LSTM深度学习网络在疾病发作检测中的Matlab仿真应用

1.算法仿真效果

matlab2022a仿真结果如下：

2.算法涉及理论知识概要

长短期记忆网络（LSTM，Long Short-Term Memory）是一种时间循环神经网络，是为了解决一般的RNN（循环神经网络）存在的长期依赖问题而专门设计出来的，所有的RNN都具有一种重复神经网络模块的链式形式。在标准RNN中，这个重复的结构模块只有一个非常简单的结构，例如一个tanh层。

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长短期记忆网络（Long-Short Term Memory,LSTM）论文首次发表于1997年。由于独特的设计结构，LSTM适合于处理和预测时间序列中间隔和延迟非常长的重要事件。LSTM的表现通常比时间递归神经网络及隐马尔科夫模型（HMM）更好，比如用在不分段连续手写识别上。2009年，用LSTM构建的人工神经网络模型赢得过ICDAR手写识别比赛冠军。LSTM还普遍用于自主语音识别，2013年运用TIMIT自然演讲数据库达成17.7%错误率的纪录。作为非线性模型，LSTM可作为复杂的非线性单元用于构造更大型深度神经网络。

LSTM是一种含有LSTM区块（blocks）或其他的一种类神经网络，文献或其他资料中LSTM区块可能被描述成智能网络单元，因为它可以记忆不定时间长度的数值，区块中有一个gate能够决定input是否重要到能被记住及能不能被输出output。图1底下是四个S函数单元，最左边函数依情况可能成为区块的input，右边三个会经过gate决定input是否能传入区块，左边第二个为input gate，如果这里产出近似于零，将把这里的值挡住，不会进到下一层。左边第三个是forget gate，当这产生值近似于零，将把区块里记住的值忘掉。第四个也就是最右边的input为output gate，他可以决定在区块记忆中的input是否能输出 。LSTM有很多个版本，其中一个重要的版本是GRU（Gated Recurrent Unit），根据谷歌的测试表明，LSTM中最重要的是Forget gate，其次是Input gate，最次是Output gate。

传统RNN网络由于结构存在固有缺陷，在参数更新时会存在梯度消失以及梯度爆炸的问题，导致长距离的历史信息丢失，进一步造成网络极难收敛，无法训练出理想的模型。LSTM作为一种改进的循环神经网络，在原有网络结构的基础上加入了细胞状态(cell state)的结构来控制全局信息的传输，并通过遗忘门，输入门，输出门三种门控单元控制细胞状态信息值的更新。LSTM在极大程度上缓解了传统RNN模型存在的长期依赖问题，减少了长距离历史信息的丢失，输出的预测结果更准确 。

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LSTM通过以下公式进行更新权值矩阵和偏置参数等网络信息：

3.MATLAB核心程序

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YPred           = classify(net,channel)';
YPred_numerical = double(YPred);
YPred_numerical(YPred_numerical==1)= 1;
YPred_numerical(YPred_numerical==2)=-1;
acc             = sum(YPred == output)./numel(output)
 
%Time
timepoint = 300/length(output);
time      = [timepoint:timepoint:timepoint*length(output)];
 
 
figure
subplot(221)
plot(time, channel, 'b')
hold on 
plot(time(channel_out==1),channel(channel_out==1), '.g')
legend('信号', '癫痫发生')
xlim([100,300])
subplot(223)
plot(time, channel, 'b')
hold on 
plot(time(YPred=='1'),channel(YPred=='1'),'r>',...
    'LineWidth',1,...
    'MarkerSize',6,...
    'MarkerEdgeColor','k',...
    'MarkerFaceColor',[0.9,0.9,0.0]);
legend('信号', '癫痫信号LSTM检测')
xlim([100,300])
 
subplot(2,2,[2,4])
confusionchart(channel_out,YPred_numerical)

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