基于逆数据包络分析法的中医方药评价与药量计算研究
更新日期:2018-01-01     来源:中国生物医学工程学报   浏览次数:263
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“证候”作为一种组织证型、症状及中药方剂信息的知识载体,在中医的辨证论治中发挥着重要的作用[1],其数值量化建模也一直是中医现代化研究的一个重要方向[2]。为此,许多学者做了大量的工作,如:中医方剂功效因子的量化[4]、中医证候的隐结构模型[5][6]、中医方剂功效定性和定量研究[7]、证的量化与临床数据的定性方法[8]、基于熵的证候研究[9]等。这些工作在量化研究上起到了推动作用,但总体而言,仍处于探索阶段,需要继续寻找新的建模方法。
近些年,一些研究人员采用了分析评价法来研究中医,如:层次分析(AHP)法[10-12],数据包络分析(DEA)法[13-14]等。这些方法的实质是通过对既往有效案例的分析,抽取其病理、诊断、方剂药物用量和中医师经验等信息,采用数学方法建立评价模型,以满足临床辨证推理的需要。但对于药量计算的逆推理过程,即:当诊断信息所确定的证候状态已知的情况下,如何利用有效医案所确立的模型计算出药量的逆计算方法尚未涉及。本研究拟就此问题,采用逆DEA计算方法,给出一个具体的算法。所采用的方证对应资料取自《伤寒论》,并以“肺气不利”证候的病理发展过程为建模对象,以主要的药物用量为数据来源,建立数理评价模型。然后利用该模型,根据证候状态值进行推算,获得具体的药物用量,以完成辨证论治中药量组方的需要,这将为临床药物用量的计算提供一种可能的方法。
2证候的评价模型及逆计算概述
证候的逆DEA评价模型描述了当证候状态评价值已知的情况下,如何利用经典案例所隐含的辨证信息推算出处方药量的问题。
计算模型的基础是实际证候的病理规律,即:在分析证候演化与诊断信息上下文环境的基础上,通过对各个证型的量化、序列化而建立起来的一种推理模式。其构建及推理过程分为如下几个步骤:
(1)、针对某一证候,按照其发生、传变的一般演化规律,搜集典型的方证资料(证型、方剂及症状等),建立表述证候演化的上下文环境,并按照其传变顺序进行排列,建立起证候序列;
(2)、证候序列的数值模型化:首先,以典型方剂的主要药量及外在症状评价数值为依据,建立评价单元,给出证候的DEA评价模型,同时,也给出了证候各状态的评价值,以完成“词计算”;
(3)、以上述DEA模型为基准,把具体案例的诊断信息植入到证候演化的上下文环境中,根据与“词计算”结果的对比与分析,给出具体病例的证型评价数值,再利用逆DEA算法,计算出该状态所应该选用的药量数据。
3 逆数据包络分析介绍
中医证候的数据包络分析DEA建模方法参见文献[13][14],对于DEA的逆计算,其原理介绍如下:
(1)、提出问题[15]
数据包络分析DEA是用于评价相同组织相对有效性的一种算法,是基于线性规划、变权重、非均一化的评价方法。对于DEA的模型,其描述如下:
如果有个决策单元Decision Making Unit(DMU),它们的生产可能集为:

上式中,若记()为决策单元DMU,其中为变权重,则第个决策单元为,。若单元(记作:())为被评价单元,那么,模型为:
(1)
称决策单元在相应模型下的DEA效率为效率指数。对于DEA的逆问题,可表述为:若保持的生产效率水平不变,使产出有所增加,那么,应该增加多少输入?即:如果的输出增加到,那么,输入向量的增量是多少?
因此,DEA逆计算问题可概括为:
如果记,效率指数为,输入、输出数据改变所形成的新的决策单元为。那么作为被评价决策单元的效率指数的计算方法如下:
(2)
式中,DEA逆计算过程可表述为:所有的、及已知,未知,最优目标函数值为,要求求解上式,得到输入量。
(2)、逆DEA算法原理
假设是式(1)的最优值,对于多目标的规划问题:

有下列定义、定理[15-18]:
定义1 假定,,并且是多目标规划的可行解,如果不存在的可行解()使,则称为多目标规划的弱解。
定理 假设的模型(1)的最优解是,决策单元输出数据从增加到,(并且),则有:
(1)假设是多目标规划问题的弱Pareto解,
(3)
那么,决策单元的输入数值增加到时,新的DEA问题,模型(2)的最优值依然是。即:加入这一对新的输入、输出数据后,该对数据表示的决策单元下的效率指数不变。
(2)相反,设为多目标规划的可行解。若为模型(2)的最优解,那么,一定是多目标规划问题的弱Pareto解。