支持向量机在胃癌诊断预测中的应用

摘　要：目的利用支持向量机-微量元素法建立胃癌的模式识别，以期作为胃癌诊断的辅助手段。方法采用电感耦合等离子体发射光谱法与支持向量机分类模式，判别健康者与患者血清中zn、Fe、Cu、Ni、c0、Mo、Mn、cr和Zn／Cu　9个指标，建立胃癌诊断的模型。结果多项式核函数和径向基核函数的平均总正确率分别为91.11％和93.33％，灵敏度和特异度也达到了良好的水平。结论本方法适于辅助诊断患者胃癌疾病，并为进一步研究微量元素与各种疾病之间的关系奠定了基础。

关键词：支持向量机；微量元素：胃癌

中图分类号：R944.4

文献标识码：A

文章编号：1672-979X(2010)11-0401-04

近年胃癌的发病率已经跃居我国常见恶性肿瘤的首位，其发病主要与饮食习惯、营养和化学致癌物等多种因素有关。胃癌与微量元素的相关性引起了许多学者的重视。支持向量机是在统计学习理论基础上发展而来的一种新的通用学习方法，通过选用不同的核函数，根据其性能评价应用于早期癌症的诊断。在本研究中两种核函数的支持向量机取得了较高的准确率，表明其在胃癌的早期诊断中有很大的应用潜力。

1　仪器与试药

1.1　仪器

电感耦合等离子体发射光谱仪(Optima　2000DV，Perkin　Elmer公司)，水平炬管，WinLab32与matlab7.1操作软件，氩气纯度大于99.99％：控温电热板(江苏金坛金城国胜实验仪器厂)；SC-97型自动三重纯水蒸馏器(上海亚荣生化仪器厂)。实验中所用的玻璃仪器均用20％硝酸浸泡12h后，用三重蒸馏水冲洗干净，自然晾干后备用。

1.2　试药

锌(100Ixg／mL，GSw(E)080l　30)，铁(1000μg／mL，GSW㈣08616)，铜(1000μg／mL，GSW(E)080396)，镍(1000μg／mL，GSBG　62022―90)，钴(1000μg／mL，GSB　G　62021.90)，钼(1000μg／mL，GSB　G　62035-90)，锰(1000μg／mL，GSW(E)080157)，铬(1000μg／mL，GSW(E)080403)；硝酸、高氯酸均为优级纯；实验用水为三重蒸馏水(实验室自制)。

1.3　仪器拳数

功率1.3kW，冷却气流量15L／min，辅助气流量0.2L／rain，雾化器气体流量0.8L／min，提升量1.45mL／min各待测元素最佳分析线波长(mm)为Zn　213.857，Fe　259.939，Cu　327.393，Ni　231.607，Co238.892，Mo　202.034，Mn　279.482，Cr　267.716。

2　方法与结果

2.1　样品采集

本实验采集了山东地区健康人全血样品90份，均无重要脏器病变，进食正常，体检证实健康合格；采集了山东地区胃癌无并发症患者全血样品30份。采样时取肘静脉血3　mL置于抗凝试管中，，18℃保存。

2.2　样品制备

精密移取于37±2℃水浴中融化后的全血1.0mL，置于50mL广口锥形瓶中，加入混酸HN03，HCl04，H2S04(3:1:1，v／v／v)5　mL，摇匀，置于电热板上110℃消解2h后，将电热板温度升至250℃继续消解至溶液澄清，稍冷，加入相同体积去离子水，移至电热板E继续加热至近干。取下，放冷，定量转移至lOmL量瓶中，用1％(v／v)硝酸稀释至刻度，摇匀。同法做空白溶液，待测。

2.3　标准曲线的制备

参照人全血中8种微量元素的预测值及文献报道，用逐级稀释法制成系列标准溶液，溶液介质为2％硝酸。以发射强度对浓度进行回归，得各元素的标准曲线如表1所示，相关系数均大于0.9999，线性关系良好。

2.4　样品测定

2.4.1　健康人全血中微量元素的测定将采集到的健康人全血样品，按“2.2”项下方法处理，以选定的仪器测定条件进行测定，健康人全血中8种微量元素的平均含量和Zn／Cu比值的平均值见表2。

2.4.2　胃癌患者血清中微量元素的测定将采集到的胃癌患者血清样品按“2.2”项下方法处理，以选定的仪器测定条件进行测定，样品中微量元素的平均含量见表3。

2.5　数据处理

2.5.1　双样本t检验通过双样本t检验对90名健康人和30名胃癌患者全血中8种微量元素含量及Zn／Cu比值测定结果进行了分析。结果表明，胃癌患者全血中Zn、Cr、Mn、Ni、Co的含量显著低于健康人(P

2.5.2　支持向量机分类结果该数据集为健康人和胃癌患者的全血样本，其中正样本为100份，负样本为35份。正样本表示健康人，类别标签记为+1。负样本表示II型糖尿病患者，类别标签记为－1。每个样本对应一个人全血中的8种微量元素含量与Zn／Cu值，血清中微量元素的支持向量机5次交叉验证结果见表4。其中TP(true　positive)表示在测试集中被正确判断的正样本个数，FN(false　negative)表示在测试集中被错判为负样本的样本个数，TN(true　negative)表示在测试集中被准确判断的负样本个数，FP(false　positive)因此“支持向量机一微量元素法”或许有希望能成为综合分析、诊断人体胃癌的手段，这方面值得进一步的研究。

3　讨论

本文对支持向量机分类作了简单介绍，检测2组数据具有显著性差异才能进行支持向量机的分类，数据具有显著性差异是进行分类的必要条件，并且两者相互验证了结果的正确性。

3.1　解读表4

文中已对TP、TN、FP、FN2及Sen、Spe和Q都做了概念性的介绍，并且从公式可以看出Sen是用来表示支持向量机对正样本的识别能力，sDe是对负样本的辨别能力，0是用来表示对总体数据的判断能力，2个核函数的总正确率值分别是91.11％和93.33％，说明这个分类结果在小样本的基础上达到了很好的效果，能够用于胃癌的辅助诊断及预防。表示在测试集中被错判为正样本的样本个数。Sen(灵敏度)、Spe(特异度)、Q(总正确率)用来评价支持向量机的性能。

从表4中可以看出，2个核函数的总正确率分别是91.11％和1193.33％。灵敏度与特异度的平均值也良好，

3.2　ICP-OES参数选择

根据各实验参数对不同元素发射强度的影响，采用正交实验设计方法，对离子化功率、等离子气、雾化气和提升量进行考核，其正交试验因素及水平表见表5。

3.3　消解温度选择

考察了升温(110℃消解2h后升温至250℃消解至近干)和恒温(250℃消解至近干)对各元素含量的影响。比较结果看出，前者消解样品后Fe、Cn的含量明显高于后者。最后选择升温。

3.4　消解体系选择

考察了HN03-HCl04(4:1，v／v)、HN03-HCl04-H2S04(3:1:1，v／v／v)不同湿法消解体系对发样中各元素测定结果的影响。综合分析，发现用HN03，HClO4-H2SO4(3:1:1，v／v／v)作为消解体系对结果的影响最小。

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