可拓疾病治療方案生成系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

葉廣仔，陳俞強(qiáng)

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院人工智能學(xué)院，東莞 523808）

0 引言

對于患者來說，某種疾病治療方案往往由主治醫(yī)生來確定，醫(yī)生的專業(yè)知識及經(jīng)驗決定了患者疾病的治療效果。這種診斷方式缺乏客觀化和定量化的度量，容易受人為因素（如專業(yè)知識、臨床經(jīng)驗等）的干擾。因此，為了減少因醫(yī)生對某種疾病的專業(yè)知識及經(jīng)驗不足而影響患者的治療，研究一種針對特定疾病生成治療方案的方法是十分必要的。

可拓創(chuàng)新方法［1］是一種用形式化的模型研究事物拓展的可能性與開拓創(chuàng)新的方法，通過對研究對象進(jìn)行拓展分析、可拓變換、優(yōu)度評價等，來生成解決各種矛盾問題的形式化、定量化創(chuàng)新方法［2］?，F(xiàn)階段可拓學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域主要用于病因分析及疾病識別，如文獻(xiàn)［3］研究利用可拓理論分析外感燥證的相關(guān)病因因素。文獻(xiàn)［4］研究運(yùn)用可拓理論和方法實現(xiàn)精神疲勞的識別，但還沒涉及疾病治療方案生成及評優(yōu)等方面的研究。為此，本文提出根據(jù)可拓創(chuàng)新方法的相關(guān)理論，構(gòu)建基于可拓創(chuàng)新方法疾病治療方案生產(chǎn)框架模型，并以強(qiáng)直性脊柱炎［5］疾病為例證明可拓疾病治療方案生成系統(tǒng)的可行性。

本文研究的主要貢獻(xiàn)：①提出運(yùn)用可拓創(chuàng)新方法及優(yōu)度評價方法為生成疾病治療方案以及評價疾病治療方案的優(yōu)劣提供一種形式化、定量化的有效方法；②使用MVC 開發(fā)模式實現(xiàn)可拓疾病治療方案生成系統(tǒng)，并以強(qiáng)直性脊柱炎［5］為例驗證系統(tǒng)的可行性，為計算機(jī)模擬人類思維智能生成疾病治療方案進(jìn)行算法研究奠定了基礎(chǔ)。

1 可拓創(chuàng)新方法的相關(guān)概念

1.1 關(guān)聯(lián)函數(shù)及關(guān)聯(lián)度

在可拓學(xué)中，關(guān)聯(lián)函數(shù)［1］用來刻畫論域中的對象具有某種性質(zhì)的程度，它能定量地、客觀地表述對象具有某種性質(zhì)的程度及其量變與質(zhì)變的過程。對某一待評價對象Z，關(guān)于某衡量指標(biāo)MI建立關(guān)聯(lián)函數(shù)k(z)，用于表示對象Z符合要求的程度，稱k(z)的取值為MI關(guān)于MI的關(guān)聯(lián)度［1］。

正域為有限區(qū)間b

（1）當(dāng)M=a時，建立簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)［6］：

（2）當(dāng)M=b時，建立簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)：

1.2 關(guān)聯(lián)函數(shù)及關(guān)聯(lián)度

優(yōu)度評價法［1］是可拓學(xué)中通過關(guān)聯(lián)函數(shù)定量化地評價一個事物、策略、方法等對象優(yōu)劣程度的方法。

1.2.1 衡量指標(biāo)

評價一個對象的優(yōu)劣必須反映出利弊的程度以及它們可能的變化情況。這就要去根據(jù)實際問題的需要，指定符合技術(shù)要求、經(jīng)濟(jì)要求和社會要求的評價標(biāo)準(zhǔn)，確定出衡量指標(biāo)［1］MI={MI1,MI2,…,MIn}，其中MIi=(ci,Vi)是特征元，ci是評價特征，Vi是數(shù)量化的閾值，其中i=1,2,…,n。

1.2.2 規(guī)范關(guān)聯(lián)度

設(shè)Z關(guān)于MI的關(guān)聯(lián)度為K(Z)，則

稱為Z關(guān)于MI的規(guī)范關(guān)聯(lián)度［1］。

1.2.3 優(yōu)度

對某一被評價對象Z，若衡量指標(biāo)集為MI={MI1,MI2,…,MIn}，Z關(guān)于MI的規(guī)范關(guān)聯(lián)度為ki(i=1,2,…,n)，MIi的權(quán)系數(shù)為αi（αi表示衡量指標(biāo)MIi的相對重要程度），且0≤α≤1。若實際問題中，要求所有衡量指標(biāo)的綜合關(guān)聯(lián)度大于0 才認(rèn)為對象符合要求Z，則優(yōu)度［1］定義為

2 可拓疾病治療方案生成系統(tǒng)的總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)框架流程

可拓疾病治療方案生成系統(tǒng)以患者的體檢相關(guān)數(shù)據(jù)作為輸入，根據(jù)疾病治療問題物元表構(gòu)建疾病問題可拓模型。如圖1所示，首先通過關(guān)聯(lián)函數(shù)式計算疾病問題相容度，如果相容，則不存在疾病治療問題；如果不相容，則存在疾病治療問題。然后通過可拓創(chuàng)新方法，根據(jù)疾病問題可拓分析表對疾病不相容問題進(jìn)行可拓分析，并根據(jù)可拓變換治療方案表對疾病問題進(jìn)行可拓變換，再根據(jù)可拓變換后的疾病問題是否可以轉(zhuǎn)換為相容問題來判定可行治療方案。最后根據(jù)治療方案優(yōu)度評價表對疾病治療方案進(jìn)行優(yōu)度評價，并獲得最優(yōu)疾病治療方案。

圖1 可拓疾病治療方案生成系統(tǒng)框架流程圖

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

可拓疾病治療方案生成系統(tǒng)主要包含五個數(shù)據(jù)庫表：疾病治療問題物元表、疾病可拓分析表、可拓變換治療方案表、疾病問題治療方案表以及治療方案優(yōu)度評價表。

表1為疾病治療物元表，主要存儲疾病及藥物的相關(guān)信息，如疾病名稱及疾病活動期等信息，以及藥物名稱及用量等信息。系統(tǒng)可根據(jù)疾病治療物元表實施可拓變換，形成疾病治療方案。

表1 疾病治療物元表

表2為疾病可拓分析表，主要存儲與疾病相關(guān)的治療藥物，在疾病可拓分析階段，可通過該表分析疾病的相關(guān)病癥，及對應(yīng)病癥的有效治療藥物，有利于后續(xù)通過可拓變換生成疾病治療方案。

表2 疾病可拓分析表

表3為可拓變換治療方案表，主要存儲藥物用量、疾病病癥以及疾病活動期的傳導(dǎo)變換及變換后情況。根據(jù)疾病可拓分析得到藥物、病癥、疾病活動期的相關(guān)性，通過變換藥物的物元用量特征值，獲得物元特征值變換對疾病病癥及活動期的影響程度。

表3 可拓變換治療方案表

表4疾病問題治療方案表，主要用于存儲通過可拓變生成的可行治療方案，利用傳導(dǎo)變換的原理，根據(jù)傳導(dǎo)變換后疾病活動期的變換情況，計算疾病問題的相容度，如果疾病問題從不相容問題變換為相容問題，則治療方案可行。

表4 疾病問題治療方案表

表5治療方案優(yōu)度評價表，主要存儲各可行治療方案的評價指標(biāo)值，系統(tǒng)可根據(jù)該表中各治療方案的評價指標(biāo)值，結(jié)合患者自身對評價指標(biāo)的權(quán)重設(shè)置，計算出各個治療方案的優(yōu)度，從而提供最適合患者的個性化治療方案。

表5 治療方案優(yōu)度評價表

3 可拓疾病治療方案生成系統(tǒng)的案例實現(xiàn)

在已有條件下目標(biāo)不能實現(xiàn)的問題，稱為不相容問題，可拓創(chuàng)新方法是一種通過形式化、定量化的方式解決不相容問題的方法。強(qiáng)直性脊柱炎是以骶髂關(guān)節(jié)炎及中軸關(guān)節(jié)病變?yōu)樘卣鞯穆匝装Y性疾病，是脊柱關(guān)節(jié)病的最常見類型［5］。下面以強(qiáng)直性脊柱炎疾病為例，介紹可拓疾病治療方案生成系統(tǒng)的疾病治療方案生成過程。

該系統(tǒng)使用Web 前端開發(fā)技術(shù)［7］，使用MVC 開發(fā)模式［8］實現(xiàn)疾病治療方案的生成。主要運(yùn)用HTML5 實現(xiàn)交互界面的布局，通過jQuery 技術(shù)及相關(guān)插件完成前端數(shù)據(jù)的獲取及傳遞，并利用PHP 技術(shù)實現(xiàn)治療方案生成的相關(guān)業(yè)務(wù)功能及數(shù)據(jù)庫表的操作。

3.1 疾病問題模型構(gòu)建

打開瀏覽器，訪問可拓疾病治療方案生成系統(tǒng)的服務(wù)器主頁（如圖2所示）。

圖2 疾病問題模型構(gòu)建界面

首先，在“疾病名稱”列表選取病人的疾病，在“疾病狀態(tài)”列表選取病人疾病的現(xiàn)狀，在“治療目標(biāo)”中選擇期望治療效果。然后，點(diǎn)擊“疾病問題相容度計算”按鈕，計算病人疾病現(xiàn)狀與治療目標(biāo)的相容度。譬如疾病現(xiàn)狀為“疾病中度活動期”，疾病治療目標(biāo)為“疾病非活動期”，則疾病治療問題為不相容問題，需要點(diǎn)擊“疾病問題拓展分析”按鈕，對疾病治療方案相關(guān)因素進(jìn)行分析。

3.2 疾病問題可拓分析

進(jìn)入疾病問題可拓分析頁面，分析病人疾病的相關(guān)病癥以及對應(yīng)治療藥物。該頁面可輔助醫(yī)務(wù)人員分析病人疾病的病因，以及疾病的可用藥物。詳情如圖3所示。

圖3 疾病問題可拓分析界面

如強(qiáng)直性脊柱炎在西醫(yī)領(lǐng)域歸類為“強(qiáng)直性脊柱炎”，在中醫(yī)領(lǐng)域被歸類為“腎痹癥”［9］。西醫(yī)治療該疾病的藥物主要有非甾體抗炎藥［10］、抗風(fēng)濕藥物［11］以及生物制劑藥物［12］。中醫(yī)治療該疾病的方法主要有內(nèi)服中藥［13］、外治針石［14］。

3.3 疾病問題可拓變換

進(jìn)入疾病問題可拓變換頁面，醫(yī)務(wù)人員可在該頁面制定病人的疾病治療方案。

（1）確定治療方案效果：對于強(qiáng)直性脊柱炎，醫(yī)務(wù)人員如果僅僅采取口服塞來昔布400毫克/天的治療方案，則不可以解決病人的疾病問題，不能達(dá)到在疾病問題模型構(gòu)建頁面中預(yù)設(shè)的治療目標(biāo)，詳情如圖4所示。

圖4 衡量治療方案效果界面

（2）儲備可行疾病治療方案：對于強(qiáng)直性脊柱炎，醫(yī)務(wù)人員如果采取口服柳氮磺吡啶2000 毫克/天，結(jié)合內(nèi)服陽和湯1 劑/天的治療方案，則可以解決病人的疾病問題，達(dá)到在疾病問題模型構(gòu)建頁面中預(yù)設(shè)的治療目標(biāo)。此時，醫(yī)務(wù)人員可以點(diǎn)擊“疾病治療方案儲備”按鈕，把服柳氮磺吡啶2000 毫克/天，內(nèi)服陽和湯1劑/天的治療方案儲備為備選方案。同理，醫(yī)務(wù)人員可以選取多個可行治療方案作為備選方案。當(dāng)確定好所有可行的疾病治療備選方案后，點(diǎn)擊“疾病治療方案優(yōu)度評價”。詳情如圖5所示。

圖5 儲備可行疾病治療方案界面

3.4 治療方案優(yōu)度評價

進(jìn)入治療方案優(yōu)度評價頁面，醫(yī)務(wù)人員可在該頁面確定備選治療方案中哪個方案為最優(yōu)方案。首先，醫(yī)務(wù)人員通過與病人交流，確定治療方案中“治療費(fèi)用”“治療風(fēng)險”“見效周期”以及“就醫(yī)頻率”等各項評價指標(biāo)的權(quán)重。如果設(shè)置上述權(quán)重分別為0.3、0.3、0.2、0.2，則系統(tǒng)會根據(jù)評價指標(biāo)確定五個備選治療方案的優(yōu)度。其中“口服柳氮磺吡啶2000 毫克/天，內(nèi)服陽和湯1 劑/天”為最優(yōu)治療方案，其優(yōu)度為0.958（最大值為1）；其次是治療方案“注射阿達(dá)木單抗40毫克/次”，其優(yōu)度為0.929。詳情如圖6所示。

圖6 治療方案優(yōu)度評價界面

4 結(jié)語

本文介紹了可拓疾病治療方案生成系統(tǒng)的框架流程設(shè)計及數(shù)據(jù)庫設(shè)計，并通過強(qiáng)直性脊柱炎疾病治療方案生成的具體案例說明該系統(tǒng)能有效地輔助臨床醫(yī)生獲得適合患者個性化的最佳治療方案。可拓疾病治療方案生成系統(tǒng)引入可拓創(chuàng)新方法，從定量和定性兩方面對疾病問題進(jìn)行不相容度分析，構(gòu)建疾病問題模型，利用可拓分析及可拓變換方法結(jié)合疾病可拓分析表及疾病問題治療方案表獲取疾病可行治療方案，并引入治療方案的可拓評價方法，定量計算出適合患者的最佳治療方案，為計算機(jī)模擬人類思維智能生成疾病治療方案研究奠定了基礎(chǔ)。