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数学建模-肾炎诊断问题分析
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更新于2023-05-28
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数学建模赛题,肾炎的诊断问题,利用了加权马氏距离判别 ,模糊模式识别,fisher判别等方法。
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肾炎诊断问题分析
摘要
本文解决的是如何根据就诊者体内各种元素的含量,判别就诊者是否患有肾
炎,并找出影响人们患肾炎的主要因素,以便减少化验的指标,减少检查费用。
为解决此问题,我们建立了加权马氏改进模型和模糊模式识别模型来判别就诊者
是否患有肾炎,并用神经网络对这两个模型的检验结果进行验证;建立了 fisher
判别模型找出影响人们患肾炎的主要因素。
对于问题一:我们建立了加权马氏距离判别模型和模糊模式识别模型来验证
1-60 号就诊人员的健康状况,然后与实际情况对比,得出这两种模型的准确度
都达到了 93.33%.
对于问题二:我们用问题一中的两种方法对就诊人员进行判别。用加权马氏
判别法得到 14 人患有肾炎,用模糊模式识别得到 11 人患有肾炎。两种判别方法
都得出:病例号为 61,62,64,65,66,67,68,69,72,73,76 的就诊人员为肾炎患者,
但对病例号为 79,83,85 的就诊人员判断不一致,用加权马氏判别模型判断,认
为 79,83,85 号为患者,但用模糊模式识别模型判断这三位是健康的。
对于问题三:我们通过 fisher 判别法得出每种元素对人们患肾炎的影响权
重。发现将 K,Zn,Fe 三种元素剔除后,对结果的检验准确度仍能达到 93.3%,
将 Na 剔除以后准确度变为 90.0%,所以我们认为 Na,Mg,Cu,Ca 的含量是影响
人们患肾炎的关键因素。
对于问题四:我们由第三问得到的结论,把影响人们患肾炎的关键元素作为
主要指标,重复问题二的过程,得到的结果是 61,62,64,65,66,67,68,69,72,73,
76 的就诊者为肾炎患者,病例号为 79,83,85 的就诊人员仍然不能确定。
对于问题五:我们将问题二和问题四中的结果进行横向和纵向对比,发现加
权马氏改进法和模糊模式识别在剔除了 K,Zn,Fe 三种元素后,对于待检验的
61-90 号就诊人员,患肾炎的病号和健康病号没有发生变化,说明我们对影响人
们患肾炎的关键因素的判断很准确。
关键词:加权马氏距离判别 模糊模式识别 fisher 判别 神经网络

1.问题重述.
人们到医院就诊时,通常要检测一些指标来协助医生诊断。我们判断人员是
否患肾炎是通过分析人体内各种元素含量来确定的。对于就诊人员说而言不希望
自己的病情被误判,所以我们应该确定精确的检测方法。
本文我们就如何判断前来就诊人员是否患有肾炎,建立数学模型。
有题目所给数据我们可以看出,60 位已经诊断的病例号的体内元素含量,
其中 1-30 号病例是已经确诊为肾炎病人的化验结果;31-60 号病例是已经确
诊为健康人的结果。另外还有 61-90 号为待检验的就诊患者。
需要解决的问题有:
问题一:根据表 B.1 中的数据,提出一种或多种简便的判别方法,判别就诊
人员是属于患者或健康人,并检验你提出方法的正确性。
问题二:按照 1 提出的方法,判断表 B.2 中的 30 名就诊人员的化验结果进
行判别,判定他(她)们是肾炎病人还是健康人。
问题三:能否根据表 B.1 的数据特征,确定哪些指标是影响人们患肾炎的关
键或主因素,以便减少化验的指标。
问题四:根据 3 的结果,重复 2 的工作。
问题五:对 2 和 4 的结果作进一步的分析。
2.问题假设
(1)假设题目所给的数据合理正确
(2)假设肾炎患者体内各种元素的含量受其他疾病的影响较小;
(3)假设医院所用的仪器准确度很高,对各种元素在人体内的含量测得的值很准
确;
(4)假设用于判断肾炎患者的七种元素,不受人体内其他元素或化合物的影响。

3.符号说明
A
1
表示肾炎患者的模糊集合
A
2
表示健康人体的模糊集合
A
1
(x
i
)
表示样本变量 x
i
与 A
1
的隶属度
A
2
(x
i
)
表示样本变量 x
i
与 A
2
的隶属度
x
i
i=(1,2…7)
分别代表
7
种不同元素含量
δ
(x
i
, A
1
)
表示 x
i
与 A
1
的格贴近度
δ
(x
i
, A
2
)
表示
x
i
与
A
2
的格贴近度
A B
表示
A
与
B
的内积
A B
表示
A
与的
B
外积
X
样本
L1(X,A1)
样本 X 到 A1 的距离
L2(X,A2)
样本
X
到
A2
的距离
u
1
30 个肾炎病人样本各元素的均值向量
u
2
30
个健康人样本各元素的均值向量
y
0
Fisher 模型中求得的临界值
1
y
肾炎患者这类样品的“重心”
2
y
健康这类样品的“重心”
1
x
肾炎患者样本各个元素的均值向量
2
x
健康样本各个元素的均值向量
4.问题分析
此题研究的是如何判断就诊人员是否患有肾炎。在医院就诊时,一般情况下
医生是通过就诊人员的尿液的化验结果来判断该就诊人员是否患有肾炎。本题中

就是通过分析病人的尿液中各元素的含量来判断的,我们要对这些数据进行分析
处理,寻求好的判别方法,判断前来就诊的人员是否患有肾炎。
针对问题一,题目中已经给出 30 个肾炎患者与 30 个健康者体内 7 种元素的
含量,现在所要做的是,如何根据这些数据提出一种合理的诊断方案。通过分析,
我们确定两种比较好的方法来判别病例号是否患有肾炎。方法一:采用改进后的
加权马氏距离判别法,即在马氏距离判别法的基础上,对每种不同的指标确定合
适的权重从而提高准确度的方法,对实际问题进行判别。方法二:将数据划分为
两类,分别用两个集合表示。一类为肾炎患者,一类为健康人体,使用模糊论中
的模糊模式识别的方法建立模型,达到判别效果。
针对问题二,表 B.2 中给出了 30 名就诊人员体内各种元素的含量,我们分
别应用问题一中建立的加权马氏判别模型和模糊模式识别模型进行判断,然后将
两种判断结果进行比较。得出 61—90 号就诊者的诊断结果。
针对问题三,根据表 B.1 的数据,我们要得到哪些元素是该化验结果的关键
指标,即哪些元素在诊断结果中起关键作用。我们重新建立了一个 Fisher 线性
判别模型,求出 Fisher 系数,按照 Fisher 模型的理念,依次剔除 Fisher 系数小
的元素,用 Fisher 判别法对题中给出的 1—60 号就诊者进行检验,得出正确率。
根据正确率的改变,确定出起关键作用的元素。
针对问题四,在问题三中我们已经剔除了对肾炎诊断结果起次要作用的元
素,选出在诊断中起关键作用的元素。然后我们再运用问题一的加权马氏改进法
和模糊模式识别,对
61
—
90
号的就诊人员进行判别是否患有肾炎。
针对问题五,通过把问题二和问题四中分别运用加权马氏改进法和模糊识别
法进行判断的结果进行比较、分析,剔除了次要元素后,
61-90
号就诊者患肾炎
的人员是否发生变化。
5.问题一的求解
针对问题一,要求我们采用一种或多种方法对前来就诊的人员做初步的判
断,我们运用加权马氏判别法(模型一)和模糊识别模型(模型二)寻求了两种判别
方法。
5.1 判别方法一
5.1.1 模型一的分析
对于本题,我们把病人体内含有的 7 种元素
NaKMgCaFeCuZn ,,,,,,
作为化
验结果的样本
T
xxxX )...,,(
721
检测的指标,把总体分为肾炎病人
1
A
类和健康人

2
A
类。60 个人的化验结果是
),...,(
721 iiii
xxxX
。我们定义
),(
11
AXL
为样本
X
到
1
A
的距离,
),(
22
AXL
为样本
X
到样本
2
A
的距离,通过比较
),(
11
AXL
与
),(
22
AXL
的大小来判别样品应该归属于
1
A
类还是
2
A
类。
样品
X
到
1
A
类和
2
A
类的马氏距离分别为:
')()(),(
1
1
1111
uXuXAXL
')()(),(
1
2
2222
uXuXAXL
其中,
21
,uu
,
1
,
2
分别为总体
1
A
和
2
A
的均值和协方差。在实际问题
中,这些指标往往在判断样本
X
属于
A
时,所起的作用不尽相同,其重要性存
在差异。因此,马氏距离夸大了一些微小指标的作用。如果不对指标的重要性进
行区别,在判定时,可能造成较大的误判,为了减小这种影响,在马氏距离的基
础上,我们需要对重要指标加以区分,因此,我们增加了一个权重
W
,构造了
加权马氏距离判别法。
加权马氏距离判别法的原理:马氏距离判别法是用待判别样本
T
m
xxxX ),...,,(
21
到各总体
t
AAA ...,,
21
的距离远近作为测量尺度来判别其归属的一种直观判别方
法。为了提高这种方法对实际问题进行判别时的准确程度,在马氏距离判别法的
基础上,对不同的指标加入不同的权重,合理的分配各种指标对问题的影响,这
就是加权马氏距离判别法。
5.1.2 模型一的建立
对原始指标数据的标准化
我们采集 7 维随机向量
T
XXXX ),...,(
721
)7,...,2,1)(,...,(
721
iXXXX
iiii
是题中给出的 60 个人的化验结果,60>7,所以我们构造样本阵,对样本进行如
下标准化变换:
j
ij
ij
j
X X
Z
S
1, 2,...60; 1, 2,...7i j
其中
1
n
ij
i
j
X
X
n
,
1
)(
2
1
2
n
XX
S
jij
n
i
J
,从而可以计算出
Z
.
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