基于模糊推理中醫(yī)診斷專家系統(tǒng)

郭曉軍，高磊磊

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

基于模糊推理中醫(yī)診斷專家系統(tǒng)

郭曉軍，高磊磊

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

簡要分析了目前中醫(yī)診斷所面臨的問題，提出了解決現(xiàn)有問題的專家系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了模糊推理技術(shù)在中醫(yī)專家診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用，闡述了系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)，同時構(gòu)建了系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊和結(jié)構(gòu)流程圖，并分析了系統(tǒng)的特點及其優(yōu)勢。

模糊推理;專家系統(tǒng);推理機(jī)制

中醫(yī)專家系統(tǒng)是人工智能領(lǐng)域的重要組成部分，它是某個領(lǐng)域具有專家水平解決問題能力的計算機(jī)程序。近年來中醫(yī)專家系統(tǒng)發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，有許多科研單位專門研究專家系統(tǒng)，希望借此能促進(jìn)我國的中醫(yī)事業(yè)實現(xiàn)跨越式的發(fā)展，但學(xué)術(shù)界對中醫(yī)診斷專家系統(tǒng)并沒有給出統(tǒng)一的定義，其診斷的過程也并不是特別的明確，所以專家系統(tǒng)的最終目的是為了服務(wù)大眾，并對臨床診療給予詳細(xì)的補(bǔ)充。

1 中醫(yī)診斷系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

所謂中醫(yī)專家系統(tǒng)(Traditional Medicine Expert System，TMES)［1］，它是把名老中醫(yī)的臨床經(jīng)驗加以總結(jié)和歸納，輸入電子計算機(jī)，制成軟件，從而使計算機(jī)能模擬名老中醫(yī)來給病人治病。我國中醫(yī)專家系統(tǒng)的研究始于1978年北京中醫(yī)學(xué)院和有關(guān)電子計算機(jī)單位合作研制的老中醫(yī)關(guān)幼波治療肝病的診療系統(tǒng)。

20世紀(jì)90年代以后，專家學(xué)者對中醫(yī)診斷專家系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)進(jìn)行了更加深入的研究，更多采用先進(jìn)人工智能技術(shù)，如應(yīng)用模糊判別模式、協(xié)同分布式、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和決策樹以及基于信息嫡的決策樹算法進(jìn)行中醫(yī)診斷專家系統(tǒng)開發(fā)研究。

到目前為止，國內(nèi)外學(xué)者對中醫(yī)診斷專家系統(tǒng)的研究雖然有了巨大的進(jìn)步，但是總的研究還不夠深入和全面，離實際應(yīng)用還有一定的差距。

中醫(yī)藥學(xué)近百年發(fā)展緩慢，關(guān)鍵的原因在于對海量數(shù)據(jù)信息的采集、存儲、使用的技術(shù)落后。借助于計算機(jī)的專家系統(tǒng)能夠輕松實現(xiàn)一次輸入多次調(diào)用，同時對于疾病名稱、藥品名稱、計量單位等確定不變的內(nèi)容，可以設(shè)置成選擇的方式，從而避免了人為輸入的錯誤。信息技術(shù)是中醫(yī)藥發(fā)展的技術(shù)支撐，建立數(shù)字化中醫(yī)診斷系統(tǒng)，不僅可以從根本上解決制約中醫(yī)藥發(fā)展的方法與技術(shù)手段問題，同時也可以解決長期困擾中醫(yī)藥的＇繼承與創(chuàng)新＇問題。數(shù)字化的中醫(yī)診斷系統(tǒng)是中醫(yī)藥實現(xiàn)跨越式發(fā)展的必由之路。

2 專家系統(tǒng)

從本質(zhì)上講，專家系統(tǒng)是一種模擬人類專家解決領(lǐng)域問題的計算機(jī)程序［2］，其內(nèi)部含有大量的某個領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R與經(jīng)驗(即數(shù)據(jù))，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來處理該領(lǐng)域問題。一個專家系統(tǒng)的性能水平的高低取決于它所包含的知識庫的大小和解決問題的能力的大小，其技術(shù)還處于不斷發(fā)展的時期，因此專家系統(tǒng)還沒有一個固定不變的模式。依據(jù)當(dāng)前人們普遍的認(rèn)識以及現(xiàn)有的發(fā)展?fàn)顩r，通常，以規(guī)則為基礎(chǔ)，以問題求解為中心的專家系統(tǒng)主要包括以下5個部分:知識庫(Knowledge Base)、推理機(jī)(Inference Engine)、數(shù)據(jù)庫(Data Base)、人機(jī)交互界面(Man－Machine Interface)、知識獲取(Knowledge Acquisition)［3］。

專家系統(tǒng)各個部分之間的邏輯關(guān)系如圖1所示。

圖1 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 知識庫(Knowledge Base)

知識庫是專家系統(tǒng)極其重要的組成部分，其質(zhì)量的好壞直接影響專家系統(tǒng)質(zhì)量的好壞，知識庫的主要功能是存儲和管理專家系統(tǒng)中的知識。該系統(tǒng)知識庫中知識的獲取一方面是根據(jù)專家們的臨床經(jīng)驗的總結(jié)，匯總到知識庫中。另一方面是該領(lǐng)域內(nèi)收錄的相關(guān)學(xué)術(shù)著作。

2.2 推理機(jī)(Inference Engine)或推理控制機(jī)制

基本的推理規(guī)則有假言推理、拒取式推理、假言三段論推理等。在該專家系統(tǒng)中主要用的是模糊假言推理 FMP(Fuzzy Modus Ponens)［4－5］。

模糊假言推理:設(shè)模糊集 A∈ F(U)，B∈F(V)，且它們具有如下關(guān)系:

若有模糊集A'∈F(U)，并且A與A'可以進(jìn)行模糊匹配，則可推出y is B'，B'∈F(V)。這樣的推理稱為模糊假言推理?？杀硎緸?/p>

規(guī)則/知識:IF x is A THEN y is B證據(jù)/事實:x is A'推理結(jié)論:y is B'

2.3 數(shù)據(jù)庫(Data Base)

數(shù)據(jù)庫是專家系統(tǒng)中用于存放數(shù)據(jù)的場所，其中包括用戶的個人信息、診斷信息、治療信息等所有的信息。數(shù)據(jù)庫海量信息處理能力和專家系統(tǒng)的推理能力，二者取長補(bǔ)短，才使得專家診斷系統(tǒng)作用的充分發(fā)揮。

2.4 人機(jī)交互界面(Man－Machine Interface)

人機(jī)交互界面是人與計算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口。人機(jī)交互界面負(fù)責(zé)把用戶輸入的信息轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)內(nèi)部規(guī)范化的表示形式，然后把這些數(shù)據(jù)交給相應(yīng)的模塊去處理。系統(tǒng)輸出的內(nèi)部信息通過系統(tǒng)界面轉(zhuǎn)換成用戶易于理解的外部表現(xiàn)形式顯示給用戶。

2.5 知識獲取(Knowledge Acquisition)

知識獲取模塊是專家系統(tǒng)將專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的實時性知識和專家們的臨床經(jīng)驗知識轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可以利用的形式并輸入到知識庫中。同時也負(fù)責(zé)對知識庫的增加、修改和刪除。隨著知識的更新，用戶通過知識獲取模塊可以隨時更新、修改知識庫里的內(nèi)容，實現(xiàn)了系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性。

3 中醫(yī)診斷專家系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)功能模塊

本系統(tǒng)的開發(fā)方案背景是根據(jù)某醫(yī)院慢性腎病診斷具體功能需求開發(fā)的，整個系統(tǒng)由4大功能模塊組成:系統(tǒng)設(shè)置模塊、基礎(chǔ)設(shè)置模塊、患者管理模塊和醫(yī)生管理模塊。中醫(yī)診斷系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 中醫(yī)診斷系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)組成

3.2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊

a.動態(tài)處方模塊。

該系統(tǒng)的主要功能是通過知識庫中腎病主要的癥狀表現(xiàn)，列出腎病表現(xiàn)的主要癥狀，然后分別給出每個癥狀的具體表現(xiàn)，參照國家標(biāo)準(zhǔn)和臨床經(jīng)驗給出每項癥狀的分值;列出可能患該癥狀的所有具體的主癥和次癥，再根據(jù)病人的具體情況進(jìn)行選擇。把所選擇的數(shù)據(jù)提交給專家系統(tǒng)，專家系統(tǒng)通過一系列的邏輯運(yùn)算得出符合這些臨床表現(xiàn)的中醫(yī)病名，并同時給出一些符合要求的推薦處方。如果醫(yī)生覺得其中的藥材不是很完善，醫(yī)生可根據(jù)患者的臨床表現(xiàn)和自己的臨床經(jīng)驗增添或修改某些藥材及數(shù)量，給出應(yīng)用處方。動態(tài)處方流程如圖3所示。

圖3 動態(tài)處方流程圖

b.診斷標(biāo)準(zhǔn)添加模塊。

當(dāng)某一種處方經(jīng)過大量臨床實踐能作為標(biāo)準(zhǔn)使用的時候，管理員通過權(quán)限配置賦予某人有添加標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)限［6］，通過系統(tǒng)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)化的添加新標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行操作。首先把新的標(biāo)準(zhǔn)添加到專家系統(tǒng)中，提請上級主管審核。上級主管未能通過，則不能添加。上級主管審核通過后，由上級主管再提請最高級主管審核。審核全部通過以后，該臨床經(jīng)驗就能作為標(biāo)準(zhǔn)添加到系統(tǒng)知識庫，從而實現(xiàn)經(jīng)驗的共享。標(biāo)準(zhǔn)添加流程如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)添加流程圖

c.模糊推理模塊。

專家系統(tǒng)中的模糊推理工作機(jī)理［7］是把專家解決問題的過程編寫成計算機(jī)程序，把專家們的知識和思維賦予計算機(jī)，利用計算機(jī)擅長的運(yùn)算速度快、精度高，輔助醫(yī)療工作者進(jìn)行診斷治療。其主要工作原理是根據(jù)知識庫構(gòu)造對象對于集合的隸屬關(guān)系，根據(jù)隸屬關(guān)系建立模糊診斷矩陣［8］，醫(yī)生把患者具體的癥兆輸入到電腦中，專家系統(tǒng)根據(jù)這些信息得出具體的結(jié)論，模糊診斷流程如圖5所示。

圖5 模糊診斷流程

3.3 系統(tǒng)的特點

安全可靠。系統(tǒng)對所有的數(shù)據(jù)輸入都進(jìn)行完整性和一致性檢查，不但保證了數(shù)據(jù)庫級的安全性，還保證了程序級的安全性。系統(tǒng)管理員通過用戶權(quán)限設(shè)置，對各操作員進(jìn)行統(tǒng)一授權(quán)管理，確保了系統(tǒng)的安全性和保密性。本系統(tǒng)使用SQL Server數(shù)據(jù)庫，便于海量數(shù)據(jù)的存儲。

適應(yīng)性強(qiáng)。該系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)置模塊具有增刪查改的功能，能根據(jù)不同地域病人的特點更改、添加、修改診斷標(biāo)準(zhǔn)和處方標(biāo)準(zhǔn)，能夠方便快捷地更新專家?guī)炖锩娴闹R，使系統(tǒng)能夠靈活地適應(yīng)不同的環(huán)境。在兼容性方面，系統(tǒng)采用JavaEE架構(gòu)，利用Java虛擬機(jī)能夠在幾種主流的操作系統(tǒng)和主流瀏覽器上使用。

界面友好，功能強(qiáng)大，操作簡單。整個系統(tǒng)操作流程設(shè)計完全按照醫(yī)院目前實際的工作流程設(shè)計的，使用者很容易上手。系統(tǒng)使用SQL Server數(shù)據(jù)庫，能實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲，實現(xiàn)一次輸入可重復(fù)調(diào)用，減輕醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度，降低出錯的概率，同時提供精確查詢、模糊查詢等功能，方便實際應(yīng)用。

4 結(jié)束語

本文基于模糊推理的中醫(yī)診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)了從手工抄寫到無紙化辦公一次跨越。使用標(biāo)準(zhǔn)化的管理流程，使管理更加規(guī)范化。本系統(tǒng)充分利用數(shù)據(jù)庫的特點，把專家系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫有機(jī)地結(jié)合起來，它的知識來源于中醫(yī)專家們豐富的臨床經(jīng)驗和完整的中醫(yī)理論知識體系，同時借助計算機(jī)安全準(zhǔn)確的特點，因而其診斷的正確率很高，有應(yīng)用推廣的價值。系統(tǒng)的不足之處，在于知識庫的更新很難跟上疾病的變化，同時無法分辨每個人身體狀況的細(xì)微差異，目前只能用作診斷治療時的參考。

［1］趙剛，李剛榮.基于B/S構(gòu)架的中醫(yī)科醫(yī)生工作站軟件的設(shè)計［J］.重慶醫(yī)學(xué)，2007(2):112－113.

［2］JosephGiarratano，GaryRiley.專家系統(tǒng)原理與編程［M］.印鑒，劉星成，湯庸，等譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］曾照芳，安琳.新型中醫(yī)專家系統(tǒng)的構(gòu)建及應(yīng)用研究［J］.遼寧中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報，2009(10):9－11.

［4］劉普寅，吳孟達(dá).模糊理論及其應(yīng)用［M］.長沙:國防科技大學(xué)出版社，1998.

［5］楊綸標(biāo)，高英儀.模糊數(shù)學(xué)原理及應(yīng)用［M］.廣州:華南理工大學(xué)出版社，2004.

［6］姜志紅，須德.基于Web的信息系統(tǒng)的用戶權(quán)限設(shè)置策略［J］.北方交通大學(xué)學(xué)報，2001(2):33 －36.

［7］雷軍程.基于模糊推理的網(wǎng)絡(luò)故障診斷研究［J］.計算機(jī)時代，2011(12):17 －18.

［8］劉曉慧，佟偉光，林樹寬.基于模糊推理的專家系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［J］.沈陽工程學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2007(2):162－165.

The Expert System of Traditional Chinese Medicine Diagnosis Based on Fuzzy Reasoning

GUO Xiaojun，GAO Leilei
(Tianjin University of Technology and Education，Tianjin，300222，China)

Based on analysis of the current traditional Chinese medicine diagnosis problems，it presents the expert system.It introduces the fuzzy reasoning technology in the application of traditional Chinese medicine diagnosis expert system，builds the structure and composition of system，shows the structures key modules and the system flow diagram，and analyzes the characteristics and advantages of the system.

Fuzzy Reasoning;Expert System;Reasoning Mechanism

TP319

A

2095－509X(2013)05－0063－04

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.05.016

2013－01－24

郭曉軍(1969—)，男，山西長治人，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)教授，主要研究方向為制造業(yè)信息化。