يعزز التعلم الآلي باستخدام المؤشرات الحيوية متعددة الوسائط التنبؤ بالأمراض والمراقبة، مما يوفر وعدا للتقدم في مجال الرعاية الصحية في مجالات متنوعة، ويحسن نتائج الرعاية الصحية من خلال التنبؤ الدقيق بالأمراض.
Research Article
يعزز التعلم الآلي باستخدام المؤشرات الحيوية متعددة الوسائط التنبؤ بالأمراض والمراقبة، مما يوفر وعدا للتقدم في مجال الرعاية الصحية في مجالات متنوعة، ويحسن نتائج الرعاية الصحية من خلال التنبؤ الدقيق بالأمراض.
كل عام، يتأثر العديد من الناس حول العالم بشكل متزايد بالحالات الصحية المدمرة مثل أمراض القلب، والتهابات الجهاز التنفسي، والاضطرابات العصبية، والإجهاد المعرفي، والسرطان، والسكتة الدماغية، والسكري، وغيرها، مما يؤدي إلى مضاعفات صحية شديدة وشذوذات مرتبطة بها. لذا، فإن تحليلات الصحة المبكرة ضرورية، لأنها تتيح التدخل في الوقت المناسب بعلاجات مستهدفة، مما قد يوفر راحة فورية وفوائد طويلة الأمد قد تبطئ تقدم المرض. نظرا لتعقيد العمليات الفسيولوجية المرضية والتجارب السريرية غير المتجانسة في مختلف الحالات الصحية، هناك حاجة إلى مؤشرات حيوية متعددة الوسائط وحساسة للغاية ونهج استقصائي فعال للكشف بدقة عن نتائج صحة المرضى ومتابعتها. لذلك، يتم النظر في خوارزميات التعلم الآلي ذات الفئات والتقنيات المختلفة للتنبؤ بالنتائج، بما في ذلك التشخيص، وتقييم المخاطر، وتصنيف المرضى، ومراقبة الأمراض. تنقسم عملية العمل المقترح إلى ثلاث مراحل، حيث تحدد المرحلة الأولى أهمية الرعاية الصحية من خلال دراسات حالة، تليها خوارزميات التعلم الآلي التقليدية (ML)، وأساليب التعلم العميق التقليدية (DL)، وتقنيات التعلم العميق الحديثة (TabNet و AutoInt) في المرحلة الثانية. وأخيرا، يتم تنفيذ التجارب لتبرير النتائج. يبرز هذا العمل تجميع الأنماط من خلال دمج البروتينات الجزيئية، والمؤشرات الكيميائية، والوراثية مع ميزات التعلم الآلي الناشئة. تشير النتائج إلى تحسن كبير في التنبؤ بالدقة باستخدام المنهجية المقترحة.
يستخدم نظام الرعاية الصحية بشكل متزايد التحليلات التنبؤية لمراقبة المرضى وتشخيص النتائج الصحية في الوقت المناسب، مما يسهل الرعاية الاستباقية ويحسن نتائج المرضى. من خلال دمج التحليلات التنبؤية مع المؤشرات الحيوية، يمكن للأطباء تحسين دقة التشخيص، وتحديد العلاجات الفعالة، ومتابعة تقدم العلاج، واكتساب رؤى قيمة حول آليات المرض، مما يؤدي في النهاية إلى اتخاذ قرارات علاجية أكثر وعيا وفعالية. تشير المؤشرات الحيوية إلى خصائص الجزيئات أو المؤشرات البيولوجية الموجودة في العينات، مثل السوائل الحيوية، والأنسجة، والخلايا، والحمض النووي، والحمض النووي الريبي، والدم، والبول، والتي تقيس وجود أو تقدم مرض في جسم الإنسان، مما يساعد في تقييم فعالية العلاج1.
تلعب التطورات في تطبيق العلامات الحيوية الجزيئية دورا حيويا في الطب الشخصي من خلال قياس جزيئات محددة بدقة لتحديد مشاكل صحية فريدة لدى المرضى، مما يمكن من استراتيجيات علاجية مستهدفة من المراحلالأولى 2. في المستقبل، ستساعد الأساليب متعددة الوسائط في دمج أنماط الأمراض المعقدة المختلفة، مما يتيح تحديد تشخيص الأمراض في السرطان والأمراض التنكسية بشكل أكثر دقة من خلال تقنيات التحليل التنبؤي المتقدمة3. تستخدم المنهجية المتطورة بيانات متعددة الأوميكس، والمعلوماتية الحيوية، وخوارزميات التعلم الآلي لتحديد مؤشرات حيوية جديدة، مما يمكن من تحديد أنماط المخاطر الخاصة بالمريض واستراتيجيات العلاج الذاتية لأمراض القلب والأوعية الدموية (CVDs) وأمراض معقدة أخرى4. يحمل الجمع بين المؤشرات الحيوية الجزيئية وأساليب المؤشرات متعددة الأوميكس وعدا في تعزيز دقة التشخيص والطبقات العلاجية في الأمراض العصبية5.
مع تقدم تقنيات التعلم الآلي، يمكن للمؤشرات الحيوية الجزيئية متعددة الوسائط دمج أنواع بيانات متنوعة لتحديد توقيعات الأمراض الجديدة في حالات صحية مختلفة، مما يتيح تشخيصا أكثر دقة واستراتيجيات علاج شخصية. استنادا إلى هذه الإمكانيات، يستكشف المؤلف تقنيات التعلم الآلي المختلفة في الرعاية الصحية للتنبؤ بعوامل الخطر لتشخيص الأمراض ويبرز أهميتها في قطاعات الرعاية الصحية المختلفة6. مع تحول التعلم الآلي لتشخيص الأمراض وعلاجها، تستفيد ممارسات الأدوية بشكل متزايد من خوارزميات اتخاذ القرار لتحليل نتائج صحة المرضى وتلبية احتياجاتهم اليومية، مما يتيح رعاية أكثر وعيا وفعالية7. مستفيدا من الحاجة المحتملة لدمج البيانات متعددة الوسائط، طورت هذه الدراسة مؤشرات حيوية باستخدام بيانات متعددة الوسائط (رنين مغناطيسي وجيني) للتنبؤ بتطور وتطور مرض الزهايمر، مما أظهر أن البيانات الجينية تتنبأ بشكل أفضل بتقدم الزهايمر المستقبلي لدى الأشخاص الطبيعيين في الضابطة، بينما أظهرت بيانات الرنين المغناطيسي علامات الضعف الإدراكي الخفيف المستقر، وجمعت بين الاثنين، مما أدى إلى أداء تصنيف أفضل8.
ولتعزيز تطبيق تحليل البيانات متعددة الوسائط، يستخدم التعلم العميق متعدد الوسائط بيانات التعبير الجيني لتحديد الأدوية التي تستهدف خطوط خلايا محددة من جزيئات بيولوجية جديدة، مما يوضح كيف تؤثر التغيرات الجينومية على استجابة العلاج9. بالتزامن مع التقدم في تحليل البيانات متعددة الوسائط، تظهر المؤشرات الحيوية غير الجراحية، التي تم تقييمها باستخدام مقاييس الذكاء الاصطناعي وتعلم الآلة، كأدوات واعدة للتشخيص، مع اختلاف في الخصوصية والحساسية مقارنة بالمؤشرات الحيوية الغازية، وذلك حسب التطبيق والسياق البياني10. تماشيا مع الأهمية المتزايدة لتحليل البيانات متعددة الوسائط، يمكن لنماذج التعلم العميق (DL) الجماعية التعامل مع البيانات المعقدة بفعالية من خلال دمج مؤشرات حيوية جديدة، بما في ذلك تفاعلات الجين والبروتين، لتعزيز أبحاث السرطان وتحسين استراتيجيات العلاج11. مع استمرار نماذج تجميع DL في تطوير أبحاث السرطان، تلعب التحليلات التنبؤية دورا حيويا في تشخيص الأمراض وعلاجها من خلال تحليل كميات كبيرة من البيانات الجماعية من مصادر متعددة، بما في ذلك حالات صحية متنوعة، لتوفير نظرة شاملة على الحالة، مثل تقييم المخاطر والتشخيص12.
الهدف من البروتوكول المقترح هو تنفيذ خوارزميات قائمة على التعلم الآلي والتعلم المنخفض التي تدمج المؤشرات البيولوجية المميزة لتعزيز دقة تحليلات الرعاية الصحية. تعتمد تقنيات التنبؤ التقليدية التي تستخدم المؤشرات الحيوية عادة على بيانات أحادية النمط والنماذج الإحصائية الخطية، والتي قد لا تلتقط بشكل كاف العلاقات المعقدة وغير الخطية التي تؤثر على تطور المرض والفروق الفردية. إن دمج كميات هائلة من البيانات من الملاحظات، وسجلات الصحة الإلكترونية، والقراءات المخبرية، والقياسات الفيزيائية، والتقييمات السريرية يوفر فرصة كبيرة لتلخيص وتحسين تقييم المخاطر في تشخيص المرضى13. تلعب العلامات الحيوية دورا حيويا في الطب الدقيق، حيث تمكن من العلاج الموجه في الوقت المناسب. على الرغم من أن المؤشرات الحيوية معقدة وتشكل تحديات في قياس الأنواع الفرعية للمرض والنمو الجزيئي، إلا أنها لا تقدر بثمن في تقييم التفاعلات السامة تحت ظروف غير طبيعية مختلفة، مما يسهل المزيد من التحليل. من خلال استخدام المؤشرات الحيوية أثناء الملاحظة السريرية، يمكن للعاملين في الرعاية الصحية التنبؤ بدقة أكبر بتطور المرض ومراقبة استجابات العلاج. في النهاية، فإن تقارب المؤشرات الحيوية الجزيئية متعددة الوسائط في تحليلات الرعاية الصحية مع الذكاء الاصطناعي يمكن من التعرف على الأنماط بشكل أكثر فعالية، مع مطابقة الخصائص القائمة لتقليل التأثير السريري.
عند مقارنتها بأحدث المناهج، خاصة أعمال سومبالي وآخرون، حيث اقترح المؤلفون خوارزميات تعلم الآلة، مثل البيانات الأيضية، وفوق الوراثية، والبروتيومية، واقترحوا إرشادات عامة لاختيار خوارزميات التعلم الآلي. ومع ذلك، هناك حد لتحليل البيانات. في العملالحالي رقم 15، تم تطبيق طرق التكامل غير المراقبة على بيانات الأوميكس، مع التركيز على التحديات الحاسوبية. على النقيض من ذلك، هناك قيود على نطاق وتحليل الطرق. علاوة على ذلك، غطى هوانغ وآخرون معظم طرق التعلم العميق لتحليل التطبيقات المتنوعة، بهدف فهم قوة البيانات الضخمة والأطر الحاسوبية. شملت العيوب خلل في توازن البيانات، والإفراط في التوافق، ومشاكل في التفسير. يعد البروتوكول المقترح حاسما لمعالجة فجوة حرجة في أبحاث العلامات الحيوية التكاملية، حيث تفشل التقنيات الحالية في الجمع بين البيانات البيولوجية عالية الأبعاد والمتنوعة بفعالية. من خلال استخدام التعلم الآلي والتعلم العميق المتقدمين الذين يتفوقون في التعرف على الأنماط، واختيار الميزات، والاندماج متعدد الوسائط، يهدف العرض المقترح إلى تحديد توقيعات تنبؤية قوية تعزز التشخيص المبكر، والتوقعات المرضية، وخيارات العلاج الفردية. يعالج هذا البروتوكول بشكل مباشر حدود تقييمات المؤشرات الحيوية المتفرقة من خلال تقديم نموذج شامل قائم على البيانات يتيح توقعات صحية قابلة للتوسع والتفسير وذات صلة سريرية.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
1. سير العمل التجريبي
يوضح الشكل 1 خط سير عمل منظم ومعياري مصمم لتصنيف المؤشرات الحيوية الجزيئية إلى فئات مؤشرات المخاطر أو التشخيص باستخدام تقنيات التعلم الآلي والتعلم العميق. إليك شرحا تفصيليا خطوة بخطوة للعملية:

الشكل 1: مخطط التدفق للعمل المقترح. يتم تصوير سير العمل للمشكلة المقترحة في هذا الشكل. تشمل الخطوات معالجة البيانات المسبقة، هندسة الميزات، تطوير النماذج، التقسيم، تقييم النموذج باستخدام المقاييس، وتحليل المؤشرات الحيوية. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
2. وصف مجموعة البيانات
اسم مجموعة البيانات all_sequence_variants مع امتداد csv. هناك أعمدة بأسماء مثل 'id'، 'التغير'، 'الموقع'، 'external_link'، 'gene_symbol'، 'entrez_gene_id'، 'المرجع'، 'الشروط'، 'indication_types'، حيث جميعها من نوع الكائن باستثناء id كنوع int و entrez_gene_id كنوع عائم. العدد الإجمالي للصفوف هو 42818 مع 9 أعمدة. علاوة على ذلك، تحتوي مجموعة البيانات على قيم صفرية للتغير، والموقع، و external_link، و entrez_gene_id، والمرجع، والظروف، و indication_types. تم أخذ مجموعة البيانات من الرابط المعطى كالتالي: https://markerdb.ca/downloads17
3. معالجة مجموعة البيانات المسبقة
في هذه المرحلة، تبدأ معالجة البيانات المسبق بجمع معلومات مجموعة البيانات، والوصف، وتحديد التكرارات، وتحديد القيم المفقودة/الصفرية. لا يوجد تأثير للميزة external_link عند قياسها بمعامل الارتباط، وبالتالي يتم إزالتها. القيم الصفرية للأعمدة التصنيفية والأعمدة الرقمية تملأ بالوسيط والمتوسط على التوالي. وأخيرا، شكل مجموعة البيانات للإدخال والإخراج هو (42787, 6)(42787,). أعمدة الإدخال هي 'id'، 'التغير'، 'الموقع'، 'gene_symbol'، 'entrez_gene_id'، 'الشروط'، بينما العمود المستهدف هو indication_types.
4. المؤشرات الحيوية: الفئات، تحديات البيانات، ودور المخاطر الجزيئية
العلامة الحيوية هي صفة قابلة للقياس تشير إلى الأنشطة البيولوجية الطبيعية أو غير الطبيعية أو الاستجابات للتعرضات أو التدخلات المختلفة. قد تكون العلامات الحيوية جزيئية أو نسيجية أو شعاعية أو فسيولوجية وتنقسم إلى سبع فئات رئيسية: (1) يحدد المؤشر التشخيصي ما إذا كان الفرد يعاني من مرض أو اضطراب معين وإذا كان يندرج ضمن نوع فرعي، (2) يشير مؤشر المراقبة إلى تقدم المرض واستجابته للعلاج، (3) يشير مؤشر الاستجابة الحيوي إلى ما إذا كان المريض يتفاعل مع دواء أو علاج، مثل تغير معدل ضربات القلب، (4) يمكن للمؤشر البيولوجي التنبؤي تحديد ما إذا كان الفرد معرضا لخطر الإصابة بمرض معين وكيف يمكنه الاستجابة لعلاج معين، (5) يمكن للمؤشر التنبؤي أن يقدم رؤى حول احتمال تقدم المرض أو عودته إذا كان المريض ميالا لنتيجة صحية محددة، (6) يقيم مؤشر المخاطر الحيوي المستوى المحتمل للخطر لحالة ما قبل أن يتلقى المريض تشخيصا رسميا، و(7) يقيم مؤشر السلامة المحتمل لحدوث ردود فعل سامة أو سلبية قد تنشأ من العلاج. تركز هذه الدراسة بشكل أساسي على تحليل المؤشرات الحيوية الجزيئية المتعلقة بتقييم المخاطر والتشخيص، كما هو موضح في الشكل 2. نظرا للكم الهائل من البيانات السريرية المتاحة حول العالم، فإن المؤشرات الحيوية ضرورية في توجيه القرارات السريرية، وتطوير الأبحاث، وتسهيل الطب المخصص.

الشكل 2: فئة المؤشرات الحيوية لاتخاذ القرار السريري. يتم تمثيل قرارات المؤشر الحيوية في هذا الرسم التخطيطي. استنادا إلى التحليلات المطبقة على المؤشرات الحيوية، تؤخذ القرارات السريرية في الاعتبار، وتنفذ خوارزميات التعلم الآلي. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
يعد العثور على معلومات المؤشرات الحيوية المفيدة سريريا واستيعابها تحديا بسبب تنوع أنواع المؤشرات الحيوية وخصائصها وجودتها. النمو السريع لدراسات المؤشرات الحيوية خلال العقدين الماضيين زاد من تعقيد الوصول إلى بيانات شاملة ومحدثة، خاصة للمؤشرات الحيوية الجزيئية. وقد أدى ذلك إلى مشكلات مثل النتائج غير المتسقة، وإعادة اكتشاف المؤشرات الحيوية القائمة بشكل متكرر، ونتائج متناقضة، وفرص مهملة لاستخدام العلامات الحيوية القائمة.18. أدى ظهور قياسات "الأوميكس" إلى تفاقم هذه المشكلة، مما أدى إلى انتشار علامات حيوية جزيئية جديدة في الاختبارات السريرية والأدبيات، مما يجعل من الصعب بشكل متزايد التنقل وتطبيق معرفة المؤشرات الحيوية بفعالية19.
يوفر MarkerDB 2.0 وصولا إلى مؤشرات حيوية جزيئية متنوعة لأغراض تجريبية20. تستخدم مؤشرات حيوية متنوعة في الأبحاث السريرية وتطبيقات الرعاية الصحية لتشخيص الأمراض والتنبؤ بها ومراقبتها. من بين هذه المواد، تستخدم مؤشرات البروتينات سوائل حيوية مثل المصل، الدم، السائل الدماغي الشوكي (CSF)، السوائل الصفاقية، السائل الأمنيوسي، البلازما، والبول لتحليل حالات مثل السكري، السل، متلازمة داون، والاضطرابات المرتبطة باعتلال العضلة. وبالمثل، تستخدم المؤشرات الحيوية الجينية رموز جينية مثل LRP1، LPP، MAPT، وSPI1 لتحليل حالات مثل التنكس البقعي المرتبط بالعمر، والأمراض التحسسية، ومرض الزهايمر، والسرطان، والربو. علاوة على ذلك، تساعد المؤشرات الحيوية الجزيئية متعددة الوسائط في قياس مخاطر المرضىوالمؤشرات التشخيصية. يبرز هذا العمل الحاجة إلى تحليلات الرعاية الصحية باستخدام أساليب التعلم الآلي لتعزيز تشخيص الأمراض والتنبؤ بها والعلاج الشخصي.
5. نمذجة مناهج التعلم الآلي الإحصائي لاكتشاف المؤشرات الحيوية
لقد غير تطبيق أساليب التعلم الآلي مجال الرعاية الصحية بطرق عديدة. على وجه التحديد، تم تحليل المؤشرات الحيوية الجزيئية باستخدام تقنيات تعلم الآلة، بما في ذلك تحليل المكونات الرئيسية (PCA)، وتجميع المتوسطات K (KMA)، وتحليل أقرب جار (NNA)، وخوارزميات الشبكات العصبية22. تحدد هذه النماذج أنماطا معقدة من الميزات المختارة، وتدير البيانات غير المكتملة أو غير المتسقة، وتدعم تتبع تقدم المرض في الوقت الفعلي. بالإضافة إلى تشخيص الأمراض، توفر خوارزميات التعلم الآلي رؤى مهمة حول قضايا المرضى من خلال فحص البيانات والتصور، ممايتيح رعاية سريعة ومستهدفة. وبالتالي، يعزز ذلك نتائج صحة المرضى في الحالات غير المعتادة. علاوة على ذلك، فإن قدرة التعلم الآلي على إحداث ثورة في اكتشاف العلامات الحيوية والنتائج العلاجية عبر مختلف الأمراض، بما في ذلك تحليل المؤشرات الحيوية الجزيئية، أصبحت أكثر حيوية.
يتم تصنيف خوارزميات التعلم الآلي إلى خمسة أنواع رئيسية، كما هو موضح في الشكل 3. التعلم المراقب هو عملية التدريب على مجموعات البيانات المعنونة لفهم علاقات المدخلات والمخرجات، مما يجعله مثاليا لمهام مثل التصنيف والانحدار، مثل أشجار القرار وآلات التوجيه الداعمة. يحدد التعلم غير المراقب الأنماط داخل البيانات غير المعنونة، وغالبا ما يستخدم في التجميع وتقليل الأبعاد، باستخدام تقنيات مثل تجميع k-means وتحليل المكونات الرئيسية. التعلم شبه المراقب يدمج البيانات الموسومة وغير المعنونة لتوليد توقعات. يركز التعلم المعزز على اتخاذ القرار المستند إلى ردود الفعل من البيئة، ويستخدم بشكل متكرر في الألعاب والروبوتات، مع طرق مثل التعلم ب Q وشبكات التعلم المعزز العميق. يستخدم التعلم العميق شبكات عصبية اصطناعية ذات طبقات متعددة لتحديد الأنماط المعقدة في البيانات. تساعد هذه التقنية في التنبؤ بالمؤشرات الحيوية للأمراض الشائعة، بما في ذلك السرطان، والسكتة الدماغية، ومرض الزهايمر، ومرض باركنسون. العديد من التطبيقات المعتمدة سريريا تستخدم هذه التقنية24,25. يعتمد التشخيص الدقيق للمرضى المصابين بالأورام الخبيثة عادة على جمع عينات الأنسجة والتحليل المرضي، والتي توفر معلومات حاسمة حول الدرجة النسيجية، والنوع الفرعي، والمرحلة، ومؤشرات الأورام الأخرى المتنوعة.

الشكل 3: تصنيف خوارزميات التعلم الآلي لاتخاذ القرار السريري. يتم توضيح أنواع خوارزميات التعلم الآلي في الرسم البياني للمساعدة في فهم المنهجية المطبقة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الإحصاء وتعلم الآلة هما تخصصان منفصلان يتقاطعان كثيرا. تشمل الإحصاءات جمع البيانات وتحليلها وتفسيرها، وغالبا ما يتم العمل مع مجموعات بيانات أصغر ومحددة جيدا، ويركز بشكل أساسي على مقارنة وتلخيص المعلومات. من ناحية أخرى، التعلم الآلي هو فرع من الذكاء الاصطناعي ينشئ نماذج تنبؤية، وغالبا ما يتعامل مع مجموعات بيانات كبيرة ومعقدة. بينما تلعب الإحصاءات دورا مهما في البحث التأكيدي وفهم الآليات الأساسية، فإن التعلم الآلي أكثر فعالية في البحث الاستكشافي، وكشف الأنماط المعقدة، وإدارة البيانات المفقودة. يمكن اعتبار طرق مثل الانحدار اللوجستي نماذج إحصائية ونماذج تعلم آلا خاضع للإشراف، مما يوضح الفروق الضبابية بين المجالين. في النهاية، يجب على الباحثين تقييم أهدافهم البحثية وطبيعة بياناتهم لاختيار الطريقة الأنسب.
6. نمذجة MLP ونسخها
MLP، المعروف أيضا باسم بيرسيبترون متعدد الطبقات، هو نوع من بنية الشبكات العصبية التي تتميز بعدة طبقات عصبية بين طبقتي الإدخال والإخراج، كما هو موضح في الشكل 4. تم إدخال MLP في خمسينيات القرن الماضي واكتسب استخداما واسعا مع التقدم والتطور في التكاثر العكسي في الثمانينيات، مما ساعد في تقليل الخسارة. مبادئ التعلم الأساسية في MLP هي الشبكات العصبية، والأوزان، وقيم التحيز لحساب المخرجات. وأخيرا، معرفة دالة التفعيل وقيمة العتبة للحصول على المخرج في طبقة الإخراج. في المنهجية المقترحة، تتوافق العقد في طبقة الإدخال، والطبقة الخفية، وطبقة الإخراج مع الميزات السريرية والجينية، وطبقات متصلة بالكامل مع تفعيل ReLU، وعصبون واحد مع تنشيط السيجمويدي للتنبؤ بالنتيجة الثنائية لنوع الإشارة (المخاطر، التشخيص) على التوالي. المزايا الرئيسية هي سهولة تدريبها وتفسيرها. ومع ذلك، لا يمكن ل MLP البسيط التعامل مع مجموعات بيانات كبيرة وهو حساس لمعدل التعلم26. لذلك، لتجاوز هذه العيوب، يتم النظر في MLP مع جدولة معدلات التعلم باستخدام البنية المذكورة في الشكل 3B. MLP مع LR هو آلية ديناميكية قوية تحتوي على تحلل حاد، تحلل أسي، تحلل زمني عكسي، ReduceLROnPlateau، وتلدين جيب تمام. بدلا من قيمة LR ثابتة، يتغير معدل التعلم بناء على أداء النموذج والتدريب.

الشكل 4: نمذجة Perceptron وMLP متعدد الطبقات باستخدام جدولة LR. (أ) بيرسيبترون متعدد الطبقات: يتم توضيح بنية MLP بطبقة الإدخال، الطبقة المخفية، وطبقة الإخراج. تستقبل الطبقة الأولى المدخلات وتعالجها في الطبقة الثانية مع التفعيلات، ويتم استقبال المخرج في الطبقة الأخيرة. MLP سهل التنفيذ. (ب) MLP مع جدولة LR: هذا مشابه ل MLP؛ ومع ذلك، يضاف جدولة معدلات التعلم للتحكم في سرعة التدريب من أجل معدل تقارب أفضل. معدل التعلم ينخفض عند نقطة ثبات. هذا يقلل من الحد الأدنى للتجاوز في الحدود. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
هذا النهج أكثر كفاءة وموثوقية وفعالية للبيانات الجدولية. بالإضافة إلى ذلك، هناك فوائد مثل تحسين التقارب المستقر على البيانات الضوضاء، وتحسين التعميم، وتقليل الجهد في ضبط المعاملات الفائقة. ومع ذلك، قد تظهر صعوبات في بعض مهام التنبؤ، مثل الوقوع في الحد الأدنى المحلي. علاوة على ذلك، في بنية MLP الواسعة والعميقة المعروضة في الشكل 5، تم إدخال مكونات واسعة وعميقة في MLP للتفوق في رسم الخرائط الترابطية، وحفظ القواعد، وتعلم أنماط جديدة، مع الحفاظ على معايير عالية من التعميم. من خلال دمج هذه الجوانب في طبقة الإخراج، يتم التنبؤ بمقدار27 الناتج الثنائي. ومع ذلك، هناك قيود على تعميم الميزات غير المرئية والتعميم المفرط. في الختام، يستخدم MLP مع معيار الدفعة وDropout لتطبيع عملية التدريب، مع دمج التسرب للتعلم وتعميم السمات المجهولة. على وجه الخصوص، يمكن تطبيق هذه التقنية على البيانات عالية الأبعاد وتساعد في منع الإفراط في التوافق. ومع ذلك، تعاني هذه التقنية من قيود في حجم الدفعة، وزيادة استهلاك الذاكرة (بسبب طبقات التطبيع الدفعي)، وليست حلا عالميا28,29.

الشكل 5: نمذجة شبكة MLP واسعة وعميقة. يوضح المخطط المسار العميق لمشروع MLP، الذي يمكنه التقاط العلاقات غير الخطية ويجمع بين المخرجات ووحدة السيجمويد للتصنيف. تلتقط هذه البنية تعلم الأنماط والمعرفة لبيانات المؤشرات الحيوية غير المتجانسة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
7. تاب نت
TabNet هو نموذج تعلم عميق يعرف باسم شبكة الجدول، تم تطويره من قبل فريق أبحاث Google30. الدافع الرئيسي لنموذج TabNet هو التوفيق بين طرق DL لمنهجيات الصورة، والنص، والكلام (CNN، Autoencoder، Transformers)، والتعلم الآلي القائم على الشجرة (XGBoost، Random Forest، LightGBM). علاوة على ذلك، فإن محدوديات مناهج التعلم العميق لها تأثير كبير على نموذج TabNet، حيث يعتبر MLP نموذجا معلميا. وقبل كل شيء، تفتقر مناهج التعلم العميق إلى التفسير في المشكلات الواقعية، والتعلم الذاتي الإشرافي، والقدرة على التعلم التسلسلي31. تقتصر نماذج TabNet على تطبيقات مثل توقع مخاطر التأمين32، تقدير محتوى رماد الفحم33، توقع السميةالكيميائية 34، وكشف الغش في اختبارات التعليم35. تم ذكر بنية TabNet في الشكل 6.

الشكل 6: نمذجة الشبكة الجدولية. تأخذ شبكة الجدولات ميزات الإدخال بصيغة جدولية وتطبق تقنية المحول بطريقة متسلسلة في كل كتلة. تتحكم كتلة GLU، المعروفة أيضا باسم كتلة الوحدة الخطية المببة، في تدفق المعلومات عبر الشبكة، مما يسهل اختيار الميزات والتعلم المستقر. يتم عرض الناتج في طبقة الإخراج من الناتج المتراكم. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
من مخطط البنية أعلاه، ينقسم النظام إلى أربعة مكونات: كتلة الإدخال، محول الميزات المشتركة، خطوات اتخاذ القرار التسلسلية، وحساب الخسارة باستخدام التحسين. في الميزات الفئوية، يتم تحويل الميزات إلى أعداد صحيحة بعد طبقة التضمين. وفي الوقت نفسه، تؤخذ السمات المستمرة كما هي. وأخيرا، يتم تحويل الميزات إلى متجه ميزات موحد حيث x ∈ Rd. في الخطوة التالية، يتم تنفيذ طبقات متصلة بالكامل مع دوال تفعيل، تليها عملية تحويل لتحويل البيانات إلى متجه، ويتم اتخاذ القرار. في الخطوة الثالثة، يتم استخدام محول الانتباه، والتمويه، ومحول القرار، وتراكم التنبؤ على التوالي. أهداف هذه الخطوة هي الانتباه الانتقائي، التفكير التسلسلي، ومسارات اتخاذ القرار. في الخطوة الأخيرة، تستخدم إما التحويلات الثنائية أو طرق مشابهة لتحديد الخسارة وتحسين القيمة. علاوة على ذلك، يتم تنظيم التنظيم باستخدام تركيز محدود لمنع الإفراط في التوافق.
8. AutoInt
التعلم التلقائي للتفاعل مع الميزات عبر الشبكات العصبية ذاتية الانتباه (AutoInt) هو الشكل الكامل من AutoInt، تم تقديمه في تنبؤ معدل النقر (CTR)رقم 36 ولاحقا تم تطبيقه على تطبيقات مختلفة، بما في ذلك التنبؤ بالعيوب البرمجية37، وأنظمة التوصية38، واكتشاف الجينوم39. هناك قيود في أساليب التعلم الآلي الحالية، بما في ذلك التعامل مع البيانات عالية الأبعاد المتفرقة، والميزات التوافقية من الدرجة الأعلى، وفهم قدرة الميزة على التنبؤ، والحاجة إلى هندسة ميزات يدوية. جميع هذه التحديات المذكورة يتم معالجتها من خلال نموذج AutoInt بكفاءة وفعالية وقابلية للشرح. الهدف من AutoInt في المنهجية المقترحة هو التنبؤ بما إذا كان المتغير المعطى من نوع مؤشر المخاطر أو التشخيص. هناك سبع خطوات مقترحة لمجموعة البيانات المعطاة، كما هو موضح في الشكل 6، إلى جانب الشفرة المصدرية. أولا، يتم تنفيذ قراءة البيانات والمعالجة المسبقة لترميز جميع الميزات التصنيفية كأعداد صحيحة وربط التسميات إلى 0 و1 للمخاطر والتشخيص على التوالي. في الخطوة الثانية، يتم تمثيل الميزات لإنشاء مصفوفة التضمين؛ وبدورها، يتم تحويل المصفوفة لتطبيع الميزات العددية. هناك طبقات متفاعلة حيث يتم تعلم التفاعل التلقائي المحايد بين الميزات دون التفاعل اليدوي مع المحولات. علاوة على ذلك، يتعلم رؤوس متعددة أنواعا مختلفة من التفاعلات، وأخيرا، يتم ربط الميزات بشكل متتالي، مما يعزز التمثيل. توجد اتصالات متبقية لتعلم التفاعلات من الدرجة الأدنى والأعلى، مثل ميزة واحدة، ميزتان، ثلاث ميزات، وهكذا. وأخيرا، من الشبكة المتبقية، تنقل المخرجات إلى دالة السيجمويد لحسابات القيم الثنائية، كما هو موضح في الشكل 7.

الشكل 7: نمذجة شبكة AutoInt. تتعلم شبكة AutoInt الميزات تلقائيا، حيث تأخذ طبقة التضمين الميزات وتخريبها إلى الطبقة التالية باستخدام آلية التركيز الذاتي والاتصالات المتبقية. المكون الأخير يحتوي على طبقة MLP ودوال التفعيل لإنتاج المخرج. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
تجرى التجارب باستخدام أساليب التعلم الآلي والتعلم العميق لمقارنة أدائها. وفي الوقت نفسه، يتم النظر في إنشاء نماذج تعلم آلي تستخدم آليات التعلم الخاضع للإشراف وغير المراقب معا. التقنيات الخاضعة للإشراف المستخدمة في هذه المنهجية هي الانحدار اللوجستي، شجرة القرار، الغابة العشوائية، تعزيز التدرج، آلة متجه الدعم، وخوارزميات K-أقرب جار. تتراوح هذه الخوارزميات من نماذج إحصائية بسيطة إلى تحليلات معقدة قائمة على الأشجار. من ناحية أخرى، خوارزميات التعلم الآلي غير الخاضع للإشراف هي تجميع K-Means، و...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
يناقش العمل المقترح بوضوح أهمية العلامات الحيوية في تحديد ومراقبة المرض وخصائصه. يعتمد النهج المقترح لمنهجية المؤشرات الحيوية على أربع خطوات أساسية: إعداد البيانات بعناية (التنظيف، الترميز، إزالة المعرفات); ترميز أهداف موحد (Risk=0، تشخيصي=1); تطبيع الميزات والتضمين العميق عالي الجودة لنماذج مثل AutoInt37/TabNet؛ وسلامة عملية التقييم القوية (قسم التدريب/الاختبار المناسب، وتقارير القياس الصحيحة). علاوة على ذلك، تم التنبؤ بمؤشر المرض باستخدام الجينات بدعم من خوارزمي...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
المؤلفون ليس لديهم ما يكشفون عنه.
لم يتلق المؤلفون أي تمويل خارجي.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| نموذج أوتوإنت | جامعة بكين | https://github.com/shichence/AutoInt | التعلم التلقائي للتفاعل مع الميزات عبر الشبكات العصبية ذاتية الانتباه: خوارزمية فعالة لتعلم تفاعلات الميزات عالية الترتيب تلقائيا للميزات التصنيفية والعددية (المتناثرة) |
| deepctr_torch.models | المصدر المفتوح | https://github.com/shenweichen/DeepCTR-Torch | حزمة قابلة للتعديل والتوسعة من نماذج CTR المعتمدة على التعلم العميق لبناء نموذج مخصص بسهولة. |
| مختبر جوجل | جوجل | https://colab.research.google.com/ | السحابة بيئة لكتابة وتنفيذ كود بايثون عبر المتصفح لتعلم الآلة وتحليل البيانات |
| كيراس 2.6.0 | كيراس | https://keras.io/ | يوفر واجهة بايثون لتنفيذ الشبكات العصبية التي تعمل فوق Tensorflow |
| ماركر دي بي 2.0 | ماركر دي بي | https://markerdb.ca/downloads | قاعدة بيانات عامة للعلامات الحيوية الجزيئية |
| ماتبلوتليب 3.4.3 | Matplotlib | https://matplotlib.org/ | مكتبة التصور لبايثون |
| Numpy 1.21.4 | نومبي | https://numpy.org/ | الحزمة الأساسية للحوسبة العلمية باستخدام بايثون |
| الباندا 1.3.4 | الباندا | https://pandas.pydata.org/ | أداة قوية ومرنة وسهلة الاستخدام لتحليل البيانات والتعامل مع البيانات مفتوحة المصدر، مبنية فوق لغة البرمجة بايثون. |
| بايثون 3.8.10 | مؤسسة بايثون للبرمجيات | https://www.python.org/ | لغات برمجة شائعة تدمج أنظمة التعلم العميق بشكل أكثر فعالية. |
| pytorch_tabnet.tab_model | بايتورش | https://pypi.org/project/pytorch-tabnet/ | لتنفيذ مشاكل التصنيف والانحدار الثنائية/متعددة الفئات. |
| سكيت-لرن | سكيت-لرن | https://scikit-learn.org/stable/ | وحدة بايثون لخوارزميات التعلم الآلي |
| سيبورن | سيبورن | https://seaborn.pydata.org/ | مكتبة تصور البيانات عالية المستوى لرسم الرسوم الإحصائية الجذابة والمفيدة |
| نموذج تاب نت | جوجل | https://github.com/dreamquark-ai/tabnet | تاب نت هي شبكة عصبية شاملة من طرف إلى طرف مصممة للتعامل المباشر مع البيانات الجدولية |
| Tensorflow 2.6.0 | جوجل | https://www.tensorflow.org/ | منصة شاملة للتعلم الآلي |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission