مجله دانشکده پزشکی اصفهان

مجله دانشکده پزشکی اصفهان

مدل‌سازی و پیش‌بینی فضایی بروسلوز انسانی در سبزوار با استفاده از یادگیری ماشین: مقایسه دو روش PCA-MLP و PCA-SVM

نوع مقاله : Original Article(s)

نویسندگان
1 دانشیار، گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشگاه علوم پزشکی خراسان شمالی، بجنورد، ایران
2 دانشجوی دکترای بهداشت محیط، گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشکده‌ی بهداشت و ایمنی، دانشگاه علوم پزشکی شهید بهشتی، تهران، ایران
3 دانشجوی پزشکی، کمیته تحقیقات دانشجویی، دانشگاه علوم پزشکی سبزوار، سبزوار، ایران
4 استادیار انگل‌شناسی، مرکز تحقیقات لیشمانیوز، دانشگاه علوم پزشکی سبزوار، سبزوار، ایران
5 استاد ایمونولوژی، مرکز تحقیقات لیشمانیوز، دانشگاه علوم پزشکی سبزوار، سبزوار، ایران
10.48305/jims.v44.i854.0348
چکیده
مقدمه: بیماری بروسلوز (تب مالت)، یک بیماری باکتریایی مشترک بین انسان و دام است که در مناطق مختلفی از ایران از جمله شهرستان سبزوار شیوع دارد. هدف از این مطالعه، مدل‌سازی و پیش‌بینی فضایی بروز بروسلوز انسانی با استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) و الگوریتم‌های یادگیری ماشین شامل شبکه‌ی عصبی پرسپترون چندلایه همراه با تحلیل مؤلفه‌های اصلی (PCA-MLP) و ماشین بردار پشتیبان همراه با تحلیل مؤلفه‌های اصلی (PCA-SVM) در این شهرستان بود.
روش‌ها: داده‌های مربوط به بروز بروسلوز، اطلاعات جمعیتی، اقلیمی، پوشش گیاهی و توپوگرافی بین سال‌های 1390 تا 1401 جمع‌آوری شد. داده‌ها با استفاده ازGIS پردازش و سپس با دو الگوریتم یادگیری ماشین MLP و SVM همراه با تحلیل مؤلفه‌های اصلی (PCA) جهت مدل‌سازی و پیش‌بینی توزیع فضایی بیماری به کار گرفته شدند.
یافته‌ها: در این مطالعه، تحلیل فصلی نشان داد که در سال‌های ۱۳۹۱، ۱۳۹۳۱۳۹۶، ۱۳۹۹ و ۱۴۰۱ اوج بروز بروسلوز در فصل بهار رخ داده، در حالی‌که در سال‌های ۱۳۹۸ و ۱۴۰۰ این اوج به تابستان منتقل شده و در برخی سال‌ها (۱۳۹۰، ۱۳۹۲ و ۱۳۹۷) توزیع فصلی بیماری روندی ناپایدار داشته است. همچنین رطوبت هوا و ارتفاع از سطح دریا به‌عنوان مهم‌ترین پیش‌بینی‌کننده‌های بروز شناخته شدند. مدل PCA MLP مناطقی مانند ششتمد و دستوران را با بیشترین تعداد موارد انسانی پیش‌بینی کرد، در حالی‌که مدل PCA SVM علاوه ‌بر این‌ها، برخی مناطق دیگر مورد مطالعه را نیز در گروه مناطق پرخطر قرار داد..
نتیجه‌گیری: الگوریتم PCA-SVM عملکرد دقیق‌تری در مدل‌سازی و پیش‌بینی بروز بیماری نسبت به PCA-MLP داشت و مناطق با ریسک بالا مانند ششتمد و دستوران را دقیق‌تر شناسایی کرده بود. یافته‌های این مطالعه می‌تواند به مدیران سلامت در تخصیص منابع و طراحی مداخلات پیشگیرانه در مناطق پرخطر کمک کند..

تازه های تحقیق

ایوب رستگار: Google Scholar, PubMed

علی اوغازیان: Google Scholar, PubMed

شیما امیری پارسا: Google Scholar, PubMed

علی پوریوسف: Google Scholar, PubMed

محمدشفیع مجددی: Google Scholar, PubMed

کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Spatial Modeling and Prediction of Human Brucellosis in Sabzevar Using Machine Learning: A Comparison of PCA MLP and PCA SVM

نویسندگان English

Ayoob Rastegar 1
Ali Oghazyan 2
Shima Amiri oarsa 3
Ali Pouryousef 4
Mohammad-Shafi Mojadadi 5
1 Associate Professor, Department of Environmental Health Engineering, School of Health, North Khorasan University of Medical Sciences, Bojnourd, Iran
2 PhD Student, Department of Environmental Health Engineering, School of Public Health and Safety, Shahid Beheshti University of Medical Sciences, Tehran, Iran
3 Medical Student, Student Research Committee, Sabzevar University of Medical Sciences, Sabzevar, Iran
4 Assistant Professor, Leishmaniasis Research Center, Sabzevar University of Medical Sciences, Sabzevar, Iran
5 Professor, Leishmaniasis Research Center, Sabzevar University of Medical Sciences, Sabzevar, Iran
چکیده English

Abstract
Background: Brucellosis (Malta fever) is a zoonotic bacterial disease prevalent in various regions of Iran, including Sabzevar County. This study aimed to model and predict the spatial incidence of human brucellosis using Geographic Information Systems (GIS) and machine learning algorithms, including Principal Component Analysis-Multilayer Perceptron (PCA-MLP) and Principal Component Analysis-Support Vector Machine (PCA-SVM).
Methods: This cross-sectional analytical study employed a computational modeling approach conducted in 2023 using data from 2011 to 2022. The data included epidemiological, demographic, climatic, vegetation, and topographic information. After processing in a GIS environment, the data were analyzed using PCA-enhanced MLP and SVM algorithms.
Findings: Seasonal pattern analysis revealed the highest disease incidence during spring in the years 2012, 2020, and 2022, as well as during the period from 2014 to 2017. In 2019 and 2021, the peak incidence shifted to summer. "Air humidity" and "altitude above sea level" were identified as the strongest predictive factors. The PCA-MLP model identified "Sheshtamad" and "Dastooran" as the main disease hotspots, while the PCA-SVM model detected a broader range of high-risk areas.
Conclusion: The PCA-SVM algorithm demonstrated superior accuracy in predicting the spatial pattern of brucellosis due to its enhanced capability to handle complex data. This model serves as an effective tool for targeted disease control planning in endemic areas.

کلیدواژه‌ها English

Brucellosis
Geographic information systems
Machine learning algorithms
Neural network models
Forecasting
1.     Abdullayev R, Kracalik I, Ismayilova R, Ustun N, Talibzade A, Blackburn JK. Analyzing the spatial and temporal distribution of human brucellosis in Azerbaijan (1995-2009) using spatial and spatio-temporal statistics. BMC Infect Dis 2012; 12: 1-12.
2.     Seleem MN, Boyle SM, Sriranganathan N. Brucellosis: a re-emerging zoonosis. Vet Microbiol 2010; 140(3-4): 392-8.
3.     Sofian M, Aghakhani A, Velayati AA, Banifazl M, Eslamifar A, Ramezani A. Risk factors for human brucellosis in Iran: a case–control study. Int J Infect Dis 2008; 12(2): 157-61.
4.     Wang J, Jia P, Cuadros DF, Xu M, Wang X, Guo W, et al. A remote sensing data based artificial neural network approach for predicting climate-sensitive infectious disease outbreaks: a case study of human brucellosis. Remote Sens 2017; 9(10): 1018.
5.     Mollalo A, Mao L, Rashidi P, Glass GE. A GIS-based artificial neural network model for spatial distribution of tuberculosis across the continental United States. Int J Environ Res Public Health 2019; 16(1): 157.
6.     Pakzad R, Pakzad I, Safiri S, Shirzadi MR, Mohammadpour M, Behroozi A, et al. Spatiotemporal analysis of brucellosis incidence in Iran from 2011 to 2014 using GIS. Int J Infect Dis 2018; 67: 129-36.
7.     Tabasi M, Alesheikh AA, Sofizadeh A, Saeidian B, Pradhan B, AlAmri A. A spatio-temporal agent-based approach for modeling the spread of zoonotic cutaneous leishmaniasis in northeast Iran. Parasites vectors 2020; 13(1): 727.
8.     Rezaeianzadeh M, Tabari H, Arabi Yazdi A, Isik S, Kalin L. Flood flow forecasting using ANN, ANFIS and regression models. Neural Comput & Applic 2014; 25(1): 25-37.
9.     Mohammadinia A, Saeidian B, Pradhan B, Ghaemi Z. Prediction mapping of human leptospirosis using ANN, GWR, SVM and GLM approaches. BMC Infect Dis 2019; 19(1): 971.
10.  Peng C, Li Y-J, Huang D-S, Guan P. Spatial-temporal distribution of human brucellosis in mainland China from 2004 to 2017 and an analysis of social and environmental factors. Environ Health Prev Med 2020; 25(1): 1-14.
11.  Liang P, Zhao Y, Zhao J, Pan D, Guo Z. The spatiotemporal distribution of human brucellosis in mainland China from 2007-2016. BMC Infect Dis 2020; 20(1): 249.
 
دوره 44، شماره 854
هفته 2، اردیبهشت
فروردین و اردیبهشت 1405
صفحه 348-357

  • تاریخ دریافت 16 تیر 1404
  • تاریخ پذیرش 24 اردیبهشت 1405