………………………… 科研发 ． （（－＿ 聚类分析法在医学上的应用研究 中国医科大学 李双良 【摘要】目前，聚类分析作为一种新兴技术手段被应用于国内外医学领域，从不同程度辅助提升了医疗效果。了解聚类分析在医学领域的主要应用，探索它的应用前景及 发展方向有助于各项医务工作的展开。文章通过查阅各种数据库的相关文献，借助文献计量学及ｓＰｓｓ，ＭＡＴＬＡＢ软件全面总结出聚类分析在医学领域的主要应用。 【关键词】聚类分析；数据挖掘；数字医疗；应用研究 聚类分析，它是直接比较各事物之间的 性质，将性质相近的归为一类，性质差别较 大的归入不同类的一种多元统计分析方法。 现代化数字医疗的严峻形势对医务人员的要 求越来越高。聚类分析技术在发达国家的应 用已经很广泛，在我国医学领域应用的较晚 使用分类学距离和平均连锁聚成来对心脏病 分类；Ｊｏｎｅｓ等通过聚类分析分开两种症状 非常多变而交叠的结肠疾病；ｚｉｎｓｓｅｒ（１９６４） 使用因子分析和聚类分析区分肾盂肾炎…… 我国精神症诊断标准的制定和残肢 者肌电信号的控制都应用了模糊聚类。 列……，聚类分析这把强大的工具使人类在 疾病治疗的基因水平上迈出了一大步。 五、聚类分析在分子流行病学中的应用 国内国外聚类分析在这方面的研究都己 颇为成熟。典型研究有： ｌ＿聚类分析在院内感染性疾病的研究应 但前景广阔。 常用的统计聚类分析方法包括谱系聚类 （ｈｉ ｅｒａｒｃｈｉ ｃａ１ ｃ１ｕｓｔｅｒｉｎｇ）、快速聚类 （Ｋ—ｍｅａｎｓ）、两阶段聚类（Ｔｗｏ—Ｓｔｅｐ）、动态 聚类、最优分割和模糊聚类等。采用ｋ～均值、 ｋ一中心点等算法的聚类分析工具已被加入到许 多著名的统计分析软件包中，如ＳＰＳＳ、ＳＡＳ、 ＭＡＴＬＡＢ等。国外比较有名的数据挖掘系统有 ＳＡＳ公司的Ｅｎｔｅｒｐｒｉ ８ｅ ｉｉ１１ｅｒ、ＩＢＭ公司的 Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍｉｎｅｒ．ＳＧＩ公司的ＭｉｎｅｒＳｅｔ、 ＳＰＳＳ公司的Ｃｌｅｍｅｎｔｉｎｅ、加拿大Ｓｉｍｏｎ Ｆｒａｓｅｒ 大学开发的ＤＢＭｉｎｅｔ等。 通过查阅万方、维普、知网等各种数 据库的相关文献，借助文献计量学及ＳＰＳＳ， ＭＡＴＬＡＢ等软件分析，发现聚类分析在医学领 域的应用主要有以下几个方面。 一、聚类分析在医学影像上的应用 医学图像数据挖掘技术聚类分析是有效 解决医学图像处理与分析的重要手段之～， 它可以揭示正常人体各组织器官影像特征数 据的分布规则和关系，为人体组织器官图像 的自动分类和病变组织图像自动识别开辟新 的途经［ 。 目前的典型研究有： １．在医学图像灰度密度研究的基础上， 提出基于医学图像带修正系数的密度构造聚 类算法。对现有图像数据挖掘算法加以比较 筛选和改进，深入研究了医学图像数据的核 密度函数、数据分箱和基于数据分箱策略的 密度构方法，使图像更精确。 ２．用Ｍａｔｌａｂ语言优化Ｋ一均值聚类算法程 序，提高了Ｋ一均值聚类算法在医学ＣＴ图像分割 上的应用效果、稳定性和质量，减少了程序的 运行时间，为图像的识别处理奠定了基础。 ３．将遗传算法与聚类分析两种工具相结 合，应用到医学ｃＴ图像分割中。利用遗传算 法搜索的随机性和并行性，克服了Ｋ均值聚类 的局部性和对初始聚类中心的敏感性。并且 可以根据分割的要求，合理地调整聚类时的特 征向量和权重。 ４．将模糊聚类分析方法引入到医学图像 处理领域，在不断的改进和其他方法的伴随 下，改善算法的速度和处理效果。 ５．采用无监督的聚类分析的计算机系统 提高对病灶的ＭＲＩ ｘ光检查的诊断准确性，作 为计算机辅助诊断病灶ｘ光检查。 二、聚类分析在疾病的诊断和分型上的 应用 在医学中，值得注意的是，某些临床实 体可以有种种原因，如由非常不同的细菌造 成的脑膜炎在临床上可能无可区别；反之， 一种病因可以产生种种体征，症状和病理现 象，例如，梅毒。在当前的数字化医疗时 代，医学聚类分析在疾病的计算机诊断上大 放异彩，解决了很多关于疾病实体和综合征 的诊断和分型的棘手问题 ２ｊ。 较早的应用有：Ｍａｎｎｉｎｇ￣１Ｗｓｔｓｏｎ（１９６６） 如今发达国家采用统计聚类分析为早期 帕金森疾病分亚型，这种亚型的鉴定对致病机 制假说的提出和治疗策略的制定有重大暗示； 将统计聚类分析方法应用在胃旁路减肥手术 中，来辨别肥胖病人不同的亚型，借此找到阻 碍减肥成功和术后恢复的模式；采用Ｋ—ｍｅａｎｓ聚 类分析对听力图形进行分类，改善和整合临床 设置中的图形识别，减少由于个体经验而发生 的错误，被用于诊所开发；利用ＳＰＳＳ软件对 ２０３例有随访结果的肿瘤作因子分析和聚类判 别分析，用于讨论乳腺叶状肿瘤的９种病理形 态学特征性参数的诊断价值等等。 三、聚类分析在监测和评价疾病预后上 的应用 聚类分析在国内医疗这方面的应用几乎 为空白，但在国外应用已经很有成效。 发达国家采用凝聚谱系聚类分析将慢性 病的表现症状分解，用来评估慢性病的生活 质量，如肺癌；用聚类分析评估Ｉ型糖尿病胰 岛移植后自我监测的血糖指标，观察血糖波 动和预后 ；用聚类分析判断病理指标，如尽 管肝功能保存良好，但低ＢＴＲ水平仍能表明肝 细胞癌切除患者的早期复发；用几何编码和 聚类分析识别参数来评估和控制ＩＩ型糖尿病 患者的代谢控制情况，有助于改善他们的监 测和治疗；用聚类分析预测妇女生育年龄的 心血管疾病和代谢风险因素等等。 四、聚类分析在基因靶向治疗上的应用 基因数据标准化处理后可以进行基因聚 类分析，通过基因聚类分析可以考察未知基 因的功能信息或己知基因的未知功能信息。 对基因和样本进行双聚类可以更好地发现基 因表达模式并且具有更清晰的生物学解释 ］。 通过聚类分析，可以获取对种群固有 结构的认识。有利于疾病进行根本的靶向治 疗。同样的，国外聚类分析在这方面的研究 也远远多于几乎空白的国内。 目前根据形态学对肿瘤进行分类有很大 的局限性，而基因表达聚类分析可以利用肿 瘤间不同的基因表达谱进行更精确的肿瘤亚 型分类。在肿瘤新标志基因发现中使用聚类 算法和其它分析方法已经取得很有价值的发 现，使得对肿瘤的机制有了更清晰的解释， 对肿瘤的早期诊断和患者的生存预判提供了 重要的参考。 除了在对肿瘤基因的研究，发达国家还 利用聚类分析研究ＣＯＰＤ基因，辨别不同亚型 的带有不同模式的呼吸道疾病和肺气肿的吸 烟患者；用层次聚类分析分析基因突变和某 些疾病预后的关系，如ＡＭＬ（急性粒细胞白血 病）预后和ＮＰＭ１基因突变的关系；用离散聚 类分析，Ｋ—ｍｅａｎｓ算法聚类分析和期望最大值 算法来分析大规模离散型国际人类基因组单 核苷酸多态性数据变量；用标准和一致性聚 类分析工具（ＳＣ２ＡＴｍｄ）探索ＭＡＴＬＡＢ中的微阵 基因表达数据；用离散的拉普拉斯的聚类分 析方法分析欧洲男士Ｙ染色体的短串联重复序 用（以大肠杆菌为例） 改进并运用基因分型方法，研究临床所 分离到的彩超广谱Ｂ内酰胺酶大肠杆菌的分 子流行病学。采用脉冲场凝胶电泳＜ＰＦＧＥ＞分 析电泳图谱经数据转化后进行聚类分析，计 算各菌株间的相似性系数（ＳＳｍ），根据ＳＳｍ进 行单链锁聚类分析，得到相似性系数三角矩 阵，对结果进行分析，以确定菌株间的亲缘 关系＿５］。细菌的分子流行病学研究是控制院内 感染的重要基础，它利用分子生物学方法来 判断实验菌株之间的亲缘关系以发现爆发流 行的来源及传播途径。 ２．聚类分析在流行病生态学研究上的应用 例：王春晓等根据颈椎病患者的临床表 现设计调查表，收集５７５例颈椎病患者的症 状”体征”舌脉等信息，采用聚类分析和主 成分分析法对调查表中９８个常见症状进行聚 类分析。提示聚类分析和主成分分析用于中 医证型的分类研究具有一定科学性。 ３．聚类分析在药效学和药动学上的研究 应用 例：发达国家为快速，方便，可靠的研 究药物对白血病细胞的识别以及用于新药的 临床试验，利用傅里叶变换红外显微光谱结 合无监督谱系聚类分析快速识别白血病细胞 的耐药性和敏感性；他们还证明顺序聚类分 析是有效的ｈｅａｔｍａｐ展示抗生素耐药性时空变 化模式可视化的方法；使用基于地理信息系 统的凝聚谱系聚类分析，可以划分出基于时 空的可视化的抗生素耐药模式等等。 六、结语 大量实例证明，聚类分析是可以运用在 医学上的一把利刃，目前对它的应用也只是 冰山一角，它在医学上有很大的应用空间和 光明的前景。现代数字化医疗形势对广大的 医务人员提出了更高的要求，我们应该逐步 接触并掌握好这门先进的工具为医学为病人 更好的服务。 参考文献 【１】杨生友聚类分析在医学图像中的应用Ｄ）］兰州大学，２００９ 『２１孙迎．医院信息的数据挖掘与方法研究【Ａ】中华医学 会第十次全国医学信息学术会议论文汇编［ｃ１．２００４． 【３］Ｔａｌｄｔａ，Ｍ，ｅｔ ａ１．，Ｃｌｕｓｔｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｅｌｆ－ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｂｌｏｏｄ ｇｔｕｅｏｓｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｓ ｉｎ ｃｌｉｎｉｃａｌ ｉｓｌｅｔ ｃｅｌｌ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｙｐｅ １ ｄｉａｂｅｔｅｓ．Ｄｉａｂｅｔｅｓ Ｃａｒｅ，２０１１．３４（８）：１７９９—８０３． ［４】Ｅｉｓｅｎ ＭＢ，Ｓｐｅｌｌｍａｎ ＰＴ，Ｂｒｏｗｎ ＰＯ，ｅｔ ａ１．Ｃｌｕｓｔｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｎａｄ ｄｉｓｐｌａｙ ｏｆｇｅｎｏｍｅ—ｗｉｄｅｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｐａｔｔｅｒｎｓ［Ｊ］Ｇｅｎｅｔｉｃｓ，２ ００８，９５（２５）：１４８６３—１４８６８． ［５１康梅，陈超杨，ＮＯｒｍａｎ Ｈｕｉ，陈文昭，过孝静，郑动斌产 超广谱Ｂ酰胺酶大肠杆菌的脉冲场凝胶电泳分型研究 四川大学学报（医学版），２００４３５（２］：２１４—２１６ 作者简介：李双良（１９９３一），女，辽宁沈阳人，现 就读于中国医科大学，研究方向：聚类分析在医学上 的应用。 电子ｔ｜｜拜一１１５—
