Luận án Tiến sĩ về Khai thác Dữ liệu Fuzzy-Granular trong Hỗ trợ Quyết định Y Sinh

Luận án tiến sĩ y tế phân tích fuzzygranular based data mining for effective decision support in biomedical applications, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng góp

Trường đại học

Georgia State University

Chuyên ngành

Doctor of Philosophy

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

dissertation

2006

108
2
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

ABSTRACT

ACKNOWLEDGMENTS

TABLE OF CONTENTS

1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION

1.1. Binary classification

1.2. Feature selection

1.3. Metrics for classification

1.4. Challenges

1.5. Organizations

2. CHƯƠNG 2: RELATED WORKS

2.1. Knowledge discovery, data mining, and data warehousing

2.2. Association rule mining

2.2.1. Basic concepts

2.2.2. The Apriori Algorithm

3. CHAPTER 3: FUZZY ASSOCIATION RULE MINING FOR DECISION SUPPORT

3.1. STEP 1: FUZZY INTERVAL PARTITIONING

3.2. STEP 2: DATA ABSTRACTING

3.3. STEP 3: GENERATING FUZZY DISCRETE TRANSACTIONS

3.4. STEP 4: MINING ASSOCIATION RULES

4. CHAPTER 4: FARM-DS FROM MEDICAL DATA

4.1. RESULTS ANALYSIS ON EFFECTIVENESS

4.2. RESULT ANALYSIS ON EFFICIENCY

4.3. RESULT ANALYSIS ON INTERPRETABILITY

5. CHAPTER 5: FARM-DS FROM MICROARRAY EXPRESSION DATA

5.1. CHALLENGES FOR BIOINFORMATICS SCIENTISTS

5.2. SIMULATION ENVIRONMENT AND DATASETS

5.3. PERFECT GENE SUBSETS

5.4. GENE-CANCER KNOWLEDGE DISCOVERY

5.5. FUZZY ASSOCIATION RULES

6. CHAPTER 6: FUZZY-GRANULAR GENE SELECTION FROM MICROARRAY EXPRESSION DATA

6.1. TRADITIONAL ALGORITHMS FOR GENE SELECTION

6.2. SVM FOR CANCER CLASSIFICATION

6.3. CORRELATION-BASED FEATURE RANKING ALGORITHMS FOR GENE SELECTION

6.4. A NEW FUZZY-GRANULAR BASED ALGORITHM FOR GENE SELECTION

6.4.1. FUZZY C-MEANS CLUSTERING

6.4.2. FUZZY-GRANULAR BASED GENE SELECTION

7. CHAPTER 7: CONCLUSIONS AND FUTURE WORKS

LIST OF TABLES

LIST OF FIGURES

LIST OF ACRONYMS

Tóm tắt

I. Tổng quan về khai thác dữ liệu fuzzy granular trong y sinh

Khai thác dữ liệu fuzzy-granular là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong y sinh, giúp cải thiện khả năng ra quyết định trong các tình huống phức tạp. Với sự phát triển của công nghệ sinh học, việc phân tích và khai thác thông tin từ các cơ sở dữ liệu y tế ngày càng trở nên cần thiết. Hệ thống hỗ trợ quyết định (DSS) dựa trên các quy tắc liên kết fuzzy có thể cung cấp thông tin hữu ích cho các bác sĩ và nhà nghiên cứu trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh.

1.1. Khái niệm về khai thác dữ liệu và fuzzy logic

Khai thác dữ liệu là quá trình tìm kiếm thông tin có giá trị từ các tập dữ liệu lớn. Fuzzy logic cho phép xử lý thông tin không chắc chắn, giúp cải thiện độ chính xác trong việc phân tích dữ liệu y tế.

1.2. Tầm quan trọng của hệ thống hỗ trợ quyết định trong y sinh

Hệ thống hỗ trợ quyết định giúp các chuyên gia y tế đưa ra quyết định chính xác hơn bằng cách cung cấp thông tin phân tích từ dữ liệu. Điều này đặc biệt quan trọng trong các tình huống khẩn cấp hoặc khi dữ liệu phức tạp.

II. Thách thức trong khai thác dữ liệu y sinh hiện nay

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong công nghệ khai thác dữ liệu, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong lĩnh vực y sinh. Các vấn đề như độ lớn của dữ liệu, tính phức tạp của các mô hình và sự không chắc chắn trong dữ liệu đều ảnh hưởng đến hiệu quả của các hệ thống hỗ trợ quyết định.

2.1. Độ lớn và phức tạp của dữ liệu y sinh

Dữ liệu y sinh thường rất lớn và phức tạp, bao gồm nhiều loại thông tin khác nhau như gen, protein và các chỉ số sinh học. Việc xử lý và phân tích những dữ liệu này đòi hỏi các phương pháp tiên tiến.

2.2. Sự không chắc chắn trong dữ liệu y tế

Dữ liệu y tế thường chứa nhiều thông tin không chắc chắn, điều này có thể dẫn đến những quyết định sai lầm. Fuzzy logic giúp giảm thiểu vấn đề này bằng cách cung cấp các quy tắc ra quyết định linh hoạt hơn.

III. Phương pháp khai thác dữ liệu fuzzy granular hiệu quả

Để xây dựng một hệ thống hỗ trợ quyết định hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp khai thác dữ liệu fuzzy-granular. Một trong những phương pháp nổi bật là thuật toán khai thác quy tắc liên kết fuzzy (FARM-DS), giúp cải thiện độ chính xác trong phân loại dữ liệu y sinh.

3.1. Thuật toán khai thác quy tắc liên kết fuzzy

Thuật toán FARM-DS được thiết kế để xử lý các vấn đề phân loại nhị phân trong y sinh, cung cấp độ chính xác cao hơn so với các phương pháp truyền thống.

3.2. Lợi ích của việc sử dụng fuzzy granular trong phân tích dữ liệu

Việc áp dụng phương pháp fuzzy-granular giúp giảm thiểu mất mát thông tin trong quá trình chọn lọc gen, từ đó cải thiện độ chính xác của các mô hình phân loại.

IV. Ứng dụng thực tiễn của khai thác dữ liệu fuzzy granular

Khai thác dữ liệu fuzzy-granular đã được áp dụng thành công trong nhiều lĩnh vực y sinh, từ chẩn đoán bệnh đến nghiên cứu gen. Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng các phương pháp này có thể cung cấp thông tin hữu ích cho các chuyên gia y tế.

4.1. Chẩn đoán bệnh bằng phương pháp fuzzy

Các hệ thống hỗ trợ quyết định dựa trên fuzzy logic đã giúp cải thiện độ chính xác trong chẩn đoán bệnh, đặc biệt là trong các trường hợp phức tạp.

4.2. Nghiên cứu gen và phân tích dữ liệu sinh học

Phương pháp fuzzy-granular đã được sử dụng để chọn lọc các gen thông tin từ dữ liệu biểu hiện gen, giúp nâng cao hiệu quả trong nghiên cứu sinh học.

V. Kết luận và tương lai của khai thác dữ liệu fuzzy granular

Khai thác dữ liệu fuzzy-granular đang mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực y sinh. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, các phương pháp này hứa hẹn sẽ tiếp tục cải thiện khả năng ra quyết định trong y tế.

5.1. Tương lai của hệ thống hỗ trợ quyết định trong y sinh

Các hệ thống hỗ trợ quyết định sẽ ngày càng trở nên thông minh hơn, giúp các chuyên gia y tế đưa ra quyết định chính xác và nhanh chóng hơn.

5.2. Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực fuzzy granular

Nghiên cứu về khai thác dữ liệu fuzzy-granular sẽ tiếp tục phát triển, mở ra nhiều hướng đi mới cho các ứng dụng trong y sinh và các lĩnh vực khác.

11/01/2025
Luận án tiến sĩ fuzzygranular based data mining for effective decision support in biomedical applications

Trích đoạn nội dung tài liệu

FUZZY-GRANULAR BASED DATA MINING FOR EFFECTIVE DECISION SUPPORT IN BIOMEDICAL APPLICATIONS by YUANCHEN HE Under the Direction of Raj Sunderraman and Yan-Qing Zhang ABSTRACT Due to complexity of biomedical problems, adaptive and intelligent knowledge discovery and data mining systems are highly needed to help humans to understand the inherent mechanism of diseases. For biomedical classification problems, typically it is impossible to build a perfect classifier with 100% prediction accuracy. Hence a more realistic target is to build an effective Decision Support System (DSS). In this dissertation, a novel adaptive Fuzzy Association Rules (FARs) mining algorithm, named FARM-DS, is proposed to build such a DSS for binary classification problems in the biomedical domain.

Empirical studies show that FARM-DS is competitive to state-of- the-art classifiers in terms of prediction accuracy. More importantly, FARs can provide strong decision support on disease diagnoses due to their easy interpretability. This dissertation also proposes a fuzzy-granular method to select informative and discriminative genes from huge microarray gene expression data. With fuzzy granulation, information loss in the process of gene selection is decreased.

As a result, more informative genes for cancer classification are selected and more accurate classifiers can be modeled. Empirical studies show that the proposed method is more accurate than traditional algorithms for cancer classification. And hence we expect that genes being selected can be more helpful for further biological studies. INDEX WORDS: Data Mining, Knowledge Discovery, Computational Intelligence, Granular Computing, Fuzzy Association Rule Mining, Decision Support System, Binary Classification, Bioinformatics FUZZY-GRANULAR BASED DATA MINING FOR EFFECTIVE DECISION SUPPORT IN BIOMEDICAL APPLICATIONS by YUANCHEN HE A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy in the College of Arts and Sciences Georgia Stage University 2006 UMI Number: 3243236 Copyright 2006 by He, Yuanchen All rights reserved.

UMI Microform 3243236 Copyright 2007 by ProQuest Information and Learning Company. All rights reserved. This microform edition is protected against unauthorized copying under Title 17, United States Code. ProQuest Information and Learning Company 300 North Zeeb Road P.

Box 1346 Ann Arbor, MI 48106-1346 Copyright by Yuanchen He 2006 FUZZY-GRANULAR BASED DATA MINING FOR EFFECTIVE DECISION SUPPORT IN BIOMEDICAL APPLICATIONS by YUANCHEN HE Major Professor: Rajshekhar Sunderraman Yan-Qing Zhang Committee: Saeid Belkasim Yichuan Zhao Electronic Version Approved: Office of Graduate Studies College of Arts and Sciences Georgia State University December 2006 iv Acknowledgments Firstly, my specific thanks go to my co-advisors, Dr. Rajshekhar Sunderraman and Dr. Yan-Qing Zhang, for their careful guidance and precise advisement during the process of my PhD dissertation. The dissertation would not have been possible without their helps.

Secondly, I would like to thank my committee members, Dr. Saeid Belkasim and Dr. Yichuan Zhao for their well-appreciated support and assistance. Finally, I want to thank my family and friends for their support and beliefs.

v TABLE OF CONTENTS LIST OF TABLES .VIII LIST OF ACRONYMS.2 METRICS FOR CLASSIFICATION .1 KNOWLEDGE DISCOVERY, DATA MINING, AND DATA WAREHOUSING .2 ASSOCIATION RULE MINING .2 THE APRIORI ALGORITHM .3 ASSOCIATION RULE MINING FOR CLASSIFICATION .4 SOFT COMPUTING AND FUZZY LOGIC .1 FUZZY CONCEPT IN THE DATA MINING DOMAIN.2 FUZZY DATA MODELING .2 PROBABILITY DISTRIBUTION AND FUZZY SETS .3 DATA MINING AND QUANTITATIVE DATA.1 TRANSFORMING QUANTITATIVE DATA .2 FUZZY DATA MINING .3 FINDING FUZZY SETS.5 FUZZY ASSOCIATION RULE MINING .6 FUZZY ASSOCIATION RULE MINING FOR CLASSIFICATION .8 CLUSTERING AND DATA ABSTRACTION .2 REPRESENTATION OF CLUSTERS. 32 CHAPTER 3 FUZZY ASSOCIATION RULE MINING FOR DECISION SUPPORT .1 STEP 1: FUZZY INTERVAL PARTITIONING .2 STEP 2: DATA ABSTRACTING .3 STEP 3: GENERATING FUZZY DISCRETE TRANSACTIONS .4 STEP 4: MINING ASSOCIATION RULES. 46 CHAPTER 4 FARM-DS FROM MEDICAL DATA.2 RESULTS ANALYSIS ON EFFECTIVENESS .3 RESULT ANALYSIS ON EFFICIENCY .4 RESULT ANALYSIS ON INTERPRETABILITY. 52 CHAPTER 5 FARM-DS FROM MICROARRAY EXPRESSION DATA .2 CHALLENGES FOR BIOINFORMATICS SCIENTISTS .3 SIMULATION ENVIRONMENT AND DATASETS.4 PERFECT GENE SUBSETS .5 GENE-CANCER KNOWLEDGE DISCOVERY .6 FUZZY ASSOCIATION RULES.

64 CHAPTER 6 FUZZY-GRANULAR GENE SELECTION FROM MICROARRAY EXPRESSION DATA. TRADITIONAL ALGORITHMS FOR GENE SELECTION. SVM FOR CANCER CLASSIFICATION. CORRELATION-BASED FEATURE RANKING ALGORITHMS FOR GENE SELECTION 68 6.

A NEW FUZZY-GRANULAR BASED ALGORITHM FOR GENE SELECTION. FUZZY C-MEANS CLUSTERING. FUZZY-GRANULAR BASED GENE SELECTION. 80 CHAPTER 7 CONCLUSIONS AND FUTURE WORKS.

83 vii LIST OF FIGURES Figure 1. confusion matrix 2 Figure 1. Sample of Area under ROC curve 5 Figure 1. Sample of Area under Precision/Recall 7 Figure 2.

Apriori algorithm 12 Figure 2. discrete interval method 19 Figure 2. creating overlapping regions 20 Figure 2. fuzzy partition 20 Figure 3.

a sketch of FARM-DS 34 Figure 3. an example to project a sample onto a feature 44 Figure 4. an example to decide the optimal 50 Figure 6. positive-related gene, negative-related gene, both, neither 71 Figure 6.

Fuzzy-Granular gene selection 74 viii LIST OF TABLES TABLE 2.1 Notation for mining algorithm 11 TABLE 4.1 characteristics of datasets used for experiments 48 TABLE 4.2 farm-ds modeling results with trapezoidal-shaped membership functions by 5-fold cross validation 51 TABLE 4.3 validation error comparison by 5-fold cross validation 51 TABLE 4.4 running time comparison with 5-fold cross validation 52 TABLE 4.5 The feature information of the wisconsin Breast cancer data set 52 TABLE 4.6 12 wrongly classified samples on wisconsin breast cancer dataset 53 TABLE 4.7 the most general and the most specific fired rules for the 1st sample in fold 1 on wisconsin breast cancer dataset 54 TABLE 4.8 activation frequency of features on the wisconsin Breast cancer data 55 TABLE 5.1 characteristics of datasets 60 TABLE 5.2 a perfect gene subset selected on the aml/all dataset 61 TABLE 5.3 a perfect gene subset selected on the colon cancer dataset 62 TABLE 5.4 a perfect gene subset selected on the prostate cancer dataset 62 TABLE 5.5 classification errors of the four models 62 TABLE 5.6 auc of the four models 63 TABLE 5.7 rule numbers of the four models 63 TABLE 5.8 average rule lengths of the four models 63 ix TABLE 5.9 5 fuzzy association rules for aml/all dataset 64 TABLE 5.10 8 fuzzy association rules for colon dataset 64 TABLE 5.11 15 fuzzy association rules for prostate dataset 65 TABLE 6.1 leave-one out validation performance on the prostate cancer dataset 79 TABLE 6.632 bootstrapping performance on the prostate cancer dataset 79 TABLE 6.3 leave-one out validation performance on the colon cancer dataset 79 TABLE 6.632 bootstrapping performance on the colon cancer dataset 79 x LIST OF ACRONYMS Fuzzy Association Rule Mining FARM Decision Support DS 1 CHAPTER 1 INTRODUCTION In the last decade, with the advent of genomic and proteomic technologies, more and more biomedical databases have been created and have been growing in an exponential rate. Developing intelligent data analysis tools is essential to extract knowledge from these databases to ease biomedical decision-making process. The knowledge extracted from these databases is expected to be as accurate as possible. However, due to complexity and huge sizes of biomedical databases, it is difficult or even impossible to find 100% accurate knowledge.

Therefore, a more realistic goal is to build an intelligent data analysis tool as an effective Decision Support System (DSS). That is, the role of such a data analysis tool is not to replace human experts, but only to assist human experts to make decisions more reliably.1 Binary classification In this dissertation, we focus on binary classification modeling. Although binary classification is the simplest classification problem, many works show that the models for it can be naturally extended to multiple classification or regression problems. (This extension itself is an interesting research topic and will not be covered in this dissertation.) A general binary classification problem is defined as follows: • Given l independent and identically distributed (i.) samples ( x1 , y1 ), ( x2 , y2 ), K, ( xl , yl ) where xi ∈ R d , for i = 1,2,L, l is a feature vector 2 of length d and yi = {+1,−1} is the class label (+1 for the positive class, and -1 for the negative class) for data point xi , • Assume the classes are mutually exclusive and exhaustive, which means every sample has one and only one class label, • Find a classifier with the decision function f ( x,θ ) such that y = f ( x,θ ) , where y is the class label for x, θ is a vector of unknown parameters in the function.

These l samples are called “training data”. real negatives real positives predicted (TN) true (FN) false negatives negatives negatives predicted (FP) false (TP) true positives positives positives Figure.2 Feature selection Some binary classification problem is more natural to be modeled as a binary ranking modeling. Protein homology prediction task is a good example. The target is to predict if a protein sequence is homologous to another pre-specified natural protein sequence.

Because of biological complexity, it is difficult and arbitrary to say two protein sequences are absolutely homologous or not (1 or -1 is output); an output with "confidence" may be more helpful. In this way, many protein sequences could be ranked by their confidence to be homologous to the pre-specified protein sequence. As a result, biologists could quickly 3 prioritize a list of protein sequences for further study and thus their working efficiencies can be enhanced. A binary ranking problem is similar to a binary classification problem.

The differences are • the output is a real number in the field of [-1,1], and • the absolute value of the output is useless. Intuitively, a good model should rank the unseen positive samples (in case of protein homology prediction, they are homologous protein sequences) close to the top and rank unseen negative samples (in case of protein homology prediction, they are non-homologous protein sequences) close to the bottom of the list.3 Feature selection Feature selection is another important task usually correlated with a classification problem. Given a dataset, some input features may be irrelevant to classification. Furthermore, some features may be redundant or even noise due to complex correlations among them to hide real data distribution.

Hence, relevance analysis may be performed on the data with the aim of removing any irrelevant, redundant or noisy features from the learning process. In machine learning, this process is known as feature selection to filter out features, which may otherwise slow down, and possibly mislead, the learning step. Relevance analysis is closely related to binary classification. Suppose there are d input features in the original dataset, the target of feature selection is to select d i informative features while removing d n non-informative features.

The target is that the classifier modeled on the subset of d i features has better performance than the classifier modeled in the original feature set.2 Metrics for classification The performance of the classifier is usually measured in terms of misclassification error on unseen “testing data” which is defined in Eq.1) ⎩ 1 otherwise Based on the confusion matrix in Fig.1, many other metrics have been used for performance evaluation on classification. • Accuracy is the fraction of correctly classified samples over all samples. TN + TP accuracy = .2) TN + FN + FP + TP The overall accuracy metric at Eq.2) represents the same meaning as misclassification error. Both of them are used to evaluate classification performance on the whole dataset.

Besides them, two other kinds of metrics have been proposed for different purposes. The first kind of metrics is concern with balanced classification ability. Sensitivity at Eq.3) and specificity at Eq.4) are usually adopted to monitor classification performance on two classes, separately. • Sensitivity is the fraction of the real positives that actually are correctly predicted as positives.

• Specificity is the fraction of the real negatives that actually are correctly predicted as negatives.3) TP + FN TN specificity = .4) TN + FP 5 Notice that sensitivity is sometimes called true positive rate or positive class accuracy, while specificity called true negative rate or negative class accuracy, in different research communities.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Luận án Tiến sĩ về Khai thác Dữ liệu Fuzzy-Granular trong Hỗ trợ Quyết định Y Sinh của tác giả Yuancheng He, dưới sự hướng dẫn của Dr. Rajshekhar Sunderraman và Dr. Yan-Qing Zhang tại Georgia State University, năm 2006, tập trung vào việc áp dụng các phương pháp khai thác dữ liệu mờ và phân cấp để hỗ trợ quyết định trong lĩnh vực y sinh. Bài luận án này không chỉ cung cấp những kiến thức chuyên sâu về lý thuyết và ứng dụng của dữ liệu fuzzy-granular mà còn mở ra hướng đi mới trong việc cải thiện quy trình ra quyết định y tế, từ đó giúp các chuyên gia y tế đưa ra những quyết định chính xác hơn trong điều trị bệnh nhân.

Để mở rộng hiểu biết của bạn về lĩnh vực này, bạn có thể tham khảo thêm các tài liệu liên quan như Nghiên cứu phương pháp định lượng andrographolide trong dược liệu xuyên tâm liên bằng HPTLC, nơi trình bày về các phương pháp phân tích trong dược liệu, và Khảo Sát Nhu Cầu Tư Vấn Sử Dụng Thuốc Của Bệnh Nhân Điều Trị Ngoại Trú Tại Bệnh Viện Đại Học Y Hà Nội Năm 2023, cung cấp cái nhìn tổng quan về nhu cầu tư vấn sử dụng thuốc trong điều trị. Những tài liệu này sẽ giúp bạn có cái nhìn sâu sắc hơn về các vấn đề liên quan đến quyết định y sinh và ứng dụng dữ liệu trong lĩnh vực y tế.