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        腫瘤病理類型綠色診斷方法研究——基于變精度粗糙集理論與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

        2015-01-01 02:50:18桑秀麗肖漢杰
        統(tǒng)計(jì)與信息論壇 2015年4期
        關(guān)鍵詞:癥狀

        桑秀麗,李 哲,肖漢杰,呂 梁,王 華

        (昆明理工大學(xué) 質(zhì)量發(fā)展研究院,云南 昆明650093)

        一、引 言

        腫瘤的病理類型一直是國(guó)內(nèi)外臨床醫(yī)學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。準(zhǔn)確的腫瘤病理類型一方面有助于醫(yī)師進(jìn)行診斷,從而選擇科學(xué)合理的診療方案,合理分配醫(yī)療資源,另一方面有助于減少患者精神和經(jīng)濟(jì)壓力,提高患者滿意度。

        目前確定腫瘤性質(zhì)和腫瘤病理類型主要依靠的方法有:醫(yī)學(xué)影像學(xué)、超聲診斷、放射性核素診斷、內(nèi)鏡診斷、腫瘤標(biāo)志物診斷、組織切片診斷(“金標(biāo)準(zhǔn)”)等[1-2]。醫(yī)學(xué)影像學(xué)主要是通過X光成像、CT、核磁共振成像(MRI)、超聲成像等現(xiàn)代成像技術(shù)來對(duì)腫瘤的性質(zhì)和病理類型進(jìn)行確定[3]。組織切片診斷方法是病理檢查的一種,用以檢查機(jī)體器官、組織或細(xì)胞中病理改變的病理形態(tài)學(xué)方法。醫(yī)學(xué)影像學(xué)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中最重要的臨床診斷及治療方法,但是最終診斷還是依賴醫(yī)師臨床經(jīng)驗(yàn),由于醫(yī)生訓(xùn)練程度跟經(jīng)驗(yàn)的豐富程度不同,對(duì)同一病癥可能做出不同的診斷,容易造成誤診。雖然影像診斷方法簡(jiǎn)單易操作,但是存在較大的誤診風(fēng)險(xiǎn),容易造成患者生命危險(xiǎn),引起醫(yī)療糾紛。如果影像診斷不明確時(shí),最終都必須通過金標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn),但金標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)存在一定風(fēng)險(xiǎn),價(jià)格較高且容易對(duì)患者身心產(chǎn)生重大影響,是診斷的最后選擇。

        隨著醫(yī)療儀器設(shè)備的發(fā)展,醫(yī)院能夠采集的資料越來越豐富,可將越來越多的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法運(yùn)用到醫(yī)療診斷中。Hansen等使用對(duì)數(shù)線性模型與logistic回歸模型對(duì)診斷方法進(jìn)行了研究[4];趙良淵等將多元線性回歸模型在考慮共線影響點(diǎn)的情況下運(yùn)用到醫(yī)學(xué)中[5];劉瓊蘇等將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用到乳腺腫瘤的診斷中,仿真結(jié)果表明其具有較高的準(zhǔn)確性[6];謝益輝運(yùn)用R軟件將分類與回歸樹應(yīng)用到前列腺癌診斷中,得到了對(duì)疾病診斷和預(yù)防具有指導(dǎo)意義的結(jié)論[7];孫靜等將粗糙集理論引入到醫(yī)學(xué)影像診斷中,通過與logistic回歸對(duì)比,認(rèn)為粗糙集有更高的預(yù)測(cè)精度[8];王學(xué)偉將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用到中醫(yī)診斷中,通過交叉驗(yàn)證法得出基于關(guān)鍵癥狀診斷模型的性能相對(duì)基于全部癥狀的模型性能顯著提高,貝葉斯網(wǎng)絡(luò)適合解決診斷問題[9]。

        有鑒于此,本文以昆明某醫(yī)院常年腫瘤診斷報(bào)告為研究對(duì)象,提出了一種對(duì)病人無(wú)手術(shù)創(chuàng)傷,輔助醫(yī)師進(jìn)行診斷與推理于一體的腫瘤病理類型分析模型,即綠色診斷模型[10]。

        腫瘤診斷過程中常常存在診斷信息的模糊性和不確定性[11]。模糊性是醫(yī)學(xué)圖像固有的特性,醫(yī)學(xué)圖像的部分容積效應(yīng)跟醫(yī)學(xué)圖像的部分圖像不能被準(zhǔn)確分割,決定了醫(yī)學(xué)圖像具有模糊性,而醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)診斷主觀性較大,使得診斷信息具有不確定性,有鑒于此,綠色診斷模型的診斷流程與理論方法具體為:

        第一,對(duì)腫瘤數(shù)據(jù)運(yùn)用粗糙集理論進(jìn)行初步條件屬性約簡(jiǎn)。

        第二,建立病理類型診斷列聯(lián)表,運(yùn)用變精度粗糙集理論獲得最小約簡(jiǎn)表。

        第三,運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)獲得各病理類型發(fā)生的概率。

        粗糙集是一種處理不確定性與模糊性的工具,簡(jiǎn)單實(shí)用是其特點(diǎn),與數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法相比,粗糙集對(duì)不完整與不確定性數(shù)據(jù)有較強(qiáng)的處理能力。與決策樹算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比,粗糙集能夠保證在分類能力不變的情況下,將專家知識(shí)約簡(jiǎn),縮短學(xué)習(xí)周期,簡(jiǎn)化決策樹,但是粗糙集的診斷推理速度受到簡(jiǎn)約得到的規(guī)則庫(kù)大小的影響,且噪聲易引起數(shù)據(jù)不一致性問題[12]。變精度粗糙集能夠解決屬性間無(wú)函數(shù)或不確定數(shù)據(jù)的分類問題,即對(duì)噪聲數(shù)據(jù)具有免疫性[13]。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)具備學(xué)習(xí)和推理能力,且處理數(shù)據(jù)信息時(shí)具有柔和性、容錯(cuò)性的特點(diǎn),此兩種方法能夠解決粗糙集出現(xiàn)的問題[14]。有鑒于此,本文提出了變精度粗糙集理論(VPRST)與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(BN)相結(jié)合的方法來解決疾病診斷出現(xiàn)的問題。兩種方法結(jié)合不僅能夠克服各自對(duì)腫瘤診斷的不足,而且能夠進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。實(shí)例證明,此組合方法在腫瘤診斷方面簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、有效。

        二、腫瘤病理類型綠色診斷模型

        (一)腫瘤病理類型問題概述

        腫瘤綠色診斷是指診斷設(shè)備、方法、過程不僅可以解決腫瘤病理類型診斷,還滿足節(jié)省成本、保護(hù)環(huán)境、簡(jiǎn)單易操作的要求。腫瘤通常以組織發(fā)生為依據(jù),每一類別又按其分化程度及其對(duì)機(jī)體影響的不同分為良性和惡性兩大類。例如,甲狀腺腫瘤可分為甲狀腺良性腫瘤和甲狀腺惡性腫瘤兩類,甲狀腺瘤良性腫瘤又分為甲狀腺腺瘤、結(jié)節(jié)性甲狀腺腫、亞急性甲狀腺炎、甲狀舌管囊腫;甲狀腺惡性腫瘤又分為乳頭狀癌、濾泡狀癌、未分化癌、髓樣癌。

        目前對(duì)腫瘤的診斷判別有輔助檢查與鑒別診斷兩種。以甲狀腺腫瘤為例,輔助檢查主要有甲狀腺功能化驗(yàn)、核素掃描、B超檢查、針吸涂片細(xì)胞學(xué)檢查。鑒別診斷通過結(jié)節(jié)性甲狀腺腫來判斷腫瘤的良惡性,但是上述診斷只能對(duì)腫瘤良惡性做一個(gè)初步診斷,不能對(duì)所有病理類型做出判斷。

        (二)腫瘤病理分類診斷模型基本理論簡(jiǎn)介

        1.變精度粗糙集簡(jiǎn)介

        1993年Ziarko首次提出變精度粗糙集理論。變精度粗糙集是Z.Pawlak粗糙集的延伸與擴(kuò)充,即當(dāng)錯(cuò)誤分辨率β=0時(shí),變精度粗糙集等于Pawlak粗糙集,Pawlak粗糙集是變精度粗糙集的一種特例[15]。

        定義1:稱c(X,Y)為集合X關(guān)于集合Y的相對(duì)錯(cuò)誤分辨率,當(dāng)且僅當(dāng)滿足如下條件

        其中c(X,Y)×|X|稱為絕對(duì)分類誤差。

        條件1:γ(P,Q,β)=γ(red(P,Q,β),Q,β)。

        條件2:red(P,Q,β)中屬性不可再約簡(jiǎn),即假設(shè)約簡(jiǎn)條件1不成立。

        2.貝葉斯網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

        貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是描述隨機(jī)變量之間依賴關(guān)系的圖形模式,被廣泛用于不確定性問題的智能化化解[16]。它具有多功能性、有效性和開放性等特征,能夠有效地轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)為知識(shí),并利用知識(shí)進(jìn)行推理,以解決分析、預(yù)測(cè)和控制等方面的問題。

        定義1:滿足下面四個(gè)條件的有向無(wú)環(huán)圖稱為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。

        貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建可以分為以下三個(gè)步驟:

        第一,明確變量與解釋變量,以方便建模。

        第二,獨(dú)立條件的有向無(wú)環(huán)圖的建立。由概率論相關(guān)知識(shí)可得到:

        用Pai表示變量Xi的“因”,即父節(jié)點(diǎn),則:

        因此,首先需要通過對(duì)變量X1,X2,…,Xn排序,然后通過滿足式(2)的父節(jié)點(diǎn)集Pai(i=1,2,…,n)來決定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。

        第三,指定局部概率分布p(xi|Pai)。在離散的情形下,需要為每一個(gè)變量Xi的父節(jié)點(diǎn)集的各個(gè)狀態(tài)指派一個(gè)分布。

        3.建模步驟

        具體建模步驟如圖1所示。

        圖1 建模步驟圖

        三、構(gòu)建腫瘤病理分類綠色診斷模型

        本文以某三甲醫(yī)院930例甲狀腺腫瘤為例,首先將獲得的甲狀腺腫瘤的超聲診斷數(shù)據(jù)通過粗糙集理論將條件屬性進(jìn)行初步約簡(jiǎn),并運(yùn)用改進(jìn)的層次分析法對(duì)條件屬性的重要度進(jìn)行排名,然后運(yùn)用變精度粗糙集理論獲得調(diào)整后超聲診斷癥狀(條件屬性)與病理類型建立的關(guān)系集合R列表的最小屬性集,最后利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)既能進(jìn)行“因→果”推理,又能進(jìn)行“果→因”的逆向推理得到腫瘤病理類型的概率,概率最大的即為患者處于的病理類型[17]。

        (一)構(gòu)建腫瘤病理類型變精度粗糙集診斷模型

        下面假設(shè):U= {1,2,…,930},C= {b,c,d,e,f,g}為條件屬性,D= {a}為決策屬性。a= 腫瘤(良性 =1,惡性 =2);b= 回聲(低回聲 =1,實(shí)性=2,囊性=3,混合=4,等回聲=5,中等=6,中低=7,實(shí)質(zhì)不均質(zhì)=8,無(wú)回聲=9);c=邊界(清楚=1,不清楚即毛糙=2,成角=3);d=形態(tài)(規(guī)整=1,不規(guī)整=2,凸向包膜外=3);e=CDFI(短線狀血流=1,腫塊內(nèi)及周邊見血流信號(hào)=2,腫塊內(nèi)及周邊血流豐富=3,腫塊內(nèi)及周邊未見血流信號(hào)=4,環(huán)狀血流 =5);f=腫塊內(nèi)斑點(diǎn)狀強(qiáng)回聲(鈣化)(有 =1,無(wú) =2);g= 淋巴結(jié)腫大(有 =1,無(wú) =2)。

        通過計(jì)算,可以得到條件屬性b,c,d,e,f,g的重要性分別為:

        所以條件屬性C的決策屬性D約簡(jiǎn)為C-{c}={b,d,e,f,g}。

        從上式可以得到重要度由低到高分別為e,b,d,f,g,c,其中c是冗余條件屬性。下面用層次分析法對(duì)刪除條件屬性c的其他屬性重要度進(jìn)行修正。

        由于層次分析法(AHP)的判斷矩陣是由相對(duì)重要度組成,而由粗糙集得到的重要度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的[18]?;诖?,本文提出利用粗糙集要度兩兩最簡(jiǎn)比四舍五入后的值作為相對(duì)重要度。假設(shè)在一個(gè)知識(shí)表達(dá)系統(tǒng)中C稱為條件屬性集,稱為決策屬性集,指標(biāo)相對(duì)重要度定義如下:,其中ROUND代表四舍五入運(yùn)算。

        利用matlab得到判斷矩陣的最大特征值λmax=5.039 4,CR=CI/RI<0.10,即認(rèn)為判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)。

        最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量即為重要度,從表1可以得到五個(gè)條件屬性e,b,d,f,g的重要度分別為0.321 2,0.321 2,0.171 6,0.111 3,0.074 7,這說明判斷腫瘤為良性或?yàn)閻盒阅[瘤先后順序?yàn)镃DFI、回聲、形態(tài)、腫塊內(nèi)斑點(diǎn)狀強(qiáng)回聲、淋巴結(jié)腫大,其中CDFI、回聲占的權(quán)重最大,為0.321 2。此時(shí)修正的粗糙集重要度只是給出了判斷腫瘤的條件屬性的優(yōu)先順序,但是哪些癥狀對(duì)應(yīng)良性腫瘤與惡性腫瘤里哪個(gè)病理類型還需進(jìn)一步分析。

        表1 判斷矩陣表

        表2給出了經(jīng)過整理后的征兆集合M列表。表3給出甲狀腺腫瘤病理類型N列表,其先驗(yàn)概率是利用歷史資料計(jì)算得到的客觀先驗(yàn)概率。

        表2 超聲癥狀集合M列表

        表3 甲狀腺腫瘤病理類型N列表

        表4給出病理類型與甲狀腺腫瘤分期之間的關(guān)系集合R列表,其中R列表中有缺失數(shù)據(jù)、噪聲數(shù)據(jù)。

        表4表示征兆與甲狀腺腫瘤癥狀之間的關(guān)系,各概率值表示在ai發(fā)生的條件下mj發(fā)生的概率,用數(shù)學(xué)符號(hào)表示為

        表4 征兆與甲狀腺腫瘤癥狀之間的關(guān)系集合R列表

        根據(jù)粗糙集診斷決策表,但表中數(shù)據(jù)為連續(xù)值,需要將其離散化。將表4中的數(shù)據(jù)離散化,規(guī)定量化為量化為1量化為2,其他的量化為3。條件屬性取值3,2,1,0直觀上可以理解為該病理類型引起此類型征兆的概率大、中、小、幾乎沒有。癥狀診斷決策表5如下,其中a7行表示噪聲數(shù)據(jù)。

        表5 癥狀診斷決策表

        當(dāng)β=0.35時(shí),正域?yàn)椋?/p>

        由以上得m4為核屬性,逐一驗(yàn)證包含核屬性值的所有情況,最后得到的近似約簡(jiǎn)有四個(gè)

        刪除結(jié)論屬性對(duì)應(yīng)條件屬性為零的以及不確定屬性值屬性集,最終選擇作為最小屬性集,重新建立最小癥狀診斷決策表如表6所示。由癥狀與征兆之間的關(guān)系建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示,其中為父節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)。

        表6 最小癥狀診斷決策表

        (二)基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的癥狀推理模型

        貝葉斯網(wǎng)絡(luò)利用一些征兆信息快速得出腫瘤癥狀發(fā)生的概率,便于對(duì)腫瘤進(jìn)行診斷。據(jù)此構(gòu)建如圖2所示的推理模型:

        圖2 腫瘤診斷的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型圖

        具體計(jì)算步驟如下:

        第二,各腫瘤癥狀發(fā)生的概率為先驗(yàn)概率與在其他條件下征兆發(fā)生概率的乘積,用概率公式表示為:

        第三,在腫瘤診斷中,我們更希望得到哪個(gè)癥狀發(fā)生的概率最大,這樣能有目的去做進(jìn)一步診斷與治療,即求

        具體診斷步驟為:收集病人的征兆信息,得到征兆集中哪些征兆發(fā)生和哪些征兆不發(fā)生;根據(jù)已經(jīng)得到的先驗(yàn)概率及在癥狀發(fā)生下的征兆條件概率,利用式(2)分別得到父節(jié)點(diǎn)a1,a2,…,a6發(fā)生的概率;將得到的概率按從小到大排序,概率最大對(duì)應(yīng)的癥狀即為最有可能發(fā)生的癥狀。

        例:某病人經(jīng)超聲檢查具有單發(fā)結(jié)節(jié),形態(tài)不規(guī)則,回聲低而略欠均勻,伴砂粒樣鈣化,常侵犯周圍組織,且淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移率最高,臨床檢查中降鈣素的值常高于正常范圍,聲像圖常表現(xiàn)為腫物后方回聲不衰減的特點(diǎn)。

        表7 各癥狀發(fā)生概率表

        從表7可知,P(a3|A+∩A-)發(fā)生概率最大,即乳頭狀癌發(fā)生的概率最大,其次是結(jié)節(jié)性甲狀腺腫和髓樣癌,而實(shí)際情況是超聲診斷為乳頭狀癌,診斷結(jié)論與實(shí)際情況吻合。

        由上例可以看到,基于變精度粗糙集與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的腫瘤病理類型診斷方法具有穩(wěn)健性,其不僅可以對(duì)甲狀腺腫瘤進(jìn)行區(qū)分,還可以將其擴(kuò)展到其他腫瘤領(lǐng)域。在實(shí)際運(yùn)用中即使判斷結(jié)果有誤,也可以根據(jù)發(fā)生概率大小依次進(jìn)行有方向、有目的的診斷,節(jié)省人力、物力、財(cái)力與時(shí)間。

        四、腫瘤病理類型診斷結(jié)果分析與對(duì)比

        根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,采用10折交叉驗(yàn)證法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試,獲得診斷的準(zhǔn)確率、靈敏度、特異度,并以真陽(yáng)性率(靈敏度)為縱坐標(biāo),假陽(yáng)性率(1-特異度)為橫坐標(biāo)得到ROC面積。以上得到變精度粗糙集與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的診斷性能與孫靜的粗糙集方法進(jìn)行對(duì)比,得到診斷性能對(duì)比表8。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),變精度粗糙集與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的精度高于粗糙集理論;ROC曲線AUG在90%以上說明它們都具有較高準(zhǔn)確性,且VPRST與BN準(zhǔn)確性更高一些;特異度都在90%以上反映篩檢試驗(yàn)確定非病人的能力VPRST與BN比粗糙集理論更強(qiáng);VPRST與BN比粗糙集理論有更高的靈敏度,反映正確判斷病人的能力VPRST與BN比粗糙集理論更強(qiáng)一些。

        表8 診斷性能對(duì)比表

        五、結(jié) 論

        腫瘤有良性與惡性之分,良性腫瘤對(duì)機(jī)體影響較小,惡性腫瘤由于分化不成熟、生長(zhǎng)較快,浸潤(rùn)破壞器官的結(jié)構(gòu)和功能,并可發(fā)生轉(zhuǎn)移,因而對(duì)機(jī)體影響嚴(yán)重,因此準(zhǔn)確對(duì)腫瘤進(jìn)行診斷,尤其是惡性腫瘤的診斷對(duì)醫(yī)院準(zhǔn)確地了解病人情況,及時(shí)采取治療措施具有重要意義。

        腫瘤診斷常存在診斷信息的模糊性及信息缺失、噪聲數(shù)據(jù)等引起的不確定性問題,使得目標(biāo)識(shí)別與診斷變得困難。本文采用變精度粗糙集與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法對(duì)腫瘤癥狀進(jìn)行診斷,該方法依托腫瘤診斷的歷史數(shù)據(jù),利用變精度粗糙集將專家知識(shí)簡(jiǎn)化,獲得腫瘤診斷最小約簡(jiǎn)表。利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)具有柔和性、容錯(cuò)性的特點(diǎn),將最小約簡(jiǎn)表與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)合,幫助醫(yī)師根據(jù)病癥識(shí)別患者腫瘤病理類型,進(jìn)而采取更為科學(xué)合理的治療方案。本方法將變精度粗糙集與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)合,既發(fā)揮了變精度粗糙集處理模糊、不確定知識(shí),對(duì)噪聲數(shù)據(jù)有較強(qiáng)的免疫性能力,又發(fā)揮了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)推理和診斷的能力,使得腫瘤診斷模型分別融合了變精度粗糙集與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn),并且互相彌補(bǔ)了腫瘤診斷方法的缺點(diǎn)。

        變精度粗糙集是一種定量分析的數(shù)學(xué)工具,將其運(yùn)用到腫瘤診斷中,可以減少醫(yī)生主觀判斷的偏誤,而貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是為了解決不確定性、不完整性問題而提出,可以以概率形式更加形象具體地表征發(fā)生的可性,兩者結(jié)合可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),實(shí)例對(duì)比分析證明此方法在腫瘤診斷方面的有效性、準(zhǔn)確性。

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