萬(wàn)潤(rùn)之 孫麗平 王延博 李雅馨

1.長(zhǎng)春中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)藥信息學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130117；2.長(zhǎng)春中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院兒童診療中心，吉林長(zhǎng)春 130021；3.長(zhǎng)春中醫(yī)藥大學(xué)中西醫(yī)結(jié)合學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130117

20 世紀(jì)90 年代本體概念被引入人工智能、圖書(shū)情報(bào)和知識(shí)工程等領(lǐng)域，一度成為這些領(lǐng)域的熱門(mén)研究課題。近年來(lái)，關(guān)于本體理論和技術(shù)的應(yīng)用逐漸擴(kuò)大到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，其關(guān)注度也不斷提升[1]。如朱玲等[2]構(gòu)建了哮喘疾病本體和功能性胃腸病領(lǐng)域本體，對(duì)哮喘領(lǐng)域知識(shí)體系和腸胃病知識(shí)庫(kù)進(jìn)行重新組織和表示，王明強(qiáng)等[3]利用Neo4j 存儲(chǔ)資源描述框架模型，實(shí)現(xiàn)中醫(yī)皮膚病“疾病-證候-治療”領(lǐng)域本體的具體認(rèn)識(shí)及規(guī)范化表達(dá)，郭夢(mèng)瑩等[4]利用“領(lǐng)域本體七步法”探討中醫(yī)辨證論治知識(shí)庫(kù)構(gòu)建的應(yīng)用。本體在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展為疾病本體構(gòu)建提供了方法基礎(chǔ)[5-6]，對(duì)于不同疾病的病因病機(jī)、發(fā)病機(jī)制、辨證論治、治療方法等的理解與學(xué)習(xí)具有積極意義。

肺炎喘嗽是小兒時(shí)期常見(jiàn)的肺系疾病之一，以發(fā)熱、咳嗽、痰壅、氣急、鼻煽為主要癥狀。清代汪昂《湯頭歌訣·瀉白散》首次提出“肺炎喘嗽”之名[7]，對(duì)比西醫(yī)治法，中醫(yī)治法同樣有很好的效果[8]。本研究基于本體構(gòu)建方法構(gòu)建肺炎喘嗽本體知識(shí)庫(kù)，并進(jìn)行推理驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了可視化查詢(xún)。

1 本體的構(gòu)建

1.1 知識(shí)范疇

資料來(lái)源包括中醫(yī)兒科學(xué)教材、小兒肺炎喘嗽中醫(yī)診療指南[9]、小兒病毒性肺炎中醫(yī)診療指南[10]、兒童肺炎支原體肺炎中西醫(yī)結(jié)合診治專(zhuān)家共識(shí)[11]以及名老中醫(yī)醫(yī)案[12]，術(shù)語(yǔ)的標(biāo)準(zhǔn)化參考中國(guó)中醫(yī)藥學(xué)主題詞表[13]。

1.2 構(gòu)建方法

使用Protégé 5.5.0 對(duì)網(wǎng)絡(luò)本體語(yǔ)言（ontology web language，OWL）進(jìn)行完整闡述，采用本體構(gòu)建七步法[14]構(gòu)建本體，并使用推理機(jī)Pellet 進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。見(jiàn)圖1。

圖1 構(gòu)建肺炎喘嗽本體流程

1.2.1 類(lèi)和類(lèi)目 類(lèi)是本體的核心。圖2 為知識(shí)庫(kù)中抽取的可以用于本體構(gòu)建的肺炎喘嗽的類(lèi)和類(lèi)目，該統(tǒng)計(jì)共分為四級(jí)類(lèi)目，一共7 個(gè)一級(jí)類(lèi)目，并按從上而下的方法構(gòu)建類(lèi)和類(lèi)之間的關(guān)系。

圖2 小兒肺炎喘嗽類(lèi)目圖

1.2.2 類(lèi)的屬性 構(gòu)建類(lèi)的屬性需要區(qū)分類(lèi)的對(duì)象屬性和數(shù)據(jù)屬性。對(duì)象屬性使用英文表示，并在注釋中添加中文注釋?zhuān)纭胺蝡art_of（是…的部分）患者”。創(chuàng)建與其相關(guān)的逆屬性（inverse of），如“表現(xiàn)出”（show）和“是...的表現(xiàn)”（reflect），同時(shí)限定其定義域（domain）和值域（range）。構(gòu)建的對(duì)象屬性如表1 所示，在Protégé 中構(gòu)建對(duì)象屬性。數(shù)據(jù)屬性是一個(gè)類(lèi)或?qū)嵗臄?shù)據(jù)值，如“某兒童的年齡為4 歲，體重17 kg，體溫38℃，血氧飽和度＞0.96。”其中的個(gè)體兒童、體重、身高、脈搏血氧飽和度為實(shí)例的數(shù)據(jù)屬性。圖3 展示了在Protégé 中創(chuàng)建的數(shù)據(jù)屬性、其定義域與數(shù)據(jù)類(lèi)型，并為其添加備注與定義域、字符串類(lèi)型標(biāo)識(shí)。

圖3 Protégé 構(gòu)建的數(shù)據(jù)屬性

表1 小兒肺炎喘嗽本體對(duì)象屬性

1.2.3 實(shí)例 實(shí)例也稱(chēng)個(gè)體，是指類(lèi)的成員個(gè)體。例如圖4 在對(duì)象屬性欄中選擇“has component”（由…組成）與每一項(xiàng)組成方劑的中藥相聯(lián)系，在數(shù)據(jù)屬性欄選擇“method of foumula”（方劑使用方法）和“strength of recommand”（推薦度）兩個(gè)屬性，并為其添加“日1 劑，水煎服，早晚分服，每次25～40 ml”和“強(qiáng)推薦”的屬性，在注釋欄添加加減情況，這樣就構(gòu)成了“銀翹散合麻杏石甘湯”的實(shí)例。

1.2.4 一致性檢驗(yàn) 本體推理檢驗(yàn)是判斷類(lèi)的從屬關(guān)系是否正確，實(shí)例是否屬于該類(lèi)，如本體具有一致性，則會(huì)根據(jù)語(yǔ)義關(guān)系推理出“中藥”沒(méi)有設(shè)置的屬性，如果不具有內(nèi)在邏輯的一致性，則會(huì)報(bào)錯(cuò)。使用推理機(jī)插件Pellet 進(jìn)行推理檢驗(yàn)，根據(jù)推理得出，中藥類(lèi)中的實(shí)例“連翹”組成了“三拗湯合蔥豉湯”和“銀翹散合麻杏石甘湯”，該本體通過(guò)了內(nèi)部的一致性檢驗(yàn)。見(jiàn)圖5。

1.3 知識(shí)庫(kù)可視化

1.3.1 工具 Protégé 自帶的可視化功能易造成圖像重疊[15]，并且不適合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的可視化，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)文檔（data-driven documents，D3.js）庫(kù)是一個(gè)基于數(shù)據(jù)的JavaScript 庫(kù)[16]，能高效地操作基于數(shù)據(jù)的Web 文檔，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。WebVOWL 是一款本體可視化編輯器[17]，本研究使用D3.js 庫(kù)，并將本體通過(guò)WebVOWL展示。

1.3.2 可視化方法 使用Java 開(kāi)發(fā)工具包并為其配置環(huán)境變量，將Protégé 中構(gòu)建的本體文件導(dǎo)出為OWL文件格式[18-20]，使用Java 項(xiàng)目管理工具M(jìn)aven[21-22]構(gòu)建肺炎喘嗽本體項(xiàng)目的Jar 包。最后，在命令中部署好D3.js[23-24]包，將json 的本體文件導(dǎo)入WebVOWL 中完成可視化。

1.3.3 可視化結(jié)果 肺炎喘嗽本體類(lèi)和類(lèi)目可視化的結(jié)果如圖6 所示，圖中肺炎喘嗽為中心，線段上的注釋為本體的對(duì)象屬性，灰色圖塊的注釋為數(shù)據(jù)屬性和數(shù)據(jù)類(lèi)型，“Thing”為實(shí)例的集合。部分肺炎喘嗽本體實(shí)例的可視化結(jié)果如圖7 所示，圖中可以清晰看出類(lèi)、實(shí)例的關(guān)系，如中醫(yī)證型-常證-風(fēng)熱閉肺證、方劑-銀翹散合麻杏石甘湯、中成藥-小兒肺熱咳喘顆粒之中，可看出證型和方劑、中成藥的聯(lián)系。

圖6 肺炎喘嗽本體類(lèi)和類(lèi)目可視化圖譜

圖7 肺炎喘嗽實(shí)例可視化圖

2 討論

在兒科領(lǐng)域乃至中醫(yī)領(lǐng)域都較缺乏本體技術(shù)、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言等新興應(yīng)用的研究。構(gòu)建小兒肺炎喘嗽本體知識(shí)庫(kù)難點(diǎn)在于對(duì)眾多權(quán)威診療資料、多版本教材中信息的提取，在如何利用本體和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合上提供技術(shù)支持。

本研究采用本體工具Protégé，使用OWL 語(yǔ)言定義、整理小兒肺炎喘嗽專(zhuān)家診療指南等權(quán)威資料提取出的31 個(gè)類(lèi)、17 個(gè)對(duì)象屬性和6 個(gè)數(shù)據(jù)屬性，并可以自主的為其添加實(shí)例，類(lèi)和實(shí)例都有明確的定義，并通過(guò)本體一致性檢驗(yàn)，使用Java 程序語(yǔ)言的D3.js 庫(kù)實(shí)現(xiàn)可視化功能和交互功能，通過(guò)創(chuàng)建的本體規(guī)則進(jìn)行本體推理或?yàn)槠涮砑有碌膶?shí)例，可以通過(guò)推理得出新的規(guī)則。

本研究在實(shí)現(xiàn)知識(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的基礎(chǔ)上展望未來(lái)，將來(lái)可以發(fā)展成為檢索、推薦、問(wèn)答和決策服務(wù)等各種語(yǔ)義服務(wù)的主要知識(shí)庫(kù)，并在未來(lái)形成兒科系統(tǒng)疾病本體、兒科疾病專(zhuān)家診療系統(tǒng)等。