隐结构模型与中医辨证研究(I) 3.pdf -- 5 元

理论研究隐结构模型与中医辨证研究I3隐结构法的基本思想及隐结构分析工具张连文1袁世宏2张连文,男,42岁,副教授3香港研究资助局项目No.622015国家重点基础研究发展计划973计划项目No.2003CB5171011香港科技大学香港2山西职工医学院山西030012关键词中医辨证客观定量标准隐结构模型中图分类号R241我们提出一种为中医辨证建立客观定量标准的研究方法,即隐结构法。本文介绍隐结构法的基本思想以及隐结构分析工具。中医诊断首先是通过望闻问切收集病情资料,然后对病情资料进行综合分析,进而对疾病的病因、病位、病势、病性等本质作出判断。判断的结果称为证或证候,而判断的过程称为辨证。就现状而言,中医辨证有三个方面问题首先,中医辨证没有客观标准其次,医师辨证技能的高低很大程度取决于经验,只有高龄医师才会受到充分信任第三,辨证结果受主观因素的影响很大,不同医师对同一病人所做的辨证结论往往不同。因此,十分有必要为中医辨证建立客观的、定量的标准。1背景关于中医辨证客观化、定量化的研究已经有相当长的历史,学者们做了大量工作,下面先简要回顾这些工作。1.1证实质研究证实质研究兴起于1950年,这一研究的近期目标是,寻找和确定中医证的客观检测指标,对证进行定量表达远期目标是,用客观检测指标对疾病作出完全的证的诊断1。证实质研究是否成功关键要看是否能够找到既具有敏感性,又具有特异性的检测指标。敏感性是指当病人出现某证候时,指标应该呈阳性特异性是指病人无该证候时,指标应该呈阴性。这里病人是否有某证候由专家根据中医辨证理论和经验来判断。如果证实质研究的目标实现了,辨证自然就有了客观标准。遗憾的是,证实质研究并不成功。以肾虚证研究为例,不同的学者从不同的组织系统和生理病理角度选择了上百个指标,但目前还没有发现一个相对肾虚具有特异性的指标2。24h尿172羟皮质类固醇降低曾一度被认为是肾阳虚的特异性指标,但后来发现,它在脾阳虚时也会出现。对其他证候的研究也有相同的情况。有鉴于此,有人3说40年来,中医证实质研究已经将成百上千的实验数据摆在我们面前,按照原定研究目标,这些不争气的数据给予我们的只是困惑和迷茫。专家们对证实质研究未能成功的原因做了深刻分析,主要有①证实质研究所遵循的实际上是西医的方法,它和中医是两种不同的学术体系,两者在认识论和方法论上截然不同,不属于同一个认识层次4②证是一种涉及全身多系统的功能病理状态,其概念欠清晰,难以定性、定量、定位。因此目前多数学者认为,证候不能用类似西医的方法靠几个特异性的指标来判定。1.2回归分析和判别分析在证研究中的应用有众多学者把回归和判别分析应用于中医证候的计量诊断研究,目的是在症状与证候之间建立起统计定量关系。这种研究的出发点是一组已由专家分类的病例,每份病例不但有病人的症状,而且还有专家对病人所作的辨证结论。学者们利用标准统计方法对病例数据进行分析,获得回归方程或判别函数,其中,症状为自变量,而证候为因变量。如刘氏等5对中医产科脾气虚证57例和非脾气虚证23例进行了分析,建立了如下回归方程Y1113716X33416X30016X26563第29卷第6期2006年6月Vol.29No.6June.2006北京中医药大学学报JournalofBeijingUniversityofTraditionalChineseMedicine这里所选入的自变量分别是滑胎X33、胎漏X30、、妊娠腹痛X26,它们取值为1或0,分别代表症状的出现或不出现。当因变量Y≥37.54时判断为脾气虚证,而当YY2,则判为痰证若Y1≤Y2,则判为非痰证。如上所述的回归方程和判别函数可以作辨证的定量标准。但是,由于它们是对数据的数学总结,而每份数据中因变量证候的取值是专家的主观判断,所以它们其实是专家行为的数学总结。因此,用它们作为辨证标准其实就是用专家作为标准,缺乏客观性。1.3聚类分析在证研究中的应用辨证就是把病人进行分类,同一证候的病人分到同一类,不同证候的病人分到不同的类,分类的根据是病人的症状。那么,这些类是否客观存在呢为了回答这个问题,可以首先进行流行病学调查收集病例,按症状对病人进行聚类,症状相近的聚为同一类,症状不相似的聚到不同的类,然后把所得的类与证候进行比较。如果一个类C中的病人的症状与某证候S的症状整体上吻合,那么类C就可以看成是对有证候S病人的群体的抽样。这不但证实了证候S的客观存在,而且为建立客观辨证标准提供了基础。对于一个新来的病人,可以将其症状与类C中的病人的症状进行比较,如果相似则断定病人有证候S,否则断定病人无证候S。基于上述思想,杨氏7对八纲辨证中的阴阳两证进行了研究。遗憾的是结果不甚理想,聚类分析所得到的类与阴证和阳证的特性并不吻合。就这次研究本身而言,失败的原因可能很多。例如所用的是基于距离的聚类分析,也许距离定义的不合理,也许距离聚类这一方法本身对问题不合适。一般来讲,简单使用聚类分析来研究证有难以克服的实质性困难。这主要是因为辨证是一个多维同时分类问题。例如,按不同肾阳虚程度可以把病人分为几类同时,按不同肾精亏虚程度又可以把病人分为另外几类等。这就好比可以同时把人按性别分为男女,按年龄分为老中青,按职业分为工人农民等。因为简单聚类方法是单维的,所以它无法处理辨证的多维性。综上所述,中医辨证的客观定量标准难以通过证实质研究来建立回归分析和判别分析可以建立定量的辨证标准,但缺乏客观性聚类分析在原理上是为辨证建立客观定量标准最自然的方法,但是现存的聚类方法是单维的,无法处理辨证的多维性。2辨证理论与隐结构中医辨证有其理论基础,那就是中医辨证理论。既然如此,为什么辨证没有客观标准呢这是因为中医辨证理论缺乏系统性、定量性。上面讲到的证实质研究和聚类分析的目的就是要为辨证理论提供证实并将之定量化,但是没有成功。其实,这是一个十分困难的问题。要了解它之所以困难的根本原因,首先需要对辨证理论的内容有个基本的认识。中医辨证理论讲述的是证候与症状之间的关系。例如关于肾阴虚,中医认为肾阴亏虚,脑髓、官窍、骨骼失养,则见腰膝酸痛、眩晕耳鸣、健忘、齿松发落虚火上扰心神,故烦热少寐肾阴不足,失于滋润,虚火蕴蒸,故见口燥咽干,形体消瘦,潮热盗汗,或骨蒸发热,颧红,尿黄少,舌红少苔,脉细数,为阴虚内热之象。8这里,诸如腰膝酸痛舌红少苔脉细数的症状是可以通过望闻问切而直接观察到的,是显变量。而诸如肾阴虚的证候迄今没有办法对它们进行直接观察,是隐变量。除了证候以外,诸如肾阴虚失养肾阴虚失滋润阴虚内热的病理因子也是隐变量。隐变量与隐变量之间以及隐变量与显变量之间的关系构成了一个隐结构。中医辨证理论所描述的是一个把各式各样的症状联系起来的隐结构。隐结构是不可能直接观测到的,这是中医辨证理论难以用现代科学手段证实和定量化的根本原因。隐变量是什么这是一个哲学问题,有几种不同的答案。我们采用如下观点9隐变量是人脑思维的产物人脑发明隐变量、隐结构的目的是要解释在众多事例中所观察到的规律。例如在中学生人群中,人们观察到一个数学成绩好的学生,物理、化学成绩往往也好反之亦然。人们于是引入分析能力这个隐变量来解释这一现象分析能力强的学生,数学、物理、化学3门课程的成绩一般都较好而分析能力弱的学生,这3科成绩往往都较差。在中医临床实践中,舌上少津口渴喜饮小便涩少这3个症状常常结伴出现,中医理论引入津亏这个隐变量来解释这一现象津亏能导致这3个症状的出现而无津亏时,它们则一般不会出现。663北京中医药大学学报第29卷基于上述观点可以认为,中医理论是人脑在通过对众多病例的观察发现了一些规律后,为解释这些规律而引入的一个用自然语言描述的隐结构。中医临床用这个人脑构造的隐结构来指导辨证,因此缺乏客观性、定量性。3隐结构法的基本思想我们提出一种旨在为辨证建立客观、定量标准的研究方法,即隐结构法。它的基本思想是用电脑来取代人脑进行数据分析、构造隐结构。具体地说就是①首先进行流行病学调查,系统收集病例②然后用电脑对所得数据进行分析,找出规律,构造隐结构模型来解释这些规律③最后用所得的隐结构模型来指导辨证。用电脑构造的隐结构来指导辨证的好处是辨证客观性可以得到大大提高,而且定量化也不再是一个问题。除了客观性和定量性以外,更重要的当然是辨证质量。在本系列的第2、3篇文章中读者会看到,用电脑构造的隐结构来指导辨证,辨证的质量可以得到保证并且提高。4隐结构分析的工具要通过数据分析建立隐结构模型首先需要适当的工具。现存的隐结构分析工具按隐变量和显变量的特性可以分为四类10第一类的特点是隐变量和显变量都取实数值。因子分析factoranalysis、主成分分析principalcomponentanalysis和独立成分分析independentcomponentanalysis属于这一类,它们主要用于实数值数据降维。这3个工具的另一共同特点是它们均假设隐变量之间相互独立,而中医认为证候隐因子之间存在广泛联系,所以它们不适合辨证研究。第2类包括隐概况分析latentpro2fileanalysis。特点是显变量取实数值,隐变量取离散值。括隐概况分析用于实数值数据聚类分析,也称混和模型mixturemodels。第3类包括隐特性分析latenttraitanalysis。特点是显变量取离散值,隐变量取实数值。隐特性分析用于确定诸如智力IQ这样的隐特性。第四类隐结构分析工具。特点是隐变量和显变量都取离散值,隐类分析latentclassanalysis属于这一类。4.1隐类模型隐类分析所用的统计模型叫做隐类模型latentclassmodel。一个隐类模型由一个隐变量和多个显变量组成。在图1A所示的例子中,隐变量是类风湿关节炎R,显变量是与之相关的一些症状背痛B、颈痛N、关节痛J、肿胀Sw、僵硬St。其中,R有4个取值,而各显变量取2个值,即有或无。定量信息包括R的概率分布PR,以及给定R,各显变量的条件概率分布PB|R、PN|R、PJ|S、PSw|R、PSt|R。隐变量R的每一个取值对应一个隐类,因此条件概率也称类概率,由图1B给出,其中的4条曲线对应R的4个取值。隐类分析是一个基于隐类模型的聚类方法。它是要通过数据分析,确定以下数值①隐变量的取值个数,即隐类的个数②每个类的统计特性,即其类概率。德国学者Wasmus等11收集了关于类风湿关节炎的社区数据,并对其进行了分析,得到图1B所示的4个类。在最上面的类中各个症状出现的概率都很高,所以它对应的是严重类风湿关节炎最下面的类正好相反,对应的是无类风湿关节炎中间的两个类分别对应中度痛型类风湿关节炎和中度肿胀型类风湿关节炎。对于一个新的病人,可以根据其症状计算出他属于每个类的概率,从而得出诊断。A隐类模型B聚类分析结果图1隐类模型以及用它对数据进行聚类分析所得的结果隐类分析的应用领域主要包括社会科学、教育、心理学以及医疗卫生等。在西医学中,它被用来探讨诸如类风湿关节炎、抑郁症12、慢性疲劳综合征等病症的诊断标准。值得注意的是,这763第6期张连文等隐结构模型与中医辨证研究I隐结构法的基本思想及隐结构分析工具里提到的3个西医病症与中医的证候有共同特点它们都是无法直接观测的,属于隐变量。既然西医用隐类分析来研究这样的病症,这自然让我们想到用类似方法来研究中医证候。4.2多层隐类模型隐类模型只包含一个隐变量,而本文关于肾虚辨证的一小段话已经涉及了4个隐因子。所以,隐类模型对中医证候研究是不够的,需要加以推广。一个自然的推广是考虑多层树状隐结构,如图2所示。我们称这样的模型为多层隐类模型hierarchi2callatentclassmodel,简称HLC模型。图2给出的HLC模型是关于中学生人群的。它有6个显变量数学成绩M、物理成绩P、化学成绩C、语文成绩L、历史成绩H、英语成绩E3个隐变量智力I、分析能Aa、文字能力Al。模型有定性和定量两个层面的类容。在定性层次,它说的是智力影响分析能力和文字能力分析能力影响数学成绩、物理成绩、化学成绩文字能力影响语文成绩、历史成绩、英语成绩。它的定量内容包括描述中学生按智力高低分布情况的边缘概率分布PI,描述分析能力如何依赖智力的条件概率分布PAa|I,描述数学成绩如何依赖分析能力的条件概率分PM|Aa,等等。由于篇幅关系,这里不给出概率分布的具体例子。有阴影的是隐变量无阴影的是显变量图2多层隐类模型用隐类模型分析数据就是以模型中唯一的隐变量作为隐指标对数据进行聚类。在类风湿关节炎的例子中,数据被聚成4类。由于只有一个隐聚类指标,那里的聚类是一维简单聚类。另一方面,用诸如HLC模型这样的一般隐结构模型分析数据会同时引入多个隐变量,每一个隐变量都是一隐聚类指标,对应一种聚类方式。在关于中学生的例子中,引入分析能力这个隐变量意味着按分析能力这个隐指标把学生聚成数类,每一类对应分析能力的一个程度加上了引号是因为聚类分析得到的类并不是总可以诠释为程度引入文字能力这个隐变量意味着同时按文字能力这个隐指标把学生聚成数类,每一类对应文字能力的一个程度。所以,隐结构法是一种多维同时聚类方法,可望为中医辨证这个多维同时聚类方法提供基础。4.3数据分析原理隐结构是不能直接观测到的,为什么可以基于数据对隐结构进行推测呢这是因为在数据中能够找到隐结构的踪迹。例如,在关于中学生的例子中,隐变量分析能力同时影响数学、物理、化学3科成绩。在数据中,这种影响表现为数理化这3科成绩的相互关联数学成绩好则其他两科成绩往往也好,反之亦然。既然隐结构在数据中有迹可寻,那么就可以通过分析数据来对它们进行推测。下面用一个例子来具体说明这一点。例1彩灯原理想象9盏由一个电子控制器所控制的彩灯,把它们分别记为L1、L2、、L9。每盏灯或亮或灭。观察发现L1、L2、L3要么一齐亮,要么一齐灭。基于这一点,可以推测这3盏灯属于同一电路支线,记之为B1L4～L6和L7～L9这2组灯的亮与灭有相同的规律,于是推测另外2条支线B2、B3的存在1/3的时间L1～L6同时亮,另外1/3的时间L4～L9同时亮,其他1/3的时间所有灯都灭。于是推测控制器有3个不同状态,关开1和开2,分别对应这3种情况。上面的推测结果是一个HLC模型,其结构如图3所示。它很好地解释了观察到的规律,而且是具有这一特性的最简单模型。因此,从统计学角度看,它是一个高质量的模型。图3基于彩灯亮与灭的规律推测彩灯控制器的结构863北京中医药大学学报第29卷症状在某病人身上出现与否就好比彩灯在某一时刻的亮与灭。通过对彩灯亮与灭的长时间观察,发现不同彩灯的亮与灭不是相互独立的,而是相互联系的,这使得可以对彩灯控制器的结构进行推测。同样,通过对症状在众多病人身上出现情况的观察,可以发现症状之间各式各样的统计关联关系,这些关系为寻找症状背后的隐结构提供了基础。当然此时问题远比例1复杂,所以需要理论和算法的指导。4.4多层隐类模型研究用HLC模型分析数据时需要确定①隐变量的个数②隐变量之间以及隐变量与显变量之间的连接关系③每个隐变量取值的个数④根据隐变量的概率分布,给定一个隐变量其各子变量的条件概率分布。前两部分构成模型的结构,后两部分是模型的定量内容。在近几年里,我们对HLC模型的性质以及怎样通过数据分析而构建HLC模型做了系统的研究14。目前最好的算法是ZhangandKocka15提出的HSHC算法。5隐结构方法的可行性隐结构法的核心思想可以归纳为一个中心、两个基本点。第一个基本点是中医辨证把病人分成不同的类,自然要问,这些类是否客观存在如果要从统计学角度回答这个问题,就需要用聚类分析。第二个基本点是中医辨证所进行的是多维同时分类,因此简单聚类分析是不够的,需要多维同时聚类多维聚类中的每个维就是一个隐指标,所以需要隐结构模型。一个中心是我们的祖先已经构造了一个隐结构模型,那就是中医理论由于它是由人脑构造并且用自然语言而非数学语言表达的,这个模型缺乏客观性、定量性隐结构法的中心思想是利用电脑来构造隐结构模型。隐结构法是否可行为了回答这个问题,我们用HLC模型对肾虚辨证进行了研究,得到的结论是,隐结构法能够为中医辨证提供客观定量标准。这项研究的具体情况是本系列的第2、3两篇文章将要讨论的内容。参考文献1梁茂新,刘进,洪志平,等.中医证研究的困惑与对策M.北京人民卫生出版社,1998720.2王洪琦,许有玲.面向21世纪中医基础理论研究现状和未来M.北京军事医学科学出版社,19993741,5556.3赵国求.中医证实质研究释疑与解惑J.医学与哲学,1999,20114750.4杨维益,陈家旭,王天芳,等.关于中医证研究的思考J.中国医药学报,1996,11146.5刘士敬,朱倩.中医产科病证脾气虚证型量化诊断标准研究92例本证型诊断因素的多元回归分析J.中国中医基础医学杂志,1998,494951.6李小兵,方永奇,洪永敦,等.心脑血管病痰证宏观辨证的计量化研究J.中国中医基础医学杂志,2000,654447.7杨学鹏.阴阳气与变量M.北京科学出版社,1993180190.8朱文锋.中医诊断学M.上海上海科学技术出版社,1995160161.9SOBELM.E.CausalInferenceinlatentvariablemodelsJ.InvonEye,A.andClogg,C.Ceds..Latentvariablesanalysisapplicationsfordevelopmentalresearch.ThousandOaks,Calif,1994,8335.10BARTHOLOMEWD.J.,KNOTT,M.Latentvariablemodelsandfactoranalysis,2ndedition.KendallsLibraryofStatistics7J.LondonArnold.1999.11WASMUSA.,KINDELP.,MATTUSSEKS.,etal.Ac2tivityandseverityofrheumatoidarthritisinHannover/FRGandinoneregionalreferralcenterJ.ScandinavianJournalofRheumatology,1989,7973344.12EATONW.W.,DRYMANA.,SORENSONA,etal.DSMIIIMajordepressivedisorderinthecommunityAlatentclassanalysisofdatafromtheNIMHepidemiologiccatchmentareaprogrammeJ.BritishJournalofPsychi2atry,1989,1554854.13SULLIVANP.F.,SMITHW.,BUCHWALDD.LatentclassanalysisofsymptomsassociatedwithchronicfatiguesyndromeandfibromyalgiaJ.PsychologicalMedicine,2002,32881888.14ZHANGN.L.HierarchicallatentclassmodelsforclusteranalysisJ.JournalofMachineLearningResearch,2004,56697723.15ZHANGN.L.,KOCKAT.EfficientLearningofHierar2chicalLatentClassModelsJ.InProc.ofthe16thIEEEInternationalConferenceonToolswithArtificialIn2telligenceICTAI22004,2004,11161517.收稿日期2005202223963第6期张连文等隐结构模型与中医辨证研究I隐结构法的基本思想及隐结构分析工具