机器学习在医疗领域中的应用进展

机器学习可以用于检查重要的临床参数，例如提取医疗信息和预测疾病及其发展阶段，有助于为患者的疾病状况提供治疗规划和支持。

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机器学习技术在医学诊断领域中的应用

利用机器学习可以帮助提高特定疾病诊断系统的可靠性、性能和准确性。目前，研究人员已经探索了机器学习模型，帮助放射科医师在乳腺X线照片上进行精确的乳腺癌诊断。研究人员提出了一种基于监督特征投影的算法被开发用于诊断心律失常。训练数据集包括452个患者记录，具有279个定义的特征。每个记录均包含心脏病专家的决策和临床测量数据，包括心电图（ECG）信号、性别、体重和年龄。研究人员把复合协变量监督式机器学习方法应用于对转移性肝细胞癌（HCC）患者，识别与转移及患者生存相关的基因。该算法应用于从30名患者收集的50个HCC测试样本的混合对中，并证明能产生准确的分类结果。

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机器学习技术在癌症领域中的应用

1.在癌症预测中的应用

癌症研究是一个具有重大社会影响的重要领域。[1] 机器学习在癌症研究中的应用在各个方面都显示出巨大的潜力，包括癌症相关问题的基准测试，如癌症类型的分类和预测、药物反应和治疗策略等。目前，该领域已经开发出了一种混合机器学习方法，使用模拟数据和四个真实癌症预后数据集进行验证，并显示出良好的准确性能。机器学习模型也可以用于针对特定患者预测特定药物的临床疗效。研究人员开发了机器学习模型，特别是人工神经网络（ANN），用于计算癌细胞系对医学治疗的反应，该反应通过IC50值来衡量。预测过程基于所考虑药物的细胞系的化学性质和基因组特性。在预测IC50配置文件时，考虑了每个细胞的基因组背景。根据他们的研究，可以通过计算评估数千种药物作为抗肿瘤药物的潜在疗效。这一发现有可能导致创新的药物再定位机会的发现，并最终通过将药物的敏感性与患者的基因组特征相连接，为个体化医疗提供宝贵的参考。在应用机器学习于癌症研究中，一个关键挑战是选择适当的软件包来应对癌症相关问题。基于此，研究人员开发了一个名为CAN-DLE/Supervisor的架构以处理深度神经网络中的超参数。

近年来，开发用于诊断乳腺癌的计算机辅助检测系统引起了越来越多的关注。研究人员在两个不同的癌症数据集上使用了四种分类：k-NN、SVM、NB和J48。在分类过程之前，专家对乳腺癌数据集应用了一种称为WrapperSubsetEval的降维方法，以提高分类性能。实验使用了众所周知的Weka工具进行。Pati使用了多层前馈神经网络、随机子空间和最小序列优化等机器学习技术来分析癌症样本的基因表达，并发现了被认为是癌症主要可能原因的一组基因。这些技术被应用于肺癌的基因表达数据。在互联网上可用的海量基因表达数据上，将生态环境背景与先进的机器学习技术相结合，可能有助于改善我们对癌症原因的理解。

2.在癌症分类技术领域的应用

随着机器学习方法在医学研究领域的应用范围迅速扩大，它们作为传统方法的替代品被用于诊断各种疾病。例如，研究人员提出了一种基因分类方法，旨在消除基因冗余并提高分类质量。该方法分为两个主要阶段：基因选择和寻找最佳基因组。为了管理基因选择阶段，他们提出了一种称为递归特征添加的方法，将统计相似度测量和机器学习相结合，以改进选择过程。另外，他们还提出了一种称为滞后预测窥视优化的算法，用于识别用于疾病预测和分类的最佳基因组。还有研究人员提出了另一种使用机器学习技术的分类方法。他们提出的方法旨在通过SVM分析基因表达，以发现和分类有害组织。该分析考虑了误标记和异常组织结果，并对实验组织进行分类。

3.在癌症基因表达领域中的应用

基于基因表达数据进行精确检测相应模式（如癌症种类）的基因表达数据分类已成为一个研究热点。特别是基于机器学习技术的基因表达数据的癌症分类最近引起了广泛关注，被视为一个有前景的研究领域。近来，研究人员提出了一种基于SVM的基因选择方法，通过递归特征消除来解决从广泛的基因表达数据中选择一小部分记录在DNA微阵列上的基因的问题。研究者构建了一个适用于遗传诊断和药物发现的分类器，实验结果证明了所提出的选择方法提高了分类性能，在基因选择方面具有有效性。

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机器学习技术在脑部疾病领域中的应用

大脑是人体中最复杂的器官，它由大约1000亿个神经元和1百万亿个相互的连接组成。它控制着感觉运动功能，如行走和呼吸；认知功能，如说话、推理和记忆；以及其他复杂功能，如情绪和感觉。研究人员提出了一种多模态分类方法，利用深度学习机制对脑肿瘤进行分类。该方法首先使用线性对比拉伸来增强图像对比度，然后利用深度学习进行特征提取。接下来，应用基于相关熵的联合学习方法和极限学习机选择最佳特征。然后，将这些特征组合成一个矩阵。最后，将该矩阵输入到极限学习机中进行分类。结果显示，在分类准确性和计算时间方面表现出较高的性能。另有研究人员提出了一个非常庞大且异构的脑部计算机断层扫描研究数据集，以帮助利用机器学习应用诊断颅内出血。

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机器学习技术在医学影像领域中的应用

研究人员提出了一种顺序增强学习技术，用于在数字乳腺X线照片中检测微钙化（MC）簇，并提出了一种新颖的肿瘤分割方法，通过探索一类支持向量机（SVM），能够学习肿瘤数据的非线性分布，而无需使用先前的信息。最近在训练深度人工神经网络时出现了一组引人注目的算法。然而，由于拟合和梯度消失的问题，以及计算能力的不足（即缺乏足够的数据来训练计算机系统），这些算法在解决实际问题时面临一些限制。在医学影像领域，深度学习迅速成为评估医学图像的首选方法，这导致相关研究的增加。深度学习方法已渗透到医学图像处理的整个领域，识别在应用深度学习于医学影像任务时的障碍，并突出解决或克服这些挑战的独特贡献。涵盖的应用包括神经病理学、腹部、肺部、数字图像、心脏、视网膜、肌肉骨骼应用和乳腺等。

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机器学习技术在可穿戴设备领域中的应用

近年来，人工神经网络（ANN）技术在模式识别方面取得了快速发展，因为它们具有学习能力，可以分离非线性可分离的类别。ANN能够通过学习复杂映射来自动提取特征的非线性组合。因此，人工神经网络已经被广泛应用于利用可穿戴传感器识别人类活动的理想解决方案。研究人员提出了一种可穿戴监测系统，旨在提供危险生理状况的早期警报，其目标是将医护人员的观察结果与通过可穿戴传感器收集的数据相结合。为了检测所提出系统的自由参数，应用了一类支持向量机（SVM）公式。在训练阶段，使用“正常”数据集对SVM进行训练。然后，在验证阶段使用SVM来定义“异常”和“正常”数据集。老年人容易发生跌倒事故，这激发了研究人员利用由物联网可穿戴设备获取的大量信息来观察老年人的活动的想法。目前已有研究人员提出了一种基于医疗保健物联网可穿戴设备获取的信息的人体跌倒检测器。研究人员还开发了一种用于机械识别（自动识别）自然活动的高效算法，利用了无线心率测量器和五个三轴无线加速度计。结果显示，所提出的方法在依赖和独立训练的情况下分别获得了94.6%和56.3%的识别准确率。增加心率数据使得依赖和独立识别的准确率分别提高了1.2%和2.1%。当不考虑活动强度级别，只关注活动类型时，独立性能达到了80.6%。研究人员提出了一种结合感知技术和计算建模的行为识别方法，该方法提供了一个犬类身体区域网络，为训练员开展狗的训练提供了改进的解释。该方法使用无线感测系统在犬类背心上收集数据。所提出的系统使用决策树分类器来检测犬类的静态姿势，如站立和躺下。相反，此方法使用HMM来处理动态活动，如上楼和行走。身体上的可穿戴传感器已被广泛应用于各个教育和机械领域，其中，在移动监测和普适计算方法中对其的处理尤为重要。在这方面，对人类运动进行异常的定量研究和其电子分类是前沿的计算优化任务。已有研究人员开展了对人类身体运动如何进行分析的研究。该方案使用了具有重要意义的身体加速度计，并应用于计算优化算法。通过追踪具有监督训练的通用分类方案的流程图，对传感器选择、数据采集、特征选择、分类和提取等关键步骤进行了分析。研究人员还提出了一种使用机器学习方法的跌倒检测系统，该系统需要将运动传感器（加速度计、陀螺仪和罗盘）安装在身体的六个位置，用了六种方法来识别日常生活活动中的跌倒，包括最小二乘法、k最近邻、贝叶斯决策、支持向量机（SVM）、人工神经网络（ANNs）和动态时间规整（dynamic time warping）。

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总结和展望

一是大多数研究在癌症检测中使用了有监督的机器学习，因为它足以对未来的输入进行分类；二是机器学习算法被用于检测脑部问题的发作，例如创伤和癫痫发作。为了提高机器学习的性能，可以将人工智能技术与机器学习技术结合起来，以帮助充分跟踪感兴趣的区域；三是鉴于医学图像的数据量巨大，建议采用无监督学习方法，因为它们能够获取和保留大量的数据；四是由可穿戴传感器获取的大量数据需要一种有效的方法来提取最相关的数据，并能够快速高效地处理海量在线数据。

参考文献

[1]Shehab, M., Abualigah, L., Shambour, Q., Abu-Hashem, M. A., Shambour, M. K. Y., Alsalibi, A. I., & Gandomi, A. H. (2022). Machine learning in medical applications: A review of state-of-the-art methods. Computers in Biology and Medicine, 145, 105458.

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作者：秦杰、李积宗、孟海华、冯心宜。作者单位：上海市生物医药科技发展中心。文章观点不代表主办机构立场。

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