2023华为杯研究生数学建模E题思路代码分析

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  1. 血肿扩张风险相关因素探索建模。

请根据“表1”(字段:入院首次影像检查流水号,发病到首次影像检查时间间隔),“表2”(字段:各时间点流水号及对应的HM_volume),判断患者sub001至sub100发病后48小时内是否发生血肿扩张事件。

结果填写规范:1是0否,填写位置:“表4”C字段(是否发生血肿扩张)。

如发生血肿扩张事件,请同时记录血肿扩张发生时间。

结果填写规范:如10.33小时,填写位置:“表4”D字段(血肿扩张时间)。

是否发生血肿扩张可根据血肿体积前后变化,具体定义为:后续检查比首次检查绝对体积增加≥6 mL或相对体积增加≥33%。

注:可通过流水号至“附表1-检索表格-流水号vs时间”中查询相应影像检查时间点,结合发病到首次影像时间间隔和后续影像检查时间间隔,判断当前影像检查是否在发病48小时内。

从“表1”中提取“入院首次影像检查流水号”以及“发病到首次影像检查时间间隔”。

从“表2”中提取各时间点的“流水号”和对应的“HM_volume”。使用“附表1-检索表格-流水号vs时间”来查询每个流水号对应的影像检查时间点。

对于每个患者,找出发病后48小时内的所有影像检查。比较这些影像检查的“HM_volume”与首次影像检查的“HM_volume”,判断是否满足血肿扩张的条件(绝对体积增加≥6 mL或相对体积增加≥33%)。如果发生血肿扩张,记录发生时间;否则,标记为未发生血肿扩张。

请以是否发生血肿扩张事件为目标变量,基于“表1” 前100例患者(sub001至sub100)的个人史,疾病史,发病相关(字段E至W)、“表2”中其影像检查结果(字段C至X)及“表3”其影像检查结果(字段C至AG,注:只可包含对应患者首次影像检查记录)等变量,构建模型预测所有患者(sub001至sub160)发生血肿扩张的概率。

注:该问只可纳入患者首次影像检查信息。

结果填写规范:记录预测事件发生概率(取值范围0-1,小数点后保留4位数);填写位置:“表4”E字段(血肿扩张预测概率)。

我们先进行特征选择,从“表1”中选择患者个人史、疾病史、发病相关特征。从“表2”和“表3”中选择首次影像检查的相关特征。

然后可以可以使用机器学习的方法来进行分类,这里有很多模型可以使用,比如逻辑回归、支持向量机、随机森林、梯度提升等等,我们用这些模型做一个交叉验证和参数调优,选择最优模型和参数。

用前100个患者的数据作为训练集进行模型训练。使用交叉验证的方法,评估模型在训练集上的表现,考察模型的准确率、召回率、F1分数等。最后来预测所有患者(sub001至sub160)发生血肿扩张的概率。

  1. 血肿周围水肿的发生及进展建模,并探索治疗干预和水肿进展的关联关系。
    1. 请根据“表2”前100个患者(sub001至sub100)的水肿体积(ED_volume)和重复检查时间点,构建一条全体患者水肿体积随时间进展曲线(x轴:发病至影像检查时间,y轴:水肿体积,y=f(x)),计算前100个患者(sub001至sub100)真实值和所拟合曲线之间存在的残差。

结果填写规范:记录残差,填写位置“表4”F字段(残差(全体))。

从“表2”中提取前100个患者的水肿体积(ED_volume)和重复检查时间点。用这些数据点来表示水肿体积随时间的变化,即y轴为水肿体积,x轴为发病至影像检查时间。

我们可以选择合适的回归模型,例如多项式回归、非线性回归等,来拟合水肿体积随时间的变化。再使用最小二乘法等方法优化模型参数,使模型能够较好地拟合训练数据。

对每个患者,使用拟合的模型预测其水肿体积,并与实际水肿体积进行比较,计算残差。记录每个患者的残差,并分析残差的分布,最终来评估模型的拟合效果。

    1. 请探索患者水肿体积随时间进展模式的个体差异,构建不同人群(分亚组:3-5个)的水肿体积随时间进展曲线,并计算前100个患者(sub001至sub100)真实值和曲线间的残差。

结果填写规范:记录残差,填写位置“表4”G字段(残差(亚组)),同时将所属亚组填写在H段(所属亚组)。

将人群进行分组,明显是一个聚类问题,我们需要选择一组特征,这些特征能够反映患者之间的差异,从而有助于我们对患者进行亚组划分。这些特征可能包括临床信息(如年龄、性别、病史等)、治疗方式、初次检查时的影像特征等。对选定的特征进行标准化或归一化,然后开始进行聚类,这里可以使用kmeans聚类,划分3-5个簇根据轮廓系数、Davies–Bouldin index等指标评估聚类效果。

还需要用主成分来降维,通过PCA,我们可以发现数据中的主要变异方向,这些方向可能代表了患者之间的主要差异。根据主成分得分,可以将患者划分为不同的亚组。对每个亚组的患者,分别进行曲线拟合,根据水肿体积随时间的变化特性,选择合适的回归模型,水肿体积的变化应该是非线性的,多项式回归和核回归可能是较好的选择。

还要进行残差计算,对于每个患者,计算其真实水肿体积与模型预测水肿体积之间的残差。分析残差的分布,检查模型的假设是否成立,比如残差是否呈正态分布,是否存在异方差性等。

    1. 请分析不同治疗方法(“表1”字段Q至W)对水肿体积进展模式的影响。

本题,我们可以将不同治疗方法作为组别,水肿体积作为因变量进行ANOVA。

如果ANOVA结果显示组间差异显著,我们可以进行进一步的多重比较,例如Tukey HSD,来查看哪些组别之间存在显著差异。

如果存在可能影响水肿体积的其他变量(例如患者年龄、性别等),我们可以将这些变量作为协变量纳入ANCOVA模型。通过计算相关系数,可以使用皮尔逊相关系数或斯皮尔曼等级相关系数,来评估治疗方法与水肿体积变化之间的线性或非线性关联。

建立回归模型,以治疗方法为自变量,水肿体积为因变量,来看看两者之间的因果关系

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