علوم رایانشی

علوم رایانشی

خوشه‌بندی بیماران مبتلا به مولتیپل اسکلروزیس در استان چهارمحال و بختیاری با استفاده از الگوریتم K-prototypes فازی و غیرفازی

نوع مقاله : مطالعه موردی

نویسندگان
1 استادیار گروه علوم کامپیوتر، دانشکده علوم ریاضی، دانشگاه شهرکرد، ایران
2 استادیار گروه آمار و ریاضی، دانشکده انرژی و علوم داده، دانشگاه صنعتی خاتم الانبیاء بهبهان، ایران
10.22034/csj.2025.237376
چکیده
خوشه‌بندی به‌عنوان یکی از روش‌های یادگیری بدون ناظر، ابزاری مؤثر برای کشف الگوهای پنهان و ساختارهای معنادار در داده‌هاست. در حوزه سلامت، این روش امکان تفکیک بیماران بر اساس ویژگی‌های بالینی و درمانی را فراهم می‌کند. مطالعه حاضر با بهره‌گیری از الگوریتم K-prototypes فازی و غیرفازی، به شناسایی زیرگروه‌های بالینی بیماران ام.‌ اس با هدف بهبود برنامه‌ریزی درمانی و کیفیت زندگی آنان می‌پردازد. در این تحقیق، اطلاعات مربوط به ۴۴۸ بیمار مبتلا به مولتیپل اسکلروزیس، شامل ویژگی‌های جمعیت‌شناختی و نوع داروهای مصرفی در استان چهارمحال و بختیاری استفاده شد. جهت شناسایی الگوهای نهفته در داده‌ها، از الگوریتم خوشه‌بندیK-prototypes  در دو حالت فازی و غیرفازی استفاده گردید. تعیین تعداد بهینه خوشه‌ها با بهره‌گیری از شاخص‌های سیلوئت، دیویس-بولدین و کالینسکی- هاراباسز انجام شد. نتایج تحلیل نشان داد که سه خوشه به عنوان بهترین تفکیک برای داده‌ها انتخاب شدند. بررسی شاخص‌های ارزیابی نشان داد که عملکرد دو الگوریتم مورد استفاده نزدیک به هم بوده، ولی الگوریتم فازی عملکرد نسبتاً بهتری از خود نشان داده است. توصیف کامل خوشه‌ها در بخش نتایج به تفصیل بیان شده است. این مطالعه نشان می‌دهد که روش‌های خوشه‌بندی فازی می‌توانند در تحلیل الگوهای پنهان بیماران ام.اس مؤثر باشند و در طراحی مداخلات درمانی مبتنی بر ویژگی‌های فردی به‌کار روند. این رویکرد نه تنها قابلیت ارائه بینش‌های جدید در مدیریت بیماری‌های مزمن را فراهم می‌سازد، بلکه می‌تواند در شناخت الگوهای بیماری و برنامه‌ریزی درمانی مؤثر باشد. یافته‌های این پژوهش می‌توانند مبنای علمی ارزشمندی برای تصمیم‌گیری‌های بالینی فراهم کنند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

1.       Reingold, S. C. 2002.Theoretical Concepts, Current Research, and Clinical Trials in Multiple Sclerosis. Comprehensive Nursing Care in Multiple Sclerosis 2002; 15.
2.        Horn, D. 2001. Clustering via Hilbert space. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications 2001; 302: 70–79.
3.        Jain, A. K. 2009. Data clustering: 50 years beyond k-means. Pattern Recognition Letters 2009; 31(8): 651–666.
4.        Zadeh, L. A. 1965. Fuzzy sets. Information and Control 1965; 8: 338–353.
5.        Atanassov, KT. 1986. Intuitionistic fuzzy sets. Fuzzy Sets and Systems 1986; 20: 87–96.
6.        Torra, V. 2010. Hesitant fuzzy sets. International Journal of Intelligent Systems 2010; 25: 529–539.
7.        Ruspini, ER. 1969. A new approach to clustering. Information and Control 1969; 15(1): 22–32.
8.        Dunn, J.C. 1973. A fuzzy relative of the isodata process and its uses in detecting compact well-separated clusters. Journal of Cybernetics 1973; 32–57.
9.        Bezdek, J.C. & Dunn, J.C. 1986. Optimal fuzzy partitions; a heuristic for estimating the parameters in a mixture of normal distributions. IEEE Transactions on Computers 1986; C-35(8): 935–938.
10.  فرنام، م. و دره‌میرکی، م. 1401. خوشه‌بندی داده‌های فازی با به کارگیری الگوریتم FCM بر مبنای یک معیار اندازه فاصله پارامتری. سیستم‌های فازی و کاربردها. 5 (2): 11993.
11.    Zhi, XB., Fan, JL. & Zhao, F. 2014. Robust local feature weighting hard c-means clustering algorithm. Neurocomputing 2014; 134: 20–29.
12.    Wang, X., Wang, Y., & Wang, L. 2004. Improving fuzzy c-means clustering based on feature-weight learning. Pattern Recognition Letters 2004; 25: 1123–1132.
13.    Xing, HJ., & Ha, MH. 2014. Further improvements in Feature-Weighted Fuzzy C-Means. Information Sciences 2014; 267: 1–15.
14.  Wu, KL., & Yang, MS. 2002. Alternative c-means clustering algorithms. Pattern Recognition 2002; 35: 2267–2278.
15.    Branco, D., Martino, BD., Esposito, A., Tedeschi, G., Bonavita, S., & Lavorgna, L. 2022. Machine learning techniques for prediction of multiple sclerosis progression. Soft Computing 2022; 26(22): 12041–12055.
16.    Eshaghi, A., Young, AL., Wijeratne, PA., et al. 2021. Identifying multiple sclerosis subtypes using unsupervised machine learning and MRI data. Nature Communications 2021; 12: 2078.
17.    Huang, Z. 1998. Extensions to the k-means algorithm for clustering large data sets with categorical values. Data Mining and Knowledge Discovery 1998; 2(3): 283–304.
18.    Ji, J., Pang, W., Zhou, C., Han, X., & Wang, Z. 2012. A fuzzy k-prototype clustering algorithm for mixed numeric and categorical data. Knowledge-Based Systems 2012; 30: 129–135.
19.    Barjui, SP., Reiisi, S., & Bayati, A. 2017. Human glutathione s-transferase enzyme gene variations and risk of multiple sclerosis in Iranian population cohort. Multiple Sclerosis and Related Disorders 2017; 17: 41–46.
20.    Bezdek, JC.1981. Pattern Recognition with Fuzzy Objective Function Algorithms. 1st Edition, Plenum Press: New York.
21.  Gustafson, DE. 1979. Kessel W. Fuzzy clustering with a fuzzy covariance matrix. Proceedings of IEEE Conference on Decision and Control, San Diego 1979; 761–766.
22.    Bai, L., Liang, JY., & Dang, CY. 2011. An initialization method to simultaneously find initial cluster centers and the number of clusters for clustering categorical data. Knowledge-Based Systems 2011; 24(6): 785–795.
23.    Wijaya, YA., & Kurniady, DA. 2021. Setyanto E, Tarihoran WS, Rusmana D, Rahim R. Davies Bouldin index algorithm for optimizing clustering case studies mapping school facilities. TEM Journal 2021; 10(3): 1099–1103.
24.    Ontaneda, D., Thompson, AJ., Fox, RJ., & Cohen, JA. 2017. Progressive multiple sclerosis: prospects for disease therapy, repair, and restoration of function. The Lancet 2017; 389: 1357-1366.
25.    Weideman, AM., Tapia-Maltos, MA., Johnson, K., Greenwood, M., & Bielekova, B. 2017. Meta-analysis of the age-dependent efficacy of multiple sclerosis treatments. Frontiers in Neurology 2017; 8: 577.
26.    He, A., Spelman, T., & Manouchehrinia, A. 2023. Ciccarelli O, Hillert J, McKay K. Association between early treatment of multiple sclerosis and patient-reported outcomes: a nationwide observational cohort study. Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry 2023; 94: 284-289.
27.    Lublin, FD., Reingold, SC., Cohen, JA., Cutter, GR., Sørensen, PS., Thompson, AJ., ... Polman, CH. 2014. Defining the clinical course of multiple sclerosis: the 2013 revisions. Neurology 2014; 83: 278-286.
28.    Hult, KJ. 2017. Measuring the potential health impact of personalized medicine: evidence from MS treatments. National Bureau of Economic Research 2017; No. w23900