Nâng Cao Hiệu Quả Mô Hình Học Máy Cho Dữ Liệu Y Sinh

• Tác giả: Dương Thị Kim Chi
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Văn Lăng
• Trường học: Trường Đại Học Lạc Hồng
• Chuyên ngành: Khoa Học Máy Tính
• Đề tài: Nâng Cao Hiệu Quả Mô Hình Học Máy Trong Dữ Liệu Y Sinh
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Đồng Nai

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN
• 1.2. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.3. NHIỆM VỤ CỦA LUẬN ÁN
• 1.3.1. Thiết kế mô hình học máy hiệu quả cho dữ liệu sinh học phân tử trong các nhiệm vụ ứng dụng trong phát triển thuốc bằng kỹ thuật tái tổ hợp
• 1.3.2. Mô hình học máy hiệu quả cho dữ liệu sinh học phân tử trong các nhiệm vụ định danh loài sinh vật
• 1.3.3. Mô hình học máy hiệu quả trong các ứng dụng y sinh về chẩn đoán bệnh dựa trên dữ liệu lâm sàng
• 1.4. CÁC ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN
• 1.5. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN
• 2.1. DỮ LIỆU Y SINH
• 2.1.1. DNA, hệ gene, gene, protein
• 2.1.2. DNA tái tổ hợp
• 2.1.3. Codon đồng nghĩa (Synonymous Condon)
• 2.1.4. Hệ thống biểu hiện
• 2.1.5. Định danh loài sinh vật
• 2.1.6. Dữ liệu lâm sàng, cận lâm sàng
• 2.2. CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN CÓ SỬ DỤNG THUẬT TOÁN HỌC MÁY CHO DỮ LIỆU Y SINH
• 2.2.1. Rút gọn chiều
• 2.2.2. Phương pháp học tập không giám sát
• 2.2.3. Phương pháp học tập giám sát
• 2.2.4. Phương pháp học máy học kết hợp
• 2.3. CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN
• 2.3.1. Nghiên cứu về ứng dụng các mô hình học máy trong các việc giải quyết các vấn đề trong sinh học phân tử
• 2.3.2. Nghiên cứu về việc áp dụng các mô hình học máy trong các chẩn đoán bệnh dựa trên dữ liệu lâm sàng
• 2.3.3. Các thuật toán học máy hiệu quả của ứng dụng y sinh trong các bài toán đề xuất
• 2.4. ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH MÔ HÌNH HỌC MÁY
• 2.5. DỮ LIỆU THỰC NGHIỆM
• 2.6. KẾT CHƯƠNG
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HỌC MÁY TÌM GENE CHO HỆ THỐNG BIỂU HIỆN TRONG KỸ THUẬT DNA TÁI TỔ HỢP
• 3.1. BÀI TOÁN TÌM GENE BIỂU HIỆN CAO (HIGHLY EXPRESSED GENE - HEG)
• 3.1.1. Bài toán tìm HEG
• 3.1.2. Phương pháp giải quyết
• 3.1.3. Kết quả thực nghiệm
• 3.2. BÀI TOÁN TÌM HỆ THỐNG BIỂU HIỆN PHÙ HỢP VỚI GENE MỤC TIÊU
• 3.2.1. Phát biểu bài toán
• 3.2.2. Phương pháp giải quyết
• 3.2.3. Xử lý dữ liệu thực nghiệm
• 3.2.4. Thực nghiệm mô hình dự đoán gene tương quan
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH ĐỊNH DANH LOÀI SINH VẬT
• 4.1. Định danh loài sinh vật
• 4.2. Giới thiệu định danh loài nấm
• 4.3. Định danh loài nấm mối bằng phương pháp học máy
• 4.4. MÔ HÌNH ĐỊNH DANH LOÀI NẤM BẰNG KỸ THUẬT HỌC KẾT HỢP
• 4.5. CÁC THUẬT TOÁN HIỆU QUẢ CHO MÔ HÌNH ĐỊNH DANH LOÀI NẤM
• 4.6. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 4.6.1. Xây dựng tập dữ liệu cho mô hình định danh loài nấm
• 4.6.2. Đánh giá hiệu năng của mô hình đề xuất
• 4.7. GIAO DIỆN MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN TÊN LOÀI
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ HÌNH HỌC MÁY CHO CHẨN ĐOÁN BỆNH DỰA TRÊN DỮ LIỆU CẬN LÂM SÀNG
• 5.1. MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN BỆNH DỰA TRÊN DỮ LIỆU CẬN LÂM SÀN
• 5.1.1. Mô hình dự đoán bệnh dựa trên dữ liệu lâm sàn
• 5.1.2. Kết quả thực nghiệm
• 5.2. MÔ HÌNH PHÂN LOẠI BỆNH COVID-19 VÀ BỆNH CÚM MÙA
• 5.2.1. Mô hình phân biệt bệnh CoViD-19 và Cúm H1N1
• 5.2.2. Các thuật toán dùng trong mô hình đề xuất
• 5.2.3. Kết quả thực nghiệm
• 5.2.4. So sánh hiệu năng
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

I. Tổng Quan Về Ứng Dụng Học Máy Trong Dữ Liệu Y Sinh

Tính toán y sinh, hay còn gọi là tin y sinh, là một lĩnh vực nghiên cứu liên ngành kết hợp y học và khoa học máy tính. Lĩnh vực này sử dụng các phương pháp phân tích dữ liệu, học máy, thống kê và lý thuyết thông tin để giải quyết các vấn đề trong y sinh, chẳng hạn như phát hiện và chẩn đoán bệnh, thiết kế thuốc và nghiên cứu sinh học phân tử. Học máy đóng vai trò quan trọng trong tin y sinh. Các mô hình học máy giúp quá trình nhận dạng và phân loại được thực hiện tự động với độ chính xác cao. Trong tin y sinh, các mô hình học máy được huấn luyện trên dữ liệu đầu vào và sử dụng các thuật toán để phân loại hoặc dự đoán kết quả. Việc xây dựng mô hình phân loại dữ liệu y sinh đòi hỏi kỹ năng chuyên môn, kinh nghiệm và hiểu biết sâu sắc về dữ liệu y sinh cũng như các phương pháp tính toán phù hợp. Đặc biệt, việc lựa chọn các đặc trưng quan trọng, xử lý dữ liệu thiếu, cân bằng dữ liệu và đánh giá hiệu suất của mô hình là rất quan trọng để đạt được kết quả phân loại chính xác và đáng tin cậy.

1.1. Vai Trò Của Học Máy Trong Phát Triển Thuốc Mới

Học máy giúp đẩy nhanh quá trình phát triển thuốc, tăng hiệu quả trong chẩn đoán và điều trị bệnh. Các thuật toán học máy có thể phân tích lượng lớn dữ liệu y sinh để xác định các mẫu và mối quan hệ phức tạp. Từ đó, chúng hỗ trợ dự đoán tác dụng của thuốc, xác định đối tượng bệnh nhân phù hợp và tối ưu hóa quá trình thử nghiệm lâm sàng. Ví dụ, trong công nghệ tái tổ hợp, học máy có thể giúp tìm ra tập gene biểu hiện protein cao hoặc lựa chọn môi trường vật chủ phù hợp. Nghiên cứu của Dương Thị Kim Chi đã đề xuất các mô hình dự đoán gene biểu hiện protein cao, đạt độ chính xác cao và được công bố rộng rãi.

1.2. Ứng Dụng Học Máy Trong Chẩn Đoán Bệnh Chính Xác

Trong chẩn đoán bệnh, học máy có thể phân tích dữ liệu cận lâm sàng và lâm sàng để phát hiện bệnh sớm, dự đoán nguy cơ và phân loại bệnh nhân vào các nhóm điều trị khác nhau. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các bệnh hiếm hoặc phức tạp, nơi việc chẩn đoán truyền thống có thể mất nhiều thời gian và không chính xác. Các nghiên cứu gần đây đã chứng minh hiệu quả của học máy trong việc chẩn đoán COVID-19 và cúm mùa. Các mô hình này đạt độ chính xác cao và có thể được sử dụng để sàng lọc bệnh nhân và đưa ra quyết định điều trị kịp thời. Các phương pháp như KNNImputer và SMOTE giúp xử lý dữ liệu thiếu và mất cân bằng, nâng cao hiệu suất của mô hình.

II. Thách Thức Trong Xây Dựng Mô Hình Học Máy Y Sinh Hiệu Quả

Xây dựng mô hình học máy hiệu quả cho dữ liệu y sinh đối diện với nhiều thách thức. Thứ nhất, dữ liệu y sinh thường có số chiều rất lớn, cơ chế sinh học phức tạp và dữ liệu không cân bằng. Ví dụ, dữ liệu trình tự gene có thể chứa hàng ngàn chiều, gây khó khăn cho việc lựa chọn đặc trưng và huấn luyện mô hình. Thứ hai, dữ liệu y sinh thường chứa lỗi, thiếu hoặc nhiễu. Việc xử lý dữ liệu này đòi hỏi các kỹ thuật tiền xử lý phức tạp như loại bỏ giá trị ngoại lệ, điền giá trị thiếu và chuẩn hóa dữ liệu. Cuối cùng, việc đánh giá hiệu suất của mô hình học máy trong y sinh cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo tính tin cậy và khả năng ứng dụng thực tế. Các chỉ số đánh giá như độ chính xác, độ nhạy và độ đặc hiệu cần được xem xét trong bối cảnh cụ thể của từng bài toán.

2.1. Vấn Đề Dữ Liệu Lớn và Tính Không Cân Bằng Trong Y Sinh

Dữ liệu y sinh thường có số lượng biến (đặc trưng) lớn hơn nhiều so với số lượng mẫu. Điều này dẫn đến hiện tượng "lời nguyền chiều cao", làm giảm hiệu suất của các thuật toán học máy. Bên cạnh đó, dữ liệu y sinh thường không cân bằng, nghĩa là số lượng mẫu của một số lớp (ví dụ: bệnh hiếm) ít hơn nhiều so với các lớp khác. Điều này có thể khiến mô hình học máy thiên vị đối với các lớp phổ biến và bỏ qua các lớp hiếm. Các kỹ thuật như giảm chiều dữ liệu (ví dụ: PCA, t-SNE) và cân bằng dữ liệu (ví dụ: SMOTE, undersampling) có thể giúp giải quyết các vấn đề này.

2.2. Xử Lý Dữ Liệu Thiếu và Nhiễu Để Tăng Độ Tin Cậy

Dữ liệu y sinh thường chứa các giá trị thiếu do nhiều nguyên nhân khác nhau, ví dụ: lỗi thu thập dữ liệu, từ chối tham gia nghiên cứu hoặc giới hạn kỹ thuật. Việc xử lý dữ liệu thiếu là rất quan trọng để tránh làm sai lệch kết quả phân tích và làm giảm hiệu suất của mô hình học máy. Các phương pháp như điền giá trị trung bình, KNNImputer hoặc thuật toán học máy có thể được sử dụng để điền giá trị thiếu. Ngoài ra, dữ liệu y sinh cũng có thể chứa nhiễu do lỗi đo lường, sai sót trong quá trình nhập liệu hoặc biến động sinh học. Việc loại bỏ nhiễu bằng các kỹ thuật lọc dữ liệu có thể giúp cải thiện độ tin cậy của mô hình.

2.3. Đánh Giá Hiệu Suất Mô Hình Độ Chính Xác và Khả Năng Ứng Dụng

Việc đánh giá hiệu suất mô hình là bước quan trọng để đảm bảo mô hình hoạt động tốt trong thực tế. Các chỉ số như độ chính xác (accuracy), độ nhạy (recall), độ đặc hiệu (specificity), F1-score và AUC-ROC thường được sử dụng. Tuy nhiên, việc lựa chọn chỉ số đánh giá phù hợp phụ thuộc vào bối cảnh cụ thể của từng bài toán. Ngoài ra, cần xem xét khả năng diễn giải của mô hình, tức là khả năng hiểu được lý do tại sao mô hình đưa ra một dự đoán cụ thể. Điều này đặc biệt quan trọng trong y sinh, nơi các quyết định thường có tác động lớn đến sức khỏe của bệnh nhân.

III. Phương Pháp Học Máy Tăng Cường Độ Dốc Cho Y Sinh Chính Xác

Các thuật toán học máy tăng cường độ dốc như XGBoost, LightGBM và CatBoost đã chứng minh hiệu quả vượt trội trong nhiều bài toán y sinh. Các thuật toán này xây dựng mô hình bằng cách kết hợp nhiều cây quyết định yếu, mỗi cây tập trung vào việc sửa lỗi của các cây trước đó. Điều này giúp mô hình đạt được độ chính xác cao và khả năng khái quát hóa tốt. Học máy tăng cường độ dốc đặc biệt phù hợp với dữ liệu y sinh có số chiều cao, dữ liệu không cân bằng và nhiều tương tác phi tuyến tính giữa các biến. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng các mô hình dựa trên học máy tăng cường độ dốc có thể đạt được hiệu suất tốt hơn so với các phương pháp học máy truyền thống trong các bài toán như chẩn đoán bệnh, dự đoán nguy cơ và phân loại bệnh nhân.

3.1. XGBoost Tối Ưu Hóa Hiệu Năng Với Dữ Liệu Y Sinh

XGBoost (Extreme Gradient Boosting) là một thuật toán học máy tăng cường độ dốc phổ biến, được biết đến với hiệu suất cao và khả năng mở rộng tốt. XGBoost sử dụng các kỹ thuật như điều chuẩn hóa (regularization), xử lý dữ liệu thiếu và phân chia cây song song để cải thiện độ chính xác và tốc độ huấn luyện mô hình. XGBoost đã được ứng dụng thành công trong nhiều bài toán y sinh, bao gồm dự đoán nguy cơ bệnh tim mạch, phát hiện ung thư và phân loại bệnh nhân dựa trên dữ liệu di truyền. Các tham số của XGBoost cần được điều chỉnh cẩn thận để đạt được hiệu suất tối ưu cho từng bài toán cụ thể.

3.2. LightGBM Tốc Độ và Hiệu Quả Cho Dữ Liệu Y Sinh Lớn

LightGBM (Light Gradient Boosting Machine) là một thuật toán học máy tăng cường độ dốc được thiết kế để xử lý dữ liệu lớn với tốc độ cao và hiệu quả bộ nhớ tốt. LightGBM sử dụng kỹ thuật Gradient-based One-Side Sampling (GOSS) và Exclusive Feature Bundling (EFB) để giảm số lượng mẫu và đặc trưng cần xem xét trong quá trình huấn luyện, giúp tăng tốc độ và giảm chi phí tính toán. LightGBM đặc biệt phù hợp với các bài toán y sinh có bộ dữ liệu lớn, ví dụ: phân tích dữ liệu bệnh án điện tử hoặc dữ liệu trình tự gene. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng LightGBM có thể đạt được hiệu suất tương đương hoặc tốt hơn so với XGBoost trong một số bài toán y sinh với thời gian huấn luyện ngắn hơn.

IV. Ứng Dụng Mạng Nơ ron Sâu Deep Learning Trong Dữ Liệu Y Sinh

Mạng nơ-ron sâu (Deep Learning) đang ngày càng trở nên phổ biến trong lĩnh vực y sinh nhờ khả năng học các biểu diễn phức tạp từ dữ liệu thô. Các mô hình mạng nơ-ron sâu như mạng nơ-ron tích chập (CNN) và mạng nơ-ron hồi quy (RNN) đã được ứng dụng thành công trong nhiều bài toán y sinh, bao gồm phân tích hình ảnh y tế, xử lý ngôn ngữ tự nhiên cho dữ liệu bệnh án và dự đoán tác dụng của thuốc. Ưu điểm của mạng nơ-ron sâu là khả năng tự động học các đặc trưng quan trọng từ dữ liệu, giúp giảm bớt công sức của con người trong việc lựa chọn đặc trưng. Tuy nhiên, mạng nơ-ron sâu đòi hỏi lượng dữ liệu lớn và tài nguyên tính toán mạnh mẽ để huấn luyện, đồng thời có thể khó diễn giải hơn so với các phương pháp học máy truyền thống.

4.1. Phân Tích Ảnh Y Tế Bằng Mạng Nơ ron Tích Chập CNN

Mạng nơ-ron tích chập (CNN) là một loại mạng nơ-ron sâu đặc biệt phù hợp với việc xử lý dữ liệu ảnh. CNN sử dụng các lớp tích chập để trích xuất các đặc trưng từ ảnh, sau đó sử dụng các lớp kết nối đầy đủ để phân loại hoặc phát hiện đối tượng. CNN đã được ứng dụng rộng rãi trong phân tích ảnh y tế, bao gồm phát hiện khối u trong ảnh X-quang, phân đoạn các cơ quan trong ảnh CT và phân loại các loại tế bào trong ảnh kính hiển vi. Các mô hình CNN có thể đạt được độ chính xác cao trong các bài toán này, giúp các bác sĩ chẩn đoán bệnh nhanh chóng và chính xác hơn.

4.2. Xử Lý Ngôn Ngữ Tự Nhiên NLP Trong Dữ Liệu Bệnh Án

Xử lý ngôn ngữ tự nhiên (NLP) là một lĩnh vực của trí tuệ nhân tạo tập trung vào việc cho phép máy tính hiểu và xử lý ngôn ngữ của con người. NLP có thể được sử dụng để phân tích dữ liệu bệnh án, trích xuất thông tin quan trọng như tiền sử bệnh, triệu chứng và kết quả xét nghiệm. Các mô hình NLP như mạng nơ-ron hồi quy (RNN) và biến thể của nó (LSTM, GRU) có thể xử lý dữ liệu văn bản theo trình tự, cho phép chúng hiểu ngữ cảnh và mối quan hệ giữa các từ trong câu. Các mô hình NLP có thể giúp các nhà nghiên cứu và bác sĩ tìm kiếm thông tin trong dữ liệu bệnh án một cách nhanh chóng và hiệu quả, đồng thời hỗ trợ các quyết định lâm sàng.

V. Ứng Dụng Thực Tế Dự Đoán Bệnh và Cá Nhân Hóa Điều Trị

Các mô hình học máy đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực của y sinh, từ dự đoán bệnh đến cá nhân hóa điều trị. Ví dụ, các mô hình học máy có thể được sử dụng để dự đoán nguy cơ mắc bệnh tim mạch dựa trên dữ liệu nhân khẩu học, tiền sử bệnh và kết quả xét nghiệm. Các mô hình này có thể giúp xác định những người có nguy cơ cao và đưa ra các biện pháp phòng ngừa kịp thời. Trong lĩnh vực cá nhân hóa điều trị, các mô hình học máy có thể được sử dụng để dự đoán phản ứng của bệnh nhân đối với các loại thuốc khác nhau, giúp các bác sĩ lựa chọn phương pháp điều trị phù hợp nhất cho từng bệnh nhân.

5.1. Dự Đoán Nguy Cơ Bệnh Tim Mạch Bằng Học Máy

Bệnh tim mạch là một trong những nguyên nhân gây tử vong hàng đầu trên thế giới. Việc dự đoán nguy cơ mắc bệnh tim mạch sớm là rất quan trọng để đưa ra các biện pháp phòng ngừa và điều trị kịp thời. Các mô hình học máy có thể được sử dụng để dự đoán nguy cơ mắc bệnh tim mạch dựa trên các yếu tố nguy cơ như tuổi, giới tính, huyết áp, cholesterol và tiền sử bệnh. Các mô hình này có thể giúp xác định những người có nguy cơ cao và khuyến khích họ thay đổi lối sống, ví dụ: tập thể dục thường xuyên, ăn uống lành mạnh và bỏ thuốc lá.

5.2. Cá Nhân Hóa Điều Trị Ung Thư Dựa Trên Dữ Liệu Di Truyền

Ung thư là một bệnh lý phức tạp, có nhiều loại và mỗi loại có đặc điểm di truyền riêng. Việc cá nhân hóa điều trị ung thư dựa trên dữ liệu di truyền có thể giúp tăng hiệu quả điều trị và giảm tác dụng phụ. Các mô hình học máy có thể được sử dụng để phân tích dữ liệu di truyền của bệnh nhân và dự đoán phản ứng của họ đối với các loại thuốc hóa trị khác nhau. Các mô hình này có thể giúp các bác sĩ lựa chọn phương pháp điều trị phù hợp nhất cho từng bệnh nhân, dựa trên đặc điểm di truyền của khối u.

VI. Tương Lai Của Mô Hình Học Máy Trong Y Sinh Triển Vọng và Hướng Đi

Tương lai của mô hình học máy trong y sinh hứa hẹn nhiều triển vọng. Với sự phát triển của công nghệ thu thập dữ liệu và tài nguyên tính toán, chúng ta sẽ có nhiều dữ liệu hơn để huấn luyện các mô hình học máy phức tạp. Các mô hình này sẽ ngày càng chính xác và có khả năng giải quyết các bài toán phức tạp hơn trong y sinh. Tuy nhiên, việc ứng dụng học máy trong y sinh cũng đặt ra nhiều thách thức về đạo đức và pháp lý. Chúng ta cần đảm bảo rằng các mô hình học máy được sử dụng một cách có trách nhiệm và không gây ra phân biệt đối xử hoặc xâm phạm quyền riêng tư của bệnh nhân.

6.1. Học Máy Giải Thích Được Explainable AI Trong Y Sinh

Một trong những thách thức lớn nhất của việc ứng dụng học máy trong y sinh là tính khó diễn giải của các mô hình phức tạp. Các bác sĩ và nhà nghiên cứu cần hiểu được lý do tại sao một mô hình học máy đưa ra một dự đoán cụ thể để tin tưởng vào mô hình và sử dụng nó trong thực tế. Học máy giải thích được (Explainable AI) là một lĩnh vực nghiên cứu tập trung vào việc phát triển các phương pháp giúp làm cho các mô hình học máy dễ hiểu hơn. Các phương pháp này có thể giúp các bác sĩ và nhà nghiên cứu hiểu được các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến dự đoán của mô hình, đồng thời xác định các sai sót và thiên vị trong mô hình.

6.2. Đạo Đức và Pháp Lý Trong Ứng Dụng Học Máy Y Sinh

Việc ứng dụng học máy trong y sinh đặt ra nhiều vấn đề đạo đức và pháp lý quan trọng. Các mô hình học máy có thể được sử dụng để đưa ra các quyết định quan trọng về sức khỏe của bệnh nhân, ví dụ: chẩn đoán bệnh, lựa chọn phương pháp điều trị và dự đoán tiên lượng. Chúng ta cần đảm bảo rằng các mô hình này được sử dụng một cách công bằng và không phân biệt đối xử với bất kỳ ai. Ngoài ra, việc thu thập và sử dụng dữ liệu y tế cần tuân thủ các quy định về bảo mật và quyền riêng tư của bệnh nhân. Cần có các cơ chế giám sát và kiểm soát để đảm bảo rằng các mô hình học máy được sử dụng một cách có trách nhiệm và mang lại lợi ích cho bệnh nhân.