基于貝葉斯網(wǎng)的不確定系統(tǒng)的概率建模

基于貝葉斯網(wǎng)的不確定系統(tǒng)的概率建模

醫(yī)學(xué)作為一門(mén)科學(xué)學(xué)科，其非凡的飛躍總是伴隨著科學(xué)知識(shí)的進(jìn)步。由于歷史文化背景的差異,中醫(yī)學(xué)的發(fā)展形成了一套和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)不一樣的發(fā)展模式。如今,中醫(yī)藥要走向世界,必須應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)中醫(yī)理論和實(shí)踐進(jìn)行科學(xué)的闡釋。辨證論治是中醫(yī)學(xué)的基本特點(diǎn)之一,也是中醫(yī)的精髓所在,辨證準(zhǔn)確性的高低是取得療效的重要前提。但由于證候的確定缺乏客觀、定量的研究方法,以致許多診治經(jīng)驗(yàn)難以重復(fù)。因此,中醫(yī)辨證規(guī)范化研究是發(fā)展中醫(yī)理論、提高臨床療效和中醫(yī)藥國(guó)際化的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的辨證方法往往帶有主觀性和模糊性,而中醫(yī)辨證本質(zhì)可以看作是一個(gè)分類(lèi)問(wèn)題,將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等現(xiàn)代方法學(xué)引入中醫(yī)藥的研究中,建立海量數(shù)據(jù)庫(kù),并利用多元統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行探討,可以使辨證的結(jié)果更具客觀性。貝葉斯網(wǎng)作為對(duì)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘的一種較好算法,如今正被越來(lái)越多地應(yīng)用到中醫(yī)辨證研究中來(lái)。貝葉斯網(wǎng)簡(jiǎn)介貝葉斯網(wǎng)是用于不確定性推理,帶有概率注釋的有向無(wú)環(huán)圖模型。它可根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)和現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),用概率的方法對(duì)未知事件進(jìn)行預(yù)測(cè)。它以直觀的圖形方法描述數(shù)據(jù)間的相互關(guān)系,用概率測(cè)度的權(quán)重表達(dá)多個(gè)變量間的時(shí)序關(guān)系、相關(guān)關(guān)系或因果關(guān)系等多種依賴(lài)關(guān)系。其堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)、直觀的知識(shí)表達(dá)、靈活的推理能力以及方便的決策機(jī)制,使其成為數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域的新興技術(shù)。貝葉斯網(wǎng)由代表變量節(jié)點(diǎn)及連接這些節(jié)點(diǎn)的箭頭構(gòu)成。每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)隨機(jī)事件變量,箭頭代表了節(jié)點(diǎn)間的依賴(lài)關(guān)系。每當(dāng)一個(gè)原因節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)而導(dǎo)致某個(gè)結(jié)果的產(chǎn)生時(shí),用條件概率進(jìn)行表述,而不是必然結(jié)果。事件變量間關(guān)系的概率強(qiáng)度,構(gòu)成貝葉斯網(wǎng)中的條件概率表。根據(jù)貝葉斯網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及條件概率表,可以快速得到每個(gè)基本事件的組合概率。在已知一些變量發(fā)生的條件下,計(jì)算機(jī)能從條件概率表中計(jì)算出變量之問(wèn)的因果關(guān)系和每一變量的局部概率分布,即根據(jù)先驗(yàn)概率推求后驗(yàn)概率。貝葉斯網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及其先驗(yàn)概率分布,可以借助人的經(jīng)驗(yàn)、專(zhuān)家知識(shí)而指定先驗(yàn)概率,亦可直接分析數(shù)據(jù)特點(diǎn),依數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)確定概率的真實(shí)分布。根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)和現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)而建立數(shù)據(jù)庫(kù),讓計(jì)算機(jī)按照貝葉斯網(wǎng)的學(xué)習(xí)算法自動(dòng)進(jìn)行學(xué)習(xí),可獲得相應(yīng)領(lǐng)域的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。表現(xiàn)證素的中醫(yī)辨證思維和臨床思維辨證論治是中醫(yī)學(xué)區(qū)別于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)最明顯的特點(diǎn)。證是中醫(yī)學(xué)的一個(gè)特有概念,是對(duì)疾病過(guò)程中所處當(dāng)前階段的病位、病因、病性以及病勢(shì)所作的病理性概括,是對(duì)致病因素與機(jī)體反應(yīng)兩方面的綜合,是對(duì)疾病當(dāng)前本質(zhì)所作的結(jié)論?；颊叩陌Y狀、體征等各種臨床表現(xiàn),中醫(yī)稱(chēng)為證候,亦稱(chēng)為癥狀。中醫(yī)辨證的目的,是為了明確病位與病性等辨證要素,簡(jiǎn)稱(chēng)證素。各證素的相互組合,可概括成完整的證名診斷。因此,證素是通過(guò)對(duì)證候的辨識(shí),而確定的病位和病性,是構(gòu)成證名的基本要素。辨證就是根據(jù)中醫(yī)學(xué)理論,通過(guò)對(duì)證候進(jìn)行分析,而確定其證素,并作出證名診斷的思維認(rèn)識(shí)過(guò)程。臨床上的常見(jiàn)癥狀,如惡寒、頭暈、胸悶、咳嗽、盜汗、口渴、大便干結(jié)、面色淡白、舌紫、苔膩、脈弦等,大約有1000個(gè)左右。心、肺、脾、肝、腎、胃、表、里等病位,氣虛、氣滯、血虛、血瘀、陰虛、陽(yáng)虛、寒、熱、濕、燥、痰、飲等病性,約為50個(gè)。由50個(gè)證素組合而成的證名,如心氣虛證、肝脾不調(diào)證、脾腎陽(yáng)虛證等,可達(dá)數(shù)千個(gè)。證素的多樣性組合、演變,構(gòu)成了病變的復(fù)雜性,也充分反映了中醫(yī)辨證的靈活性。不同的醫(yī)家在辨證時(shí)雖有差異,但其辨證思維的基本原理是相通的。辨證要素的確定、某組癥狀對(duì)某個(gè)證素的隸屬程度、證素如何組合以及證型類(lèi)別都有一定規(guī)律可尋。中醫(yī)辨證規(guī)范化研究的瓶頸在于對(duì)四診海量信息數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析的技術(shù)落后,貝葉斯網(wǎng)的特點(diǎn)決定了它可以用于描述復(fù)雜的因果關(guān)系。應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)模型可以研究癥狀之間、癥狀與證素之間、病與證之間的因果關(guān)系。貝葉斯網(wǎng)的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)及推理原理也與中醫(yī)辨證的思維過(guò)程頗為相近,因此貝葉斯網(wǎng)處理不確定性知識(shí)的方法也能對(duì)中醫(yī)辨證過(guò)程進(jìn)行描述,從而進(jìn)行分析和推理判斷。本博斯茨網(wǎng)絡(luò)在中醫(yī)辯證法研究中的應(yīng)用基于貝葉斯網(wǎng)的中醫(yī)辨證貝葉斯網(wǎng)可將主觀性與模糊性較強(qiáng)的中醫(yī)辨證過(guò)程,用直觀的圖形和簡(jiǎn)潔的數(shù)據(jù)描述出來(lái),為中醫(yī)辨證規(guī)范化研究提供了一個(gè)較好的方法學(xué)平臺(tái)。貝葉斯網(wǎng)推理的過(guò)程建立在概率計(jì)算和數(shù)理推導(dǎo)的基礎(chǔ)上,可以很好地模擬人腦的學(xué)習(xí)和思維過(guò)程,是對(duì)數(shù)據(jù)挖掘處理的一種較好方法,它對(duì)變量沒(méi)有限制,只要將臨床收集到的辨證數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī),模型可以自行學(xué)習(xí)并推理出結(jié)果,并且相對(duì)人腦具有一定客觀性。貝葉斯網(wǎng)將臨床海量數(shù)據(jù)包括專(zhuān)家的先驗(yàn)知識(shí)和后驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)融合,對(duì)辨證中存在的不確定信息進(jìn)行了有效的處理,且整個(gè)過(guò)程采用的全局觀點(diǎn)也符合中醫(yī)辨證的整體思維原則,近年來(lái)的研究表明其推理結(jié)果與中醫(yī)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)具有很高的吻合性。然而,貝葉斯網(wǎng)的建立來(lái)源于臨床數(shù)據(jù)庫(kù)的資料,病例的信息是否全面和客觀以及作為先驗(yàn)知識(shí)的專(zhuān)家辨證是否準(zhǔn)確決定了模型推理水平的高低,因此對(duì)臨床數(shù)據(jù)的質(zhì)量帶來(lái)了更高的要求。貝葉斯網(wǎng)是基于頻率的算法,為了減少計(jì)算量,一些頻率低的癥狀、證素或者證名不能被納入,這必然會(huì)影響推理的準(zhǔn)確性。對(duì)癥狀等變量的描述只能定性不能定量,還不能全面反映辨證意義。臨床上有的癥狀和辨證的結(jié)果是負(fù)相關(guān)的,而貝葉斯網(wǎng)計(jì)算出的局部概率分布參數(shù)沒(méi)有正負(fù)分別。因此,貝葉斯網(wǎng)是中醫(yī)辨證研究的一種較好方法,但仍未能全面體現(xiàn)中醫(yī)辨證的思維能力。中醫(yī)藥的現(xiàn)代化和國(guó)際化需要多學(xué)科的交叉,需要前沿科技方法的支持,更需要不斷進(jìn)行實(shí)踐和探索?；谪惾~斯網(wǎng)的中醫(yī)辨證研究已經(jīng)顯示出其強(qiáng)大的生命力,其辨證推理結(jié)果符合中醫(yī)理論及臨床,具有一定客觀性,有較好的發(fā)展前景。利用貝葉斯網(wǎng)挖掘臨床數(shù)據(jù)庫(kù)中的海量四診信息,建立中醫(yī)證侯模型,可能是中醫(yī)辨證規(guī)范化取得突破的有效方法。當(dāng)然,如何更好的提供高質(zhì)量的樣本,提高貝葉斯網(wǎng)證侯分類(lèi)的性能,改進(jìn)其算法等仍是今后需要不斷探討的問(wèn)題,隨著研究工作的深入,貝葉斯網(wǎng)一定會(huì)給中醫(yī)辨證規(guī)范化研究帶來(lái)更大的貢獻(xiàn)。1.青少年抑郁癥患者中醫(yī)證候及評(píng)估張麗偉等收集了187例胸痹醫(yī)案,隨機(jī)選取其中的170例作為訓(xùn)練集,17例作為測(cè)試集,并保證兩者都涵蓋心氣虛、心陽(yáng)虛、脾陽(yáng)虛、心脾兩虛等九種證候,利用樸素貝葉斯分類(lèi)方法進(jìn)行證候的診斷識(shí)別,結(jié)果顯示使用遺傳算法改進(jìn)了的樸素貝葉斯分類(lèi)模型不僅在所需特征上比原來(lái)少,而且在分類(lèi)的準(zhǔn)確度上還稍有提升。劉湛清通過(guò)分析哈爾濱中醫(yī)院HIS系統(tǒng)電子病例的證型診斷相關(guān)因素,分別構(gòu)造了中醫(yī)證型分類(lèi)樸素貝葉斯和擴(kuò)展貝葉斯模型,發(fā)現(xiàn)在中醫(yī)臨床證型診斷模型中貝葉斯分類(lèi)算法具有良好的分類(lèi)性能。曲淼等以611例抑郁癥患者的中醫(yī)證候?yàn)闃颖?制訂《抑郁癥中醫(yī)證候觀察表》,進(jìn)行中醫(yī)癥狀評(píng)定,運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)進(jìn)行研究,得出中醫(yī)證型。結(jié)果顯示擬訂的中醫(yī)證型涵蓋了抑郁癥的大部分癥狀,包含了核心癥狀和周邊癥狀的不同組合方式,體現(xiàn)了抑郁癥臨床多變的證候特點(diǎn)。張躍宏等利用樸素貝葉斯分類(lèi)算法構(gòu)建了肝炎后肝硬化中醫(yī)證候分類(lèi)模型,對(duì)6種主要證候分類(lèi)的符合率達(dá)83%。劉智等在原有中醫(yī)藥冠心病臨床治療數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,使用中醫(yī)證型的辨證相關(guān)因素,提出屬性加權(quán)樸素貝葉斯算法,對(duì)于冠心病4種證侯模型的分類(lèi),都略高于樸素貝葉斯分類(lèi)算法。胡雷琴等針對(duì)病例樣本少,變量維數(shù)高的問(wèn)題,提出先用層次聚類(lèi)和主成分分析方法對(duì)高維變量進(jìn)行降維,最后利用生成的主成分進(jìn)行貝葉斯網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和分類(lèi),使平均正確率達(dá)到了88.75%。李梢等應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)算法對(duì)乙肝患者證候?qū)W調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,成功構(gòu)建了一種能夠有效判別慢性乙肝患者肝膽濕熱證、肝郁脾虛證的決策樹(shù)診斷模型。陳寶君等以279例抑郁癥肝腎陽(yáng)虛證患者的證候?qū)W指標(biāo)為基礎(chǔ),聯(lián)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和聚類(lèi)分析方法并結(jié)合專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)辨證,確定出的有效辨證指標(biāo)能為抑郁癥肝腎陽(yáng)虛證的中醫(yī)診斷和臨床療效評(píng)價(jià)提供客觀依據(jù)。2.貝葉斯網(wǎng)在證侯關(guān)聯(lián)研究中的應(yīng)用龔燕冰等運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)分析2501例2型糖尿病不同并發(fā)癥患者的血糖相關(guān)指標(biāo)與中醫(yī)癥狀和證型的相關(guān)關(guān)系,結(jié)果顯示貝葉斯網(wǎng)對(duì)于慢性并發(fā)癥的早期預(yù)測(cè)有積極作用。李仕進(jìn)等為了挖掘中醫(yī)“癥-證”之問(wèn)的關(guān)系,提出了基于KNN的挖掘算法和基于貝葉斯的挖掘算法。對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明,基于貝葉斯方法正確率達(dá)到65.76%,高于KNN的62.50%。3.以貝葉斯網(wǎng)的中醫(yī)診斷和診斷能力為核心朱詠華等通過(guò)將中醫(yī)體系中的916個(gè)癥狀,51項(xiàng)證素及1700條證名構(gòu)成中醫(yī)辨證貝葉斯網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)集,從而確定癥狀與證素之間的因果關(guān)系。利用建立的貝葉斯網(wǎng)中醫(yī)辨證系統(tǒng),進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)量分析、推理驗(yàn)證癥狀與證素間的因果關(guān)系、證素與證名問(wèn)的關(guān)系,其結(jié)果與中醫(yī)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)有很高的吻合性。王瑞祥等將貝葉斯網(wǎng)應(yīng)用于以辨證為核心的中醫(yī)專(zhuān)家系統(tǒng)。根據(jù)信息熵判定癥狀之間是否存在因果關(guān)系,然后計(jì)算判定癥狀群的類(lèi)別所屬,其優(yōu)點(diǎn)在于把各個(gè)癥狀看作彼此相互聯(lián)系的整體。吳榮等將名老中醫(yī)診療冠心病心絞痛的信息組成數(shù)據(jù)庫(kù),運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)提取證候要素相關(guān)癥狀,并以條件概率的形式表示出各相關(guān)癥狀在辨證中的貢獻(xiàn)度,反映了證候診斷的實(shí)質(zhì),為名老中醫(yī)經(jīng)驗(yàn)傳承開(kāi)辟了新的途徑。唐啟盛等觀察6l1例患者的橫斷面證候,運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)研究,并結(jié)合前期聚類(lèi)分析結(jié)果,得出中醫(yī)證型及診斷標(biāo)準(zhǔn)。在全國(guó)11個(gè)中心內(nèi),完成了1221例患者的中醫(yī)證候研究,制訂《抑郁癥中醫(yī)證候觀察表》進(jìn)行中醫(yī)癥狀評(píng)定,結(jié)合中醫(yī)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)制定診療標(biāo)準(zhǔn),并在全國(guó)9所醫(yī)院完成了1800例患者的臨床驗(yàn)證,證明基于貝葉斯網(wǎng)的中醫(yī)證侯研究較符合中醫(yī)理論。4.hlc模型的建立張連文等提出了一種中醫(yī)辨證客觀定量標(biāo)準(zhǔn)的研究方法——隱結(jié)構(gòu)法,認(rèn)為通過(guò)四診直接觀察到的癥狀是顯變量,而證候與病機(jī)特點(diǎn)是隱變量。隱變量與隱變量之間,以及隱變量與顯變量之間的關(guān)系構(gòu)