7 - 2 0 。在美国， a d 的患病入口为4 0 0 万，到下世纪中叶这个数字将上升到1 1 0 0 万，每年花费为1 0 0 亿美元。在中国，据城乡普查结果表明【2 j ，6 0 岁以上人口中，a d 患病率为2 3 8 1 0 万人 口，a d 在我国估计约6 4 5 万病人，而且随年龄每增加5 岁，a d 的患病率将增加两倍， 在8 0 - 8 5 岁的病人中有2 0 的老年人患有老年痴呆症。据估计，到2 0 2 5 年，世界范围 内a d 的患病人口将超过2 2 0 0 万。a d 作为老年期痴呆的主要类型，是继心脏病、癌症、 中风之后的第四位致死原因，给患者家庭和社会造成了很大的负担及压力。因此对a d 的防治已引起医学界乃至全社会的广泛重视 1 1 研究背景 1 1 1 老年痴呆症及其早期预测 老年痴呆症是指老年期出现的已获碍的智能持续损害，智能缺失和社会适应能力降 低。a d 属于隐袭发病型、以智能障碍为主的慢性进行性疾病，家属及患者均无法记得 发病的确切时间，一直到痴呆症状较明显时才到医院检查，其主要表现为1 3 l ：在智能方 面出现抽象思维能力丧失，推理判断与计划不足，注意力缺失；在人格方面出现兴趣与 始动性丧失，情绪迟钝或难以抑制，社会行为不端，不拘小节；在记忆方面出现遗忘， 不能学习，时间、地形、视觉与空间定向能力差；在言语与认知功能方面出现说话不流 利，注意力降低，综合能力缺失。老年性痴呆的出现给家庭和社会造成极大痛苦和负担。 当前还未发现a d 早期的诊断标志，其确切病因和发病机制尚不清楚，需要在脑皮 质区域中发现广泛存在的老年斑( s e n i l ep l a q u e s ，s p s ) 及神经纤维缠结( n e u r o f i b r i l l a r y t a n g l e s ，n f t s ) 才能得到确诊，并且国内外目前对于a d 均无有效的治疗方法，主要采 用药物治疗，如脑血循环改善剂、神经递质前体物质、神经递质合成促进剂、神经递质 分解酶抑制剂、中草药等，虽然取得了一定进展，但基本处于试验阶段，另外，药物治 疗只是老年性痴呆防治措施中的一个环节，也只能是患者出现痴呆的症状后，才予以实 施。由于该病难以早期确诊，容易被患者及家属忽视，从而失去最佳的治疗时机，因此， 对a d 进行早期诊断并采取有效的防治与干预方法，具有巨大的社会市场需求，对于该 病的防治具有重大意义，关系到中华民族的整体素质和国家的持续发展。 老年痴呆症早期预测专家系统研究与应用 1 1 2 轻度认知损伤 轻度认知损伤( m 埘c o g n i t i o ni m p a i r m e n t ，m c i ) 的概念最初由p e t e m e n 【4 】提出，是 一种发生在老年人群中的综合症，通常表现为轻度的记忆或认知功能损害，其损害程度 比生理性健忘症严重，但未达到痴呆的程度，且未丧失基本的日常生活能力。此外， m c i 也可有语言、注意力和视空间能力损害等。 关于m c i 的确切定义尚存在一些争议，目前神经心理学医师多倾向于将其分为3 类1 5 】： ( 1 ) 遗忘型m c i ( a n m e s t i cm c i ) ，表现为记忆损伤，最终以很大的概率进展为a d 。 ( 2 ) 多认知领域轻度受损型m c i ( m u l t i p l ed o m a i ns l i g h t l yi m p a i r e dm c i ) ，此类人 群除记忆力受损外，尚有其他认知领域损害，如语言流畅性、注意力、视空间及执行功 能等，这部分病人有可能进展为a d ，也可能发展为血管性痴呆，或是症状保持长期稳 定 ( 3 ) 非记忆领域内单一功能损害型m c i ( s i n g l e - d o m a i n n o n - m e m o r ym c d ，如单纯 语言障碍、注意力减退、执行功能障碍等，前者很可能进展为原发性进行性失语，后者 则进展为额颞叶痴呆( p i c k sd i s e a s e ) 或路易体痴呆( t e w yb o d yd i s e a s e ) 的机会较多。 m c i 的病因不能由已知的神经内科疾病解释，目前被认为是由正常衰老向老年痴呆 发展的过渡阶段。p c t c r s c n 等人的研究表明，每年有1 2 的m c i 患者可能发展为a d ， 而健康对照者仅1 * , - 2 可能发展为a d 。一项对亚洲老年人进行的研究【5 咖发现，认知功 能正常的老年人痴呆发病率为1 - 2 ，而m c i 患者1 年内发展为痴呆的比率为 1 0 * , - 1 5 ，2 年内的比率为4 0 ，3 年内的比率为2 0 * * - 5 3 ，4 5 年内的比率为5 5 。 由此可见。m c i 患者是a d 的高危人群，其发展为a d 的概率远大于正常老人。因而 m c i 群体的研究对a d 的早期诊断和早期预测有着重要的意义，是近年来a d 研究的热 点。所以，我们要想对a d 进行早期预测和早期诊断的第一步，就应该是从正常人群中 挑选出m c i 患者。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 传统的l 诊断方法 ( 1 ) 基于临床记忆力和认知能力量表 该诊断方法是依靠多个记忆力和认知能力的国际标准量表的测试，如简易智力状态 检查( m i n i m e n t a ls t a t ee x a m i n a t i o n ，m m s e ) 量表、日常生活能力( a c t i v i t yo fd a i l y l i v i n g ，a d l ) 量表、临床痴呆等级( c l i n i c a ld e m e n t i ar a t i n g ，c d r ) 量表等。如果各量 表的测查结果均在正常范围或均在m c i 范围内，则直接可以做出诊断，但如果各量表 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 结果不一致，如c d r 评测为正常，而m m s e 的得分在m c i 范围，量表的评测结果产 生冲突，无法做出诊断，此时需要神经科医生权衡各项指标，并查看具体的测试过程来 进行主观判断。 ( 2 ) 基于生物物理学因子闭 脑解剖学。对己逝m c i 患者的脑解剖表明，其大脑神经炎( 老年斑) 和神经元纤 维缠结特征比正常老人更接近痴呆患者，其程度处于二者之间。对去世前受过临床痴呆 等级( c d r ) 评定的患者脑部进行内嗅皮质分层神经元扫描，发现m c i 患者内嗅皮质神 经元个数比正常老化者少3 2 。这种减少在个别区域表现得更明显，比如第二层减少了 6 0 0 , 6 、第四层减少了4 0 0 , 6 ，痴呆患者内嗅皮质神经元个数与正常老年人相比，第二层减 少了9 0 0 , 6 、第四层减少了7 0 0 , 6 ，这表明内嗅皮质神经元减少既能区分正常老年化和m c i ， 又能区分m c i 与痴呆。 分子生物学。所有随访后发展成为痴呆的m c i 患者在发病前脑脊液t a u 蛋白增 加，而那些随访后未发展成痴呆的m c i 患者发病前脑脊液t a u 蛋白水平没有升高，这 说明脑脊液中的t a n 蛋白水平对于预测m c i 患者是否发展成痴呆有一定价值。此外， 有报道指出，a d 患者a p o ee 4 基因型出现频率增加，而m c i 患者无此现象，尤其在 7 0 岁之前。也有人报道a p o ee 4 仅仅对于相对早期发病的遗忘型m c i 来说，可能代表 了向痴呆转化的危险，而不代表其他亚型的m c l 向痴呆转化的危险。但也有研究者认 为认知水平的减退与a p o ee 4 基因型无关。因此，a p o ee 4 基因型对于评价m c i 向痴呆 转化的价值存在很大争议。 诱发电位。g o l o b 等研究发现1 5 例m c i 患者听觉诱发电位的p 5 0 波幅和潜伏期、 p 3 0 0 潜伏期比1 2 例正常被试者明显增长。9 个月内转化为痴呆的2 例m c i 患者的脑电 图比其他m c i 患者的p 5 0 波幅更大、潜伏期更长。这说明p 5 0 波幅和潜伏期增加可能 与发展为痴呆有关。 神经影像学。大样本观察结果表明，严格脑内海马结构磁共振定量测定，海马 萎缩程度可在群体水平预示m c i 向痴呆的转化率，即海马萎缩越明显向痴呆转化率越 高，并且这种预测价值不受其他因素如神经心理测试成绩和a p o ee 4 基因型的影响。但 海马萎缩并不特异，其可以发生在抑郁等患者。此外荧光标记脱氧葡萄糖发现向痴呆转 化的m c i 右侧颞顶皮质及内嗅皮质的局部葡萄糖代谢降低，血流灌注的改变可以先于 结构改变1 2 年，这种神经功能影像的改变可以预测向痴呆转化的m c i ，其正确率为 5 6 - 7 5 ，将其与神经心理评估( 如视空间功能) 相结合预测的准确率为9 0 。 老年痴呆症早期预测专家系统研究与应用 1 2 2 结合专家系统的_ c i 诊断方法 本人所在课题组结合大量研究与实验，自主开发了老年痴呆症早期预测专家系统， 考虑到实验的可行性，利用临床记忆力与认知能力的量表采集数据。在量表数据的基础 上，利用支持向量机分类技术和贝叶斯推理技术这两种主要的数据分析技术，进行数据 建模和数据推理，从正常人群中筛选出有潜在痴呆因素的m c i 患者，从而达到a d 早 期预测的目的。 1 3 本文的主要工作及组织结构 m c i 群体的研究对于老年痴呆症的早期诊断和早期预测具有重要意义，本文尝试用 机器诊断的方法代替人工诊断的方法，在m c i 诊断方面做出了一次新的探索。 本文的主要工作包括以下几个方面： 首先，本文改进了传统的m c i 诊断方法，提出了一个基于单类支持向量机的诊断 模型，并实现了该诊断模型。为了使实验更加便于操作，本文参考p e t e - z s e n 等人的m c i 诊断标准，采用修订后的m c i 诊断标准，采集被试者记忆力与认知能力等方面的数据 并进行预处理，将预处理后的状态确定的被试者数据作为诊断模型中推理机的训练数 据，将状态待定的被试者数据作为测试数据，最后由该诊断模型给出状态待定的被试者 是否有m c i 倾向。 其次，在诊断模型中推理机的建立部分，本文采用单类支持向量机分类技术，分别 从核函数的选择及参数寻优、训练样本预处理、训练算法等几方面详细阐述了推理机的 建立与训练。其中，本文采用格点搜索法的改进方法与交叉验证的方法来寻找核函数的 最优参数，从而避免训练中可能出现的过学习问题。本文还给出了一种新的样本处理方 式，对训练样本进行预处理，在不影响正确率的情况下，缩短了训练时间 最后，在诊断模型的基础上，本文构建了老年痴呆症早期预测专家系统，描述了系 统功能，给出了系统设计思路以及最终的系统实现。利用该专家系统进行m c i 的诊断， 避免了传统诊断方法中人为因素的干扰。 全文共分为四章，文章结构及各章主要内容如下： 第一章：绪论。本章简要介绍了老年痴呆症和轻度认知损伤的基本概念、研究意义 以及研究现状。 第二章：专家系统理论及其应用。本章简要介绍了专家系统的概念、结构以及应用 领域。 第三章：基于单类支持向量机的m c i 诊断模型。本章分别从m c i 诊断标准、被试 者数据预处理、推理机的建立、实验及结果分析四方面详细阐述了m c i 诊断模型其 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 中重点介绍了推理机的建立过程，包括支持向量机分类技术、核函数的选择与参数寻优、 训练样本预处理、训练算法等几方面。 第四章：老年痴呆症早期预测专家系统。本章在诊断模型的基础上，构建了老年痴 呆症早期预测专家系统，描述了系统功能，给出了系统设计思路以及最终的系统实现。 老年痴呆症早期预测专家系统研究与应用 2 专家系统理论及其应用 专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 是人工智能应用研究最活跃和最广泛的课题之一。自 从1 9 6 5 年第一个专家系统d e n d r a l 在美国斯坦福大学问世以来，经过2 0 年的研究开 发，到8 0 年代中期，各种专家系统已遍布各个专业领域，取得很大的成功。 2 1 专家系统理论概述 2 1 专家系统概念 专家系统【7 】是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知 识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。也就是说， 专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机 技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家 的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题，简而言之，专家系统是一种 模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。 专家系统具有下列3 个特点i s - 9 ： ( 1 ) 启发性 专家系统能运用专家的知识与经验进行推理、判断和决策。世界上的大部分工作和 知识都是非数学性的，只有- - 4 部分人类活动是以数学公式为核心的( 约占8 ) 。即使 是化学和物理学科，大部分也是靠推理进行思考的。对于生物学、大部分医学和全部法 律，情况也是这样。企业管理的思考几乎全靠符号推理，而不是数值计算 ( 2 ) 透明性 专家系统能够解释本身的推理过程和回答用户提出的问题，以便让用户能够了解推 理过程，提高对专家系统的信赖感。例如，一个医疗诊断专家系统诊断某病人患有肺炎， 而且必需用某种抗生素治疗，那么，这一专家系统将会向病人解释为什么他息有肺炎， 而且必须用某种抗生素治疗，就像一位医疗专家对病人详细解释病情一样。 ( 3 ) 灵活性 专家系统能不断地增长知识，修改原有知识，不断更新。由于这一特点，使得专家 系统具有十分广泛的应用领域。 近十多年来，专家系统获得迅速发展，应用领域越来越广，解决实际问题的能力越 来越大，这是专家系统的优良性能以及对国民经济的重大作用决定的。具体地说，包括 下列几个方面i 删： ( 1 ) 专家系统能够高效率、准确、周到、迅速和不知疲倦地进行工作 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响，也不可能遗漏忘记。 ( 3 ) 可以使专家的专长不受时间和空间的限制，以便推广珍贵和稀缺的专家知识与 经验。 ( 4 ) 专家系统能促进各领域的发展，它使各领域专家的专业知识和经验得到总结和 精炼，能够广泛有力地传播专家的知识、经验和能力。 ( 5 ) 专家系统能汇集多领域专家的知识和经验以及他们协作解决重大问题的能力， 它拥有更渊博的知识、更丰富的经验和更强的工作能力。 ( 6 ) 专家系统的研制和应用，具有巨大的经济效益和社会效益。 ( 7 ) 研究专家系统能够促进整个科学技术的发展。专家系统对人工智能的各个领域 的发展起了很大的促进作用，并将对科技、经济、国防、教育、社会和人民生活产生极 其深远的影响。 2 1 2 专家系统结构 专家系统的结构是指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式。专家系统通常由 入机交互界面、知识库、推理机、解释器、综合数据库、知识获取等6 个部分构成【1 0 1 。 如图2 1 所示。 人机交互界面 ：些堡i h o 二i 圃医自叶壅 叽器能理解jff 拘表达形式j rl上 知识库卜叫推理机 图2 1 专家系统结构 f i g 2 1e 州s y s t e ms t m c 恤 知识库用来存放专家提供的知识。专家系统的问题求解过程是通过知识库中的知识 来模拟专家的思维方式的，因此，知识库是专家系统质量是否优越的关键所在，即知识 库中知识的质量和数量决定着专家系统的质量水平一般来说，专家系统中的知识库与 一7 一 老年痴呆症早期预测专家系统研究与应用 专家系统程序是相互独立的，用户可以通过改变、完善知识库中的知识内容来提高专家 系统的性能。 推理机针对当前问题的条件或已知信息，反复匹配知识库中的规则，获得新的结论， 以得到问题求解结果。在这里，推理方式可以有正向和反向两种。正向推理是从前件匹 配到结论，反向推理则先假设一个结论成立，看它的条件有没有得到满足。由此可见， 推理机就如同专家解决问题的思维方式，知识库就是通过推理机来实现其价值的。 人机界面是系统与用户进行交流时的界面。通过该界面，用户输入基本信息、回答 系统提出的相关问题，并输出推理结果及相关的解释等。 综合数据库专门用于存储推理过程中所需的原始数据、中间结果和最终结论，往往 是作为暂时的存储区。 解释器能够根据用户的提问，对结论、求解过程做出说明，因而使专家系统更具有 人情味。 系统结构选择恰当与否，是与专家系统的适用性和有效性密切相关的。选择什么结 构最为恰当，要根据系统的应用环境和所执行任务的特点而定。 2 2 专家系统应用 专家系统的应用范围非常广泛，按照不同的功能，可分为以下几类： ( 1 ) 解释专家系统 解释专家系统f 1 1 1 3 1 的任务是通过对已知信息和数据的分析与解释，确定它们的涵 义。解释专家系统具有下列特点： 系统处理的数据量很大，而且往往是不准确的、有错误的或不完全的。 系统能够从不完全的信息中得出解释，并能对数据做出某些假设。 系统的推理过程可能很复杂和很长，因而要求系统具有对自身的推理过程做出 解释的能力。 作为解释专家系统的例子有语音理解、图象分析、系统监视、化学结构分析和信号 解释等。例如，卫星图像( 云图等) 分析、集成电路分析、d e n d r a l 化学结构分析、e l a s 石油测井数据分析、染色体分类、p r o s p e c t o r 地质勘探数据解释和丘陵找水等实用 系统。 ( 2 ) 诊断专家系统 诊断专家系统ij 1 - 1 3 1 的任务是根据观察到的情况( 数据) 来推断出某个对象机能失常 ( 即故障) 的原因。诊断专家系统具有下列特点： 能够了解被诊断对象或客体各组成部分的特性以及它们之间的联系。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 能够区分一种现象及其所掩盖的另一种现象。 能够向用户提出测量的数据，并从不确切信息中得出尽可能正确的诊断。 诊断专家系统的例子特别多，有医疗诊断，电子机械和软件故障诊断以及材料失效 诊断等。用于抗生素治疗的m y c 矾、肝功能检验的p l 】f f 、青光眼治疗的c a s n e t 、 内科疾病诊断的d r l l 巳r l 、i i s t i 和血清蛋白诊断等医疗诊断专家系统，i b m 公司的计算 机故障诊断系统d a r t d a s d ，火电厂锅炉给水系统故障检测与诊断系统、雷达故障诊 断系统和太空站热力控制系统的故障检测与诊断系统等，都是国内外颇有名气的实例。 ( 3 ) 预测专家系统 预测专家系纠n - 1 3 1 的任务是通过对过去和现在已知状况的分析，推断未来可能发生 的情况。预测专家系统具有下列特点： 系统处理的数据随时间变化，而且可能是不准确和不完全的。 系统需要有适应时间变化的动态模型，能够从不完全和不准确的信息中得出预 报，并达到快速响应的要求。 预测专家系统的例子有气象预报、军事预测、人口预测、交通预测、经济预铡和谷 物产量预测等。例如，恶劣气候( 包括暴雨、飓风、冰雹等) 预报、战场前景预测和农作 物病虫害预报等专家系统。 ( 4 ) 规划专家系统 规划专家系统f 1 1 4 3 j 的任务在于寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤。规 划专家系统的特点如下： 所要规划的目标可能是动态的或静态的，因而需要对未来动作做出预测。 所涉及的问题可能很复杂，要求系统能抓住重点，处理好各子目标间的关系和 不确定的数据信息，并通过试验性动作得出可行规划 规划专家系统可用于机器人规划、交通运输调度、工程项目论证、通信与军事指挥 以及农作物施肥方案规划等。比较典型的规划专家系统的例子有3 界3 号军事指挥调度 系统、r ( ) p 】巳s 机器人规划专家系统、汽车和火车运行调度专家系统以及小麦和水稻施 肥专家系统等。 ( 5 ) 控制专家系统 控制专家系统【n 4 s 的任务是自适应地管理一个受控对象或客体的全面行为，使之满 足预期要求。 控制专家系统的特点为：能够解释当前情况，预测未来可能发生的情况，诊断可能 发生的问题及其原因，不断修正计划，并控制计划的执行。也就是说，控制专家系统具 有解释、预报、诊断，规划和执行等多种功能。 一9 一 老年痴呆症早期预测专家系统研究与应用 空中交通管制、商业管理、自主机器人控制、作战管理、生产过程控制和生产质量 控制等都是控制专家系统的潜在应用方面。例如，已经对海、陆、空自主车、生产线调 度和产品质量控制等课题进行控制专家系统的研究 ( 6 ) 其他应用 此外还有设计专家系统、监视专家系统、调试专家系统、教学专家系统、修理专家 系统、决策专家系统和咨询专家系统等。 设计专家系统 i i - 1 3 1 的任务是根据设计要求，求出潢足设计问题约束的目标配置。设 计专家系统具有如下特点： 善于从多方面的约束中得到符合要求的设计结果。 系统需要检索较大的可能解空间。 善于分析各种子问题，并处理好子问题间的相互作用。 能够试验性地构造出可能设计，并易于对所得设计方案进行修改 能够使用已被证明是正确的设计来解释当前的( 新的) 设计 设计专家系统涉及电路( 如数字电路和集成电路) 设计、土木建筑工程设计、计算机 结构设计、机械产品设计和生产工艺设计等。比较有影响的专家设计系统有v a x 计算 机结构设计专家系统r 1 ( x c o m ) 、浙江大学的花布立体感图案设计和花布印染专家系 统、大规模集成电路设计专家系统以及齿轮加工工艺设计专家系统等。 监视专家系纠n d 3 1 的任务在于对系统、对象或过程的行为进行不断观察，并把观察 到的行为与其应当具有的行为进行比较，以发现异常情况，发出警报。监视专家系统具 有下列特点： 系统应具有快速反应能力，在造成事故之前及时发出警报。 系统发出的警报要有很高的准确性。在需要发出警报时发警报，在不需要发出 警报时不得轻易发警报( 假警报) 。 系统能够随时间和条件的变化而动态地处理其输入信息。 监视专家系统可用于核电站的安全监视、防空监视与警报、国家财政的监控、传染 病疫情监视及农作物病虫害监视与警报等。粘虫测报专家系统是监视专家系统的一个实 例。 调试专家系统【1 1 1 3 】的任务是对失灵的对象绘出处理意见和方法。调试专家系统的特 点是同时具有规划、设计、预报和诊断等专家系统的功能。调试专家系统可用于新产品 或新系统的调试，也可用于维修站进行被修设备的调整、测量与试验。在这方面的实例7 还很少见。 大连理工大学硕士学位论文 3 基于单类支持向量机的m c i 诊断模型 本文改进了传统的m c i 诊断方法，并考虑到诊断模型建立后实验的可行性，新的 m c i 诊断模型的建立共分以下四步： ( 1 ) 根据修订的m c i 诊断标准，对被试者进行有关记忆力和认知能力的国际标准 量表测试。 ( 2 ) 将量表评测出的被试者数据进行预处理。 ( 3 ) 采用单类支持向量机( o n e - c l a s ss u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ，o s v m ) 分类技术建立 诊断模型中的推理机，用预处理后的状态确定( 各量表结果一致) 的被试者数据训练推理 机。 “) 利用第( 3 ) 步中已训练好的推理机诊断那些状态待定( 各量表结果不一致) 的被 试者是否有m c i 倾向。 为了显示该诊断模型的预测效果，我们分别按传统方法和基于该诊断模型的方法进 行了实验，对相同的被试者，分别给出神经内科专家的诊断结果和诊断模型的诊断结果， 并进行了对比和分析。 3 1 i 诊断标准 3 1 1 。原始的_ c i 诊断标准 m c i 目前存在多种定义，因此也还没有统一明确的诊断标准。因为遗忘型m c i 的 比例较大，且大多会发展为a d ，所以本文主要研究该类m c i 。 p e t e r s e n 等入 4 1 提出的诊断标准如下，其具体实施细则如表3 1 所示。 ( 1 ) 自诉有记忆力减退( 对概括式提问。与同龄人比较，您认为你的记忆力如何? ” 的回答为较差或差) 或知情者报告有记忆力减退的表现。 ( 2 ) 简易智力状态( m m s e ) 检查至少2 4 分或m a t t i s 痴呆评价表至少1 2 3 分。 ( 3 ) 记忆测查得分在年龄和教育匹配对照组的1 5 个标准差以下。 “) 总体衰退量表( g i o b a ld e t e r i o r a t i o ns c a l e ，g d s ) 得分为2 或3 。 ( 5 ) 临床痴呆等级( c d r ) 量表得分为0 5 。 ( 6 ) 排除可引起脑功能障碍的神经系统疾病和严重内科疾病，排除抑郁症，排除头 部外伤史、特殊药物服用史等。 此外，北京大学第一医院王荫华教授还从其他几个方面对诊断标准进行了补充 1 1 4 - t 7 。 老年痴呆症早期预测专家系统研究与应用 表3 1p e t e r s e n 等提出的m c i 诊断标准 t a b 3 1m c i d i a g n o s t i cs t a n d a r dp r o p o s e db yp e t c r s ( 1 ) 与正常人相比，m c i 患者a p o ee 4 基因携带率更高，约为健康者的1 0 倍，且 携带c 4 者认知功能下降速度更快。可见，a p o e e 4 是m c l 的危险因素之一，通过对a p o e “基因多态性的监测可有助于提高a d 早期诊断的敏感性和特异性 ( 2 ) a d 和m c i 患者的注意功能研究结果显示，与正常老年人相比，轻度a d 患者 的持续注意、选择注意和分散注意功能均下降，面m c i 患者选择注意能力下降。但持 续注意和分散注意正常。 ( 3 ) 轻度a d 和m c i 患者汉语认知的反应时研究结果表明，轻度a d 和m c i 患者 的语义编码过程可能受到损害。 ( 4 ) m c i 患者功能性磁共振成像( f m r i ) 与神经心理学的研究结果显示，m c i 患者与 正常老年人相比，陈述性记忆功能、计算能力和视空间功能减退，反应时间延长，正确 率下降，神经网络激活下降。m c i 患者的记忆功能受损。因此功能性磁共振成像检查与 认知神经心理学联合研究可为早期诊断a d 提供有力的参考依据。 3 1 2 修订的m c l 诊断标准 为了使m c i 的诊断便于操作，我们参照王炜等人修订后的标准【埘。p e t e r s e n 的诊断 标准中，记忆测查得分要求低于年龄和教育匹配对照组的1 5 个标准差，而王炜设定的 大连理工大学硕士学位论文 是低于1 个标准差，标准不一致。由于c d r 用于测试记忆力与认知功能，并且记忆力 是其主指标，对于该项的最终评定起主导作用，所以可以用来测评记忆力。本文采用的 m c i 由以下标准组成： ( 1 ) 主述部分：被试者自诉记忆力情况。 ( 2 ) 总体认知功能：简易智力状态检查( m m s e ) 量表。 ( 3 ) 日常生活功能：日常生活能力( a d l ) 量表。 “) 记忆力与其他认知功能：临床痴呆等级( c d r ) 量表。 ( 5 ) 排除可引起脑功能障碍的神经系统疾病和严重内科疾病，排除抑郁症，排除头 部外伤史、特殊药物服用史等。 相关量表的具体实施参见表3 2 。 表3 2 本文采用的g c i 诊断标准 t a b 3 2m c i d i a g n o s t i cs t a n d a r di nt h i sp a p e r 3 2 被试者数据预处理 本文采用如下的数据预处理方法： ( 1 ) 每个被试者数据作为一个向量，分别提取年龄、教育水平、主述等1 4 个属性 作为向量的分量。 ( 2 ) 将各个属性的取值做归一化处理，通过线性变换投影到 - 1 ，+ 1 】范围内。本文中， 对每个属性分别进行处理，如表3 3 所示。 3 3 推理机的建立 专家系统中最核心的部分就是推理机的训练与建立，而推理机又是基于数据的机器 学习的一种表现形式，其主要作用是从观测数据( 即样本) 出发寻找规律，利用这些规律 对未来数据或无法观测的数据进行预测，它是现代智能技术中的重要方面。 老年痴呆症早期预测专家系统研究与应用 现有机器学习方法共同的重要理论基础之一是统计学，传统统计学研究的是样本数 目趋于无穷大时的渐近理论，现有学习方法也多是基于此假设，如神经网络等。但在实 际问题中，样本数量往往是有限的，因此一些理论上很优秀的学习方法实际中表现却可 能不尽人意。 与传统统计学相比，统计学习理论( s t a t i s t i c a l l e a r n i n g t h e o r y ，s l t ) 【19 】是一种专门 研究小样本情况下机器学习规律的理论。v a p n i k 等人从六、七十年代开始致力于此方面 的研究，到九十年代中期，随着其理论的不断发展和成熟，也由于神经网络等学习方法 在理论上缺乏实质性进展，统计学习理论开始受到越来越广泛的重视。 本文涉及的领域由于被试者数据采集成本较高，导致用于训练推理机的样本数量有 限，采用传统的统计学方法不能达到理想的效果，所以采用统计学习理论中一种通用的 学习方法一支持向量机( s u p p o r t v e c t o rm a c h i n e ，s v m ) 技术。此外，还考虑到正常被 试者与m c i 被试者的数量差距较大，导致样本数据分布不均匀，所以采用s v m