李大碩，張宏軍，程愷，徐有為，王航，李逸林

(1.陸軍工程大學(xué)指揮控制工程學(xué)院，江蘇 南京 210000；2.南京中醫(yī)藥大學(xué))

0 引言

在中醫(yī)藥領(lǐng)域，中藥方劑數(shù)據(jù)規(guī)模不斷擴大，怎樣更準確、更全面的管理及分析中藥方劑數(shù)據(jù)也成為當下中醫(yī)藥領(lǐng)域的重要研究需求[1]。當今中醫(yī)藥領(lǐng)域的研究模式正從臨床驗證總結(jié)、醫(yī)案整理，逐步發(fā)展為通過結(jié)構(gòu)化方劑數(shù)據(jù)采集，利用數(shù)據(jù)挖掘方法對中藥方劑的診治特點、用藥規(guī)律進行多維度的模式[2]。這也符合《中醫(yī)藥發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃綱要（2016-2030）》中對當前中醫(yī)藥數(shù)據(jù)分析提出的需求。

為研究中藥方劑潛在的配伍規(guī)律，優(yōu)化中藥方劑數(shù)據(jù)分析流程，需要完成以下工作：①研究中醫(yī)藥領(lǐng)域數(shù)據(jù)資源特點，分析系統(tǒng)建設(shè)需求；②由給出系統(tǒng)從總體架構(gòu)到技術(shù)細節(jié)的設(shè)計方案，包括系統(tǒng)功能設(shè)計和數(shù)據(jù)的混合存儲策略；③以中藥方劑“方-藥-證-癥”作為數(shù)據(jù)源，建立中藥方劑網(wǎng)絡(luò)；④運用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的方法，對方劑配伍過程中各要素之間的復(fù)雜相互作用進行分析，保證中藥方劑數(shù)據(jù)分析的合理性；⑤方劑網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、可視化、系統(tǒng)應(yīng)用等工程實現(xiàn)方法實踐。

1 方劑數(shù)據(jù)特點與分析需求

1.1 中藥方劑數(shù)據(jù)資源特點

我國傳統(tǒng)中醫(yī)藥具有悠久的歷史，它以其特殊的知識體系和診治方法，為人類的健康事業(yè)做出貢獻。

1.1.1 數(shù)據(jù)資源特點

中藥方劑是中醫(yī)藥預(yù)防疾病的重要手段，是中醫(yī)藥“理、法、方、藥”理論體系的重要組成部分，具有以“方-藥-證-癥”為核心的多維結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)大多只對中醫(yī)藥數(shù)據(jù)表層規(guī)律進行分析，對其深層復(fù)雜關(guān)系的研究存在局限性。中藥方劑在遵循基本的組方結(jié)構(gòu)和配伍規(guī)則下，針對不同的“證”或“癥”，按照“君、臣、佐、使”的原則來配伍，達到整體調(diào)節(jié)的作用[3]。同時，藥材又蘊含功效、藥性、藥味、歸經(jīng)等復(fù)雜屬性，中醫(yī)在辨證論治和方劑配伍方面都要綜合考慮病癥和藥材復(fù)雜性及其高度非線性關(guān)系的特點，因此，中藥方劑系統(tǒng)屬于典型的復(fù)雜系統(tǒng)[4]。

1.1.2 研究現(xiàn)狀分析

根據(jù)中醫(yī)藥領(lǐng)域業(yè)務(wù)需求，結(jié)合中藥方劑數(shù)據(jù)資源特點進行分析，可以發(fā)現(xiàn)，當前中藥方劑應(yīng)用存在以下需解決的問題。

一是復(fù)雜關(guān)系難以分析。中藥方劑是理法方藥的數(shù)據(jù)集合，具有獨特的配伍規(guī)律及非線性關(guān)系。方劑中藥材的劑量、藥味的隨證加減都有著相應(yīng)規(guī)范，但因涉及的數(shù)據(jù)關(guān)系復(fù)雜，傳統(tǒng)研究方法難以對其進行全面又深層的分析。

二是分析角度不足。在探討藥材聯(lián)系時單從藥材頻次等角度衡量，未考慮中藥方劑中藥材本身屬性對實際藥方配伍的影響，忽略了整體的相互作用，其分析存在片面性。缺少完整可靠的中藥方劑分析工具，難以得到更深層次的藥材配伍規(guī)律。

1.2 系統(tǒng)建設(shè)需求

根據(jù)現(xiàn)實中藥方劑的數(shù)據(jù)特點及存在問題，中藥方劑數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)需要將中醫(yī)藥領(lǐng)域的多元數(shù)據(jù)整合成結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)資源進行數(shù)據(jù)分析，其中涉及到“癥狀、證候、方劑、藥材”等眾多因素，這些因素之間蘊含豐富的復(fù)雜關(guān)系，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法難以有效地對數(shù)據(jù)資源進行整合。本系統(tǒng)基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論構(gòu)建中藥方劑數(shù)據(jù)模型，構(gòu)建中藥方劑領(lǐng)域?qū)I(yè)規(guī)范的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，并通過復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的分析算法實現(xiàn)中藥方劑的數(shù)據(jù)分析。將用戶角色分為系統(tǒng)管理員和系統(tǒng)用戶，系統(tǒng)管理員負責維護和管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要包括用戶數(shù)據(jù)、臨床診斷數(shù)據(jù)以及中藥方劑數(shù)據(jù)；系統(tǒng)用戶可以查詢方劑相關(guān)數(shù)據(jù)信息及獲取方劑的多種數(shù)據(jù)表達結(jié)果，并通過構(gòu)建方劑復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型獲取關(guān)鍵藥材節(jié)點以及實現(xiàn)藥材社團劃分等，進而實現(xiàn)中醫(yī)藥領(lǐng)域的智能推薦、智能問答等功能。具體需求如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)建設(shè)需求

2 系統(tǒng)設(shè)計

考慮到系統(tǒng)的可靠性和工作效率，本節(jié)著重介紹系統(tǒng)架構(gòu)、中藥方劑資源庫數(shù)據(jù)模型設(shè)計以及系統(tǒng)功能。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)需求，按照高內(nèi)聚、低耦合的系統(tǒng)設(shè)計原則，并充分考慮系統(tǒng)的可靠性、安全性、實用性等問題。在系統(tǒng)設(shè)計中，我們采用三層架構(gòu)搭建系統(tǒng)的整體框架，他們分別是數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層以及應(yīng)用層，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)層利用混合存儲策略，存儲方劑網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建分析全生命周期中的各類數(shù)據(jù)，主要包括用戶基本數(shù)據(jù)、臨床診斷數(shù)據(jù)和方劑資源庫。用戶基本數(shù)據(jù)包括用戶數(shù)據(jù)、管理員數(shù)據(jù)等；臨床診斷數(shù)據(jù)包括病例數(shù)據(jù)、診斷記錄等；方劑資源庫負責記錄中藥方劑包含的藥材、癥狀、證候等信息，是中藥方劑復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，實現(xiàn)對系統(tǒng)建設(shè)需求的支撐。業(yè)務(wù)層提供系統(tǒng)實現(xiàn)的具體業(yè)務(wù)邏輯，主要包括系統(tǒng)用到的自然語言處理技術(shù)與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)，將臨床診斷數(shù)據(jù)與方劑資源庫數(shù)據(jù)進一步處理成結(jié)構(gòu)化，體系化的數(shù)據(jù)，為中藥方劑數(shù)據(jù)分析提供支撐。應(yīng)用層在中藥方劑復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的基礎(chǔ)上，主要負責系統(tǒng)的方劑分析、藥材推薦[5]、智能問答等應(yīng)用。

2.2 數(shù)據(jù)模型

中藥方劑資源庫數(shù)據(jù)模型設(shè)計是實現(xiàn)中藥方劑數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的重要一步，中藥方劑數(shù)據(jù)從各類形式轉(zhuǎn)變?yōu)闃藴驶?、?guī)范化的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，需要建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型。根據(jù)上述中藥方劑數(shù)據(jù)資源特點和系統(tǒng)需求分析，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)模型設(shè)計。以中藥方劑資源庫的概念模型為例展示系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型設(shè)計方法，資源庫ER圖3如下。

圖3 資源庫ER圖

2.3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)的用戶主要分為兩類。普通用戶只能查看系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中存儲的內(nèi)容以及對方劑數(shù)據(jù)進行分析。而系統(tǒng)管理員除了能查看數(shù)據(jù)以外，還擁有數(shù)據(jù)管理的權(quán)限。根據(jù)系統(tǒng)需求分析的結(jié)果，將系統(tǒng)功能模塊分為以下四個部分，系統(tǒng)的功能模塊圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能模塊圖

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊包括用戶數(shù)據(jù)管理、臨床診斷數(shù)據(jù)管理、方劑數(shù)據(jù)管理和方劑分析數(shù)據(jù)管理等子功能模塊。用戶數(shù)據(jù)模塊用于管理系統(tǒng)用戶相關(guān)數(shù)據(jù)，以支持用戶對系統(tǒng)的使用；臨床診斷數(shù)據(jù)模塊用于存儲中醫(yī)臨床診斷過程中的病例數(shù)據(jù)及相關(guān)用藥記錄；方劑數(shù)據(jù)模塊負責管理數(shù)據(jù)庫中的中藥方劑數(shù)據(jù)信息，主要包括藥方涉及到的癥狀、證候、疾病等數(shù)據(jù)；分析數(shù)據(jù)模塊用于存儲中藥方劑分析過程中產(chǎn)生的相關(guān)方劑數(shù)值。

藥方數(shù)據(jù)表達模塊主要負責對系統(tǒng)基礎(chǔ)方劑數(shù)據(jù)進行整合，并以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的方式進行構(gòu)建和存儲，在構(gòu)建中藥方劑復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，以圖表形式實現(xiàn)中醫(yī)藥方數(shù)據(jù)表達，為中藥方劑復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的分析計算提供幫助。

數(shù)據(jù)分析挖掘模塊對中藥方劑進行數(shù)據(jù)分析、挖掘，在中藥方劑復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的基礎(chǔ)上進行分析計算，主要包括藥材貢獻度計算、藥性相似度計算、藥材關(guān)鍵節(jié)點發(fā)現(xiàn)、關(guān)聯(lián)藥材推薦[6]、藥方社團劃分等子功能模塊，可根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求開發(fā)新的功能模塊，不斷完善數(shù)據(jù)分析挖掘子模塊功能，拓展數(shù)據(jù)挖掘在中醫(yī)藥領(lǐng)域的業(yè)務(wù)范圍。

數(shù)據(jù)可視化模塊實現(xiàn)中藥方劑的系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果的可視化，以動態(tài)交互的形式幫助工作人員更好的進行中藥方劑數(shù)據(jù)分析的查驗工作，包括方藥關(guān)系可視化、方劑相似度可視化[7]、藥性相似度可視化以及方劑聚類可視化等子功能模塊，為工作人員提供開展中藥方劑數(shù)據(jù)分析各流程業(yè)務(wù)活動的交互界面。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)

系統(tǒng)主要側(cè)重于建立統(tǒng)一規(guī)范的中藥方劑領(lǐng)域復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建流程，輔助專業(yè)人員分析藥材配伍規(guī)律，為中醫(yī)臨床診治提供幫助。因此，我們著重介紹中藥方劑網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與存儲、方劑網(wǎng)絡(luò)的分析與計算以及可視化等系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 中藥方劑網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計

中藥方劑復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計是本系統(tǒng)設(shè)計過程中最為關(guān)鍵和重要的環(huán)節(jié)，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計是分析中藥方劑數(shù)據(jù)特征的有效手段[8]。結(jié)合中藥方劑復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析中關(guān)鍵節(jié)點發(fā)現(xiàn)和社團劃分等任務(wù)，對中藥方劑數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計。

方劑復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點和關(guān)系組成，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由系統(tǒng)資源庫的概念模型決定，在綜合考慮系統(tǒng)應(yīng)用場景和數(shù)據(jù)庫性能的前提下設(shè)計復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型。系統(tǒng)結(jié)合癥狀信息數(shù)據(jù)、證候信息數(shù)據(jù)、藥材信息數(shù)據(jù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型的設(shè)計按照以下兩個原則：一是能夠表示整個中藥方劑關(guān)系網(wǎng)絡(luò)；二是能夠提高數(shù)據(jù)庫的查詢效率。中藥方劑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以抽象為癥狀、證候、藥材等實體通過藥材相互作用關(guān)系、連接頻次關(guān)系等構(gòu)成的一張網(wǎng)絡(luò)，中藥方劑復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計如圖5所示。

圖5 中藥方劑復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型

3.2 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與存儲

考慮到方劑網(wǎng)絡(luò)的表征能力以及在查詢使用中的效率。對于方劑復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中表存儲在處理復(fù)雜關(guān)系時，存在多表操作和深層查詢等問題，因此表查詢操作較于圖查詢更繁瑣。而Neo4j 圖數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)主要為節(jié)點和關(guān)系，為此要在表存儲結(jié)構(gòu)與圖存儲結(jié)構(gòu)之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。中藥方劑復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點與關(guān)系結(jié)構(gòu)見圖6。網(wǎng)絡(luò)包含節(jié)點和關(guān)系兩類，節(jié)點包含藥材、癥狀、證候、藥方；關(guān)系包含組成、治療、配伍。節(jié)點都有相應(yīng)的屬性、標簽及主鍵，如藥材節(jié)點存儲了藥材編號、藥材名稱、藥材藥味、藥材藥性、藥材功效等屬性，作為主鍵的藥材編號是藥材節(jié)點的唯一標識，節(jié)點具有多個標簽；網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)系用于存儲屬性及類型。基于此研究的基礎(chǔ)上完成數(shù)據(jù)從表存儲到圖存儲的轉(zhuǎn)化，在中藥方劑復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中更好的發(fā)揮圖數(shù)據(jù)庫查詢的優(yōu)勢。

圖6 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、關(guān)系、屬性

方劑復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)由關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL 經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，按照復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型進行圖存儲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化形成。圖數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)導(dǎo)入方式有多種形式，其中包括Cyphter create 語句、Cypher load csv 語句、Py2neo、neo4j-import、neo4j-admin、neo4j-apocload 等。系 統(tǒng)采用Py2neo 對Neo4j 圖數(shù)據(jù)庫進行操作，以新冠肺炎藥方為例，導(dǎo)入相關(guān)數(shù)據(jù)節(jié)點、關(guān)系以及屬性。數(shù)據(jù)導(dǎo)入完成后會在指定路徑下生成圖數(shù)據(jù)庫。打開Neo4j 服務(wù)，對配置文件中數(shù)據(jù)庫位置進行修改，輸入網(wǎng)址（http://localhost:7474/browser/）連接到指定數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和查詢。根據(jù)圖所述的中藥方劑網(wǎng)絡(luò)模型進行復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建模，對Mysql 數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)抽取及特征分析等操作，基于py2neo 庫進行方劑數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，在前端界面實現(xiàn)圖數(shù)據(jù)庫的查詢和可視化操作，如圖7所示。

圖7 圖數(shù)據(jù)庫Neo4j界面

3.3 可視化

系統(tǒng)基于PyQt 工具包，使用Python3.7 版本在Pycharm 中編寫程序，數(shù)據(jù)可視化工具采用PyEcharts。PyQt是用于跨平臺的GUI程序開發(fā)的工具包，將強大的GUI庫與Python語言結(jié)合，利用QtDesigner設(shè)計主界面，生成的UI 文件可以轉(zhuǎn)換成Python 文件。QtDesigner可以直接設(shè)計系統(tǒng)UI 界面，還可以將主程序與UI 界面分離開來，使得UI 界面設(shè)計與主程序開發(fā)互不影響。PyEcharts 是Python 開發(fā)中用來生成Echarts 類的第三方庫，是Python 的一個可視化框架，內(nèi)置了30 多種常見圖表，通過高度靈活的配置項，設(shè)計出精美的圖表，為中藥方劑數(shù)據(jù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)構(gòu)可視化提供強有力的支持。以新冠肺炎藥方數(shù)據(jù)為例，中藥方劑數(shù)據(jù)分析中聚類可視化效果如圖8所示。

圖8 聚類可視化

根據(jù)實驗結(jié)果可以看出，系統(tǒng)采取的可視化方案對中藥方劑復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析的展示效果較好，充分滿足系統(tǒng)需求。

3.4 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)應(yīng)用主要包括方劑分析、藥材推薦、智能問答等三個大方向，方劑分析研究分為關(guān)鍵節(jié)點分析、社團劃分等功能模塊，以系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點分析功能為例，實現(xiàn)“藥方-藥材”復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵藥材節(jié)點計算。通過新冠肺炎藥方數(shù)據(jù)，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點中心性所涉及的算法。比如：度中心性、中介中心性、接近中心性、特征向量中心性等，來對中藥節(jié)點中某些重要特征做科學(xué)有效的細致分析。期望可以從現(xiàn)有藥方數(shù)據(jù)中挖掘出藥材關(guān)鍵節(jié)點。藥材節(jié)點對應(yīng)的中心性值越高，則表明該節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)的位置越重要，也意味著該藥材節(jié)點在方劑中發(fā)揮著重要的作用。

新冠肺炎方劑數(shù)據(jù)的關(guān)鍵節(jié)點分析結(jié)果如圖9。

圖9 方劑數(shù)據(jù)關(guān)鍵節(jié)點分析結(jié)果圖

由系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點計算結(jié)果可知，黃芪、金銀花以及防風(fēng)等藥材在新冠肺炎方劑中具有較高中心性值，并且對于重要節(jié)點的度中心性、接近中心性和特征向量中心性等具有相似的排名?？梢缘贸觯S芪、金銀花和防風(fēng)是治療新冠肺炎的關(guān)鍵藥材。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)現(xiàn)實中藥方劑復(fù)雜關(guān)系的數(shù)據(jù)特點及實際應(yīng)用，提出了中藥方劑數(shù)據(jù)分析研究系統(tǒng)建設(shè)需求及總體設(shè)計，對系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進行研究，通過構(gòu)建新冠肺炎方劑的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)并進行網(wǎng)絡(luò)分析，驗證了該系統(tǒng)設(shè)計的可行性和正確性。本文的研究工作對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究在中藥方劑數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的現(xiàn)實應(yīng)用中具有一定的價值，可有效地幫助中醫(yī)藥領(lǐng)域?qū)＜曳治鲋兴幏絼┨N含的復(fù)雜數(shù)據(jù)關(guān)系。接下來，還需要進一步研究中醫(yī)藥領(lǐng)域復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法在系統(tǒng)中的應(yīng)用，并結(jié)合實際應(yīng)用完善系統(tǒng)算法，同時對中藥方劑復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)社團劃分等功能進行完善。