CN112132267B - 一种基于lstm神经网络的体温快速预测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于LSTM神经网络的体温快速预测方法,从电子温度计中获取开始测量到达到稳定的温度数据集;对测量数据集A每列再分组,并为每个温度数组确定一个真实值数据集yi;提取每组温度数组t的梯度、均值及标准差特征,组成梯度数据集ΔT与均值标准差数据集F;将温度数据集T、梯度数据集ΔT以及均值标准差数据集F作为输入,构建基于LSTM神经网络的模型。本发明通过LSTM递归神经网络将温度原始数据与其他特征相结合,构建电子体温计的预测模型,能够连续且快速地测量体温。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子体温计利用人工智能技术快速预测体温的方法,特别涉及基于长短时记忆LSTM神经网络的腋下体温快速测量方法。
背景技术
与传统水银温度计相比,电子测温仪器由于更方便卫生,变得越来越人们的青睐。电子测温仪器可以分为接触式和非接触式的测量。非接触式温度测量仪包括额温枪、耳温枪、电子体温计等。额温枪和耳温枪利用红外线所发出的光谱来决定体温,能快速方便测量体温;但是受多种条件影响,不能准确地反映人体真实温度。非接触式的电子测温仪还有一种耳温枪,即测量耳道中鼓膜的温度,由于人的耳道并不是笔直的,尤其是婴幼儿耳道直径较小,不适宜用耳温枪。接触式电子测温仪如电子体温计、柔性温度贴等,操作和使用方法与传统水银温度计类似,后者由于外形柔软,使用时贴在腋下,更为舒适且更适合婴幼儿群体使用,给连续温度监测带来可能。但是接触式温度测量受温度传感器的限制,测量体温需要的时间较长,根据传感器精度不同,有的需要10分钟左右才能检测到人体实际温度,而使用普通水银温度计在腋下测量需要达到较为精确的人体体温所需时间为5到6分钟左右。
发明内容
为了解决电子温度计升温慢,测量体温等待时间长的问题,提出了一种基于长短时记忆神经网络的腋下电子体温快速预测方法。本发明充分利用LSTM神经网络可以很好处理时间序列的特性,使电子温度计更精确,温度检测更快速。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种基于LSTM神经网络的体温快速预测方法,包括以下步骤:
步骤1:从电子温度计中获取开始测量到达到稳定的温度数据集,并对数据集进行筛选:
步骤1.1:将收集的温度数据集按列排列,每一列为一次测量数据样本,将取得的各列数据组成数据集A;
步骤1.2:设温度的下限阈值TH1,人体测量的最高温度值为上限阈值TH2,在数据集中选择范围从下限阈值TH1到上限阈值TH2的温度作为快速预测的温度范围;
步骤2:对测量数据集A每列再分组,并为每个温度数组确定一个真实值数据集yi;
步骤2.1:取数据集A的一列,从第一行开始以长度W截取温度数据,并以步长S移动,重复截取长度为W的数据,直到包含所有数据点;将数据集A所有列数据采用相同的方法分组,所有分组数据打乱并按列排列,每列为W长度的温度数组t组成温度数据集T;
步骤2.2:在同一数据样本中,取当前温度数组v秒后的温度数据作为该组温度数组的真实值,组成训练真实值数据集Y,与温度数据集T使用相同的索引进行打乱;
步骤3:提取每组温度数组t的梯度、均值及标准差特征,组成梯度数据集ΔT与均值标准差数据集F;
步骤3.1:将每组长度为W的温度数组t取前向差分求梯度,得到特征数组Δt,对所有数组采取同样的计算,组成梯度数据集ΔT:
Δt[i]=t[i+1]-t[i] (1)
其中,i为温度数组t的索引,i的取值范围为[1,W-1];
步骤3.2:根据下式求出每组温度数据t的均值μ与标准差σ,将每个数组的[μ,σ]组合得到均值标准差数据集F:
其中W为温度数组的长度,ti表示温度数组t中的每个元素,下标i表示ti在温度数组t中的位置,取值范围为[1,W];
步骤4:将温度数据集T、梯度数据集ΔT以及均值标准差数据集F作为输入,构建基于LSTM神经网络的模型,该模型包括:
对三个输入的批量标准化处理BN层,两个LSTM网络提取温度数据集T的特征,两个级联层将温度数据特征与梯度特征及均值标准差特征结合,5个全连接层,4个线性整流激活函数ReLu,及一个Sigmoid激活函数;
步骤4.1:对于输入的温度数据集T首先经过批量标准化BN层处理,再输入长短时记忆网络LSTM,使用ReLu作为激活函数输出;
步骤4.2:梯度数据集ΔT经过BN层处理与步骤4.1的输出级联,输入N个由全连接层Dense layer与ReLu激活函数组合的网络;
步骤4.3:均值标准差数据集F经过批量标准化处理BN层处理与步骤4.2的输出级联,输入全连接层Dense layer,输出预测温度Tp,最小化Tp与对应的真实值数据集Y之间的均方误差更新迭代网络;将电子体温计所测量的真实值按照步骤2的方式分组并传入模型,即可得出持续更新的预测温度数据。
LSTM是一种递归神经网络,它可以存储当前状态同时根据内部的三个门结构处理之前的状态,学习数据的长期特征。
本发明中,设有下限阈值TH1,当温度小于下限阈值TH1时,电子温度计能够快速灵敏反映温度变化。本发明针对现有接触式电子测温仪到达稳定温度时间过长,设计了一种基于LSTM的神经网络预测温度,将温度原始数据与其他特征相结合,构建电子体温计的预测模型,能够连续且快速地测量体温。
附图说明
图1为本发明方法的体温预测流程图。
图2为本发明基于LSTM神经网络的体温预测模型网络结构。
图3为升温曲线对比。
具体实施方式
以下结合附图,对本发明作进一步描述。
本发明方法所基于的LSTM网络是一种时间循环网络,常应用于时间序列的处理。本发明将原始温度数据经过LSTM网络处理后,与温度数据的梯度特征以及均值和标准差结合构建模型。如图所示本发明流程图,首先采集温度数据,经过数据筛选和分组,提取每组的梯度特征以及均值标准差等特征,将温度数据与特征结合构建模型,并在电子温度计内应用该模型,能快速精确预测腋下真实温度。
本实施例具体方法步骤如下:
步骤1:测试某款电子温度计从开始测量到达到稳定温度,即最终腋下体温所需要的时间TM。以TM为最大测量时间,使用电子温度计采集不同个体或同一个体不同时间的温度数据,并对数据进行筛选,去除温度小于下限阈值TH1的点;步骤1.1:将收集的温度数据样本按列排列,每一列为一次测量数据样本,包含开始测量到温度达到稳定状态时的数据,组成数据集A,如表1所示。
表1
32.71 | 27.85 | 29.6 | 27.85 | 29.28 | 25.52 | 20.23 | 22.12 | … |
33.01 | 28.53 | 30.51 | 28.49 | 29.82 | 27.61 | 21.82 | 22.89 | … |
33.24 | 29.14 | 31.27 | 29.32 | 30.25 | 29.07 | 24.23 | 25.21 | … |
33.42 | 29.67 | 31.86 | 30.03 | 30.61 | 30.08 | 26.5 | 27.38 | … |
33.58 | 30.1 | 32.35 | 30.59 | 30.92 | 30.86 | 28.18 | 29 | … |
32.71 | 27.85 | 29.6 | 27.85 | 29.28 | 25.52 | 20.23 | 22.12 | … |
… | … | ... | ... | … | … | … | … | … |
本例中,TH1取值32,TH2取值40,TM根据电子体温计不同设置不同的时间,本例中设为10分钟。
步骤1.2:电子温度计的升温速度是先快后慢的过程,当温度小于TH1=32或大于TH2=40时,电子温度计能够快速灵敏反映温度变化,而在区间(TH1,TH2)电子温度计呈现缓慢上升的趋势,故在数据集中选择范围从TH1到TH2的温度作为快速预测的范围;
步骤2:对测量数据集A每列进行分组,每一列可以分为多个温度数组t,为每个温度数组t确定一个预测的真实值数据yi:
步骤2.1:取数据集A的一列,从第一行开始以W=40为长度截取温度数据,并以S=240为步长移动,再截取W长度温度数据,重复操作直到包含所有数据点,如取A中一列大小为296x1的样本数据,经过分组后得到大小为16x40的温度数组;将A中每列即所有样本数据采用相同的方法分组,并将所有温度数组按列排列,组成温度数据集T,如表2所示,T的每列为W长度的温度数据t,将T按列打乱温度数据的排列顺序;
表2
32.6 | 32.28 | 33.13 | 34.07 | 34.54 | 34.34 | 33.82 | 32.89 | … |
32.89 | 32.6 | 33.34 | 34.17 | 34.6 | 34.41 | 33.95 | 33.13 | … |
33.13 | 32.89 | 33.52 | 34.26 | 34.66 | 34.48 | 34.07 | 33.34 | … |
33.34 | 33.13 | 33.68 | 34.34 | 34.71 | 34.54 | 34.17 | 33.52 | … |
33.52 | 33.34 | 33.82 | 34.41 | 34.76 | 34.6 | 34.26 | 33.68 | … |
33.68 | 33.52 | 33.95 | 34.48 | 34.8 | 34.66 | 34.34 | 33.82 | … |
… | … | ... | ... | … | … | … | … | … |
步骤2.2:在测量数据集A中,对于每列同一样本中,采取当前长度W的温度数组v秒后的温度数据作为预测的真实值yi,组成训练真实值数据集Y,与温度数据集T相同的索引进行打乱;
步骤3:对于温度数据集T,提取每组数据的特征,组成梯度数据集ΔT与均值标准差数据集F;
步骤3.1:将温度数据集T每列长度为W的温度数组t取前向差分求梯度,得到梯度数组Δt,对T所有列采取同样的计算,组成梯度数据集ΔT,如表3所示:
Δt[i]=t[i+1]-t[i] (1)
其中,i为温度数组t的索引,i的取值范围为[1,W-1]。
表3
0.29 | 0.32 | 0.21 | 0.1 | 0.06 | 0.07 | 0.13 | 0.24 | … |
0.24 | 0.29 | 0.18 | 0.09 | 0.06 | 0.07 | 0.12 | 0.21 | … |
0.21 | 0.24 | 0.16 | 0.08 | 0.05 | 0.06 | 0.1 | 0.18 | … |
0.18 | 0.21 | 0.14 | 0.07 | 0.05 | 0.06 | 0.09 | 0.16 | … |
0.16 | 0.18 | 0.13 | 0.07 | 0.04 | 0.06 | 0.08 | 0.14 | … |
0.14 | 0.16 | 0.12 | 0.06 | 0.05 | 0.05 | 0.07 | 0.13 | … |
… | … | ... | ... | … | … | … | … | … |
步骤3.2:根据下式求温度数据集T每行温度数据t的均值μ与标准差σ,将每个数组的[μ,σ]组合得到均值标准差数据集F,如表4所示:
其中W为温度数组的长度,ti表示温度数组t中的每个元素,下标i表示ti在温度数组t中的位置,取值范围为[1,W]。
表4
34.60 | 34.52 | 34.73 | 35.02 | 35.22 | 35.13 | 34.94 | 34.67 | … |
0.74 | 0.81 | 0.62 | 0.42 | 0.32 | 0.36 | 0.47 | 0.67 | … |
步骤4:将温度数据集T、梯度数据集ΔT以及均值标准差数据集F作为输入,构建基于LSTM神经网络的模型:包括了对三个输入的批量标准化处理BN层,两个LSTM网络提取温度数据集T的特征,两个级联层Concatenate将温度数据特征与梯度特征及均值标准差特征结合,5个全连接层Dense layer,4个ReLu激活函数,及一个Sigmoid激活函数,如图2为基于LSTM神经网络的体温预测模型网络结构;
步骤4.1:对于输入的温度数据集T首先经过批量标准化BN层处理,再输入长短时记忆网络LSTM,使用ReLu作为激活函数输出,最后再连接一个LSTM网络提取温度数据的特征;
步骤4.2:梯度数据集ΔT经过BN层处理与步骤4.1的输出经过级联层Concatenate,级联方式采取按照输出特征的最后一个维度扩展,级联输出的维度为两个输入最后一维之和,再输入N=3个由不同层数全连接层Dense layer与ReLu激活函数组合的网络;
步骤4.3:均值标准差数据集F经过BN层处理与步骤4.2的输出级联,级联方式采取步骤4.2相同方式,再输入全连接层Dense layer,输出预测温度Tp,最小化Tp与对应的真实值数据集Y之间的均方误差更新迭代模型,样本训练次数在训练200次后,训练集及验证集上的损失均小于0.01;将电子体温计所测量的真实值按照步骤2的方式分组并传入模型,使用电子温度计实际升温曲线与加入本发明快速预测方法升温曲线如图3所示,可以看出本发明方法能持续更新的预测温度数据,且快速准确达到电子温度计的稳定值。
本发明通过温度预测算法,在保持电子测温仪结构、原理不变的条件下,将电子测温仪中温度传感器所测量到的真实数据输入到构建好的神经网络中,预测人体实际温度,达到快速、准确测量体温的目的。本发明所提温度预测算法可以应用在电子体温计中,提高测量速度,快速显示人体体温,也可以用于柔性温度贴中,联网使用,实时记录人体温度值,达到长期监测的目的。
Claims (1)
1.一种基于LSTM神经网络的体温快速预测方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤1:从电子温度计中获取开始测量到达到稳定的温度数据集,并对数据集进行筛选:
步骤1.1:将收集的温度数据集按列排列,每一列为一次测量数据样本,将取得的各列数据组成数据集A;
步骤1.2:设温度的下限阈值TH1,人体测量的最高温度值为上限阈值TH2,在数据集中选择范围从下限阈值TH1到上限阈值TH2的温度作为快速预测的温度范围;
步骤2:对测量数据集A每列再分组,并为每个温度数组确定一个真实值数据集yi;
步骤2.1:取数据集A的一列,从第一行开始以长度W截取温度数据,并以步长S移动,重复截取长度为W的数据,直到包含所有数据点;将数据集A所有列数据采用相同的方法分组,所有分组数据打乱并按列排列,每列为W长度的温度数组t组成温度数据集T;
步骤2.2:在同一数据样本中,取当前温度数组v秒后的温度数据作为该组温度数组的真实值,组成训练真实值数据集Y,与温度数据集T使用相同的索引进行打乱;
步骤3:提取每组温度数组t的梯度、均值及标准差特征,组成梯度数据集ΔT与均值标准差数据集F;
步骤3.1:将每组长度为W的温度数组t取前向差分求梯度,得到特征数组Δt,对所有数组采取同样的计算,组成梯度数据集ΔT:
Δt[i]=t[i+1]-t[i] (1)
其中,i为温度数组t的索引,i的取值范围为[1,W-1];
步骤3.2:根据下式求出每组温度数据t的均值μ与标准差σ,将每个数组的[μ,σ]组合得到均值标准差数据集F:
其中W为温度数组的长度,ti表示温度数组t中的每个元素,下标i表示ti在温度数组t中的位置,取值范围为[1,W];
步骤4:将温度数据集T、梯度数据集ΔT以及均值标准差数据集F作为输入,构建基于LSTM神经网络的模型,该模型包括:
对三个输入的批量标准化处理BN层,两个LSTM网络提取温度数据集T的特征,两个级联层将温度数据特征与梯度特征及均值标准差特征结合,5个全连接层,4个线性整流激活函数ReLu,及一个Sigmoid激活函数;
步骤4.1:对于输入的温度数据集T首先经过批量标准化BN层处理,再输入长短时记忆网络LSTM,使用ReLu作为激活函数输出;
步骤4.2:梯度数据集ΔT经过BN层处理与步骤4.1的输出级联,输入N个由全连接层Denselayer与ReLu激活函数组合的网络;
步骤4.3:均值标准差数据集F经过批量标准化处理BN层处理与步骤4.2的输出级联,输入全连接层Dense layer,输出预测温度Tp,最小化Tp与对应的真实值数据集Y之间的均方误差更新迭代网络;将电子体温计所测量的真实值按照步骤2的方式分组并传入模型,即可得出持续更新的预测温度数据。
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