基于模糊聚類分析與SWRL 的電解質(zhì)失衡疾病診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

付海燕，杜紅陽，濮逸佳，杜宏偉

(1.遼寧醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院，遼寧 錦州 121000;2.江蘇科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

1 引 言

電解質(zhì)參與體內(nèi)許多重要的功能和代謝活動，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)常利用電解質(zhì)分析儀檢測血漿或血清的電解質(zhì)離子濃度作為疾病診療的重要依據(jù)。然而，不同疾病所檢測出的電解質(zhì)離子濃度往往具有相似性，電解質(zhì)相互關(guān)聯(lián)、緊密耦合并且隨著周圍環(huán)境溫度、飲食等發(fā)生變化。這些因素給專業(yè)醫(yī)護(hù)人員帶來了一定難度，導(dǎo)致誤判或診斷不全面現(xiàn)象時有發(fā)生。本文利用當(dāng)前比較流行的本體(ontology)［1］技術(shù)結(jié)合模糊數(shù)學(xué)聚類的方法，從患者的各個因素出發(fā)，推理出相似典型病例［2］，進(jìn)而設(shè)計(jì)電解質(zhì)失衡疾病診斷系統(tǒng)。

2 電解質(zhì)失衡疾病分析本體構(gòu)建

2.1 電解質(zhì)失衡疾病診斷流程

很多疾病會導(dǎo)致電解質(zhì)的失衡，臨床上對電解質(zhì)失衡疾病的診斷極為重視。診斷首先對患者癥狀、體征進(jìn)行分析，對病情有一個初步了解。接著，采集血液和尿液，用電解質(zhì)分析儀檢測得電解質(zhì)離子的濃度及pH 值。然后，根據(jù)癥狀和檢測數(shù)值。進(jìn)行病情分析，得出診斷結(jié)果。其中，病情分析是醫(yī)護(hù)人員在檢測結(jié)果的基礎(chǔ)上［3］，結(jié)合患者的癥狀、病史、生活環(huán)境、飲食等因素，進(jìn)行綜合分析，得出診斷結(jié)果。由此可見，電解質(zhì)失衡疾病的診斷涉及很多因素，是復(fù)雜的推理過程。由于本體能準(zhǔn)確地描述概念以及概念間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，便于知識的共享和重利用，因此本文采用本體來對電解質(zhì)疾病診斷知識進(jìn)行描述。

2.2 電解質(zhì)失衡疾病本體構(gòu)建

本體(Ontology)是以人工智能和機(jī)器語言為基礎(chǔ)形成的一項(xiàng)新的技術(shù)，OWL (Web Ontology Language)是W3C 開發(fā)的一種網(wǎng)絡(luò)本體語言［4］，W3C 的設(shè)計(jì)人員針對各類特征的需求制定了三種相應(yīng)的OWL 的子語言［5］，即OWL Lite、OWL DL和OWL Full，而且各子語言的表達(dá)能力遞增。

在多位臨床醫(yī)師的指導(dǎo)下，運(yùn)用OWL DL(Description Logic)語言將電解質(zhì)失衡疾病與診斷流程結(jié)構(gòu)相關(guān)知識進(jìn)行本體構(gòu)建。本體的元素包括類、屬性和實(shí)例［6］，例如:人體內(nèi)重要電解質(zhì)、電解質(zhì)失衡疾病、血漿電解質(zhì)離子濃度值［7］、癥狀、病史、生活環(huán)境與飲食內(nèi)容，這些都被稱為一個類。系統(tǒng)根據(jù)疾病的特點(diǎn)，使類與類之間具有詳細(xì)的層次化結(jié)構(gòu)，在protégé 3.4 中構(gòu)建的本體類結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

人體內(nèi)電解質(zhì)的正常數(shù)值、電解質(zhì)失衡疾病以及它們的實(shí)例編號都指屬性，這樣便于患者疾病與實(shí)例疾病進(jìn)一步匹配。最后，實(shí)例繼承了所有類的屬性和相互之間的關(guān)系。

3 SWRL 規(guī)則表達(dá)形式

3.1 語義萬維網(wǎng)規(guī)則語言

SWRL (Semantic Web Rule Language)，即語義萬維網(wǎng)規(guī)則語言是在語意規(guī)則的基礎(chǔ)上用于呈現(xiàn)規(guī)則的一種語言，主要由Imp、Atom、Variable和Building 組成［8］，推理結(jié)果則由C(?x，?y)謂詞形式構(gòu)成。由謂詞形式構(gòu)成的一條完整規(guī)則形如:

本系統(tǒng)中，當(dāng)患者出現(xiàn)某些癥狀，同時檢測出血漿中電解質(zhì)的檢測值在某一范圍，其他身體指標(biāo)參數(shù)值確定，并伴有相關(guān)病史，這樣就可以建立相應(yīng)診斷規(guī)則，在protégé3.4 軟件中規(guī)則的表達(dá)如圖2 所示。

3.2 JESS 推理機(jī)

JESS (Java Expert Systems Shell)是Java 語言的一個擴(kuò)展包［9］，它建立在強(qiáng)大的Java 環(huán)境中而無需編譯任何java 代碼。JESS 的核心程序與CLIPS兼容，而CLIPS 使用高效的Rete 算法產(chǎn)生JESS 式的規(guī)則［1］。

4 診斷系統(tǒng)規(guī)則建立

4.1 診斷疾病模型

由于電解質(zhì)失衡疾病的特點(diǎn)，診斷、推理的對象主要包括:血漿中的電解質(zhì)含量、尿液中的電解質(zhì)含量、其他相關(guān)參數(shù)、患者癥狀、病史、飲食生活環(huán)境因素等。但是，各個因素的在判斷中的重要程度各不相同，血漿中的電解質(zhì)含量更為重要。

4.2 診斷推理規(guī)則

血漿電解質(zhì)濃度推理出典型疾病實(shí)例的規(guī)則表達(dá)式，如式1 所示:

推理的依據(jù)為:

(1)患者血漿中電解質(zhì)值與典型病例血漿中電解質(zhì)記錄值是否相同; (2)患者血漿中電解質(zhì)值是否高于(或低于)正常數(shù)值。

但是，僅利用這兩點(diǎn)出發(fā)形成SWRL 規(guī)則對疾病情況進(jìn)行推理降低了診斷結(jié)論的可信度:首先，第一點(diǎn)診斷依據(jù)缺乏廣泛性，有些患者血漿電解質(zhì)即使與典型病例不同，但最終的診斷結(jié)果卻與典型病例相同;其次，第二點(diǎn)“高于(或低于)”的程度卻無法定義，電解質(zhì)離子濃度高于(或低于)正常值時會有很多疾病，而無法精確定位哪一種。因此，為了彌補(bǔ)SWRL 規(guī)則推理的不足性，系統(tǒng)首先利用模糊聚類分析的方法，對血漿電解質(zhì)值進(jìn)行典型病例分析，加強(qiáng)原始電解質(zhì)失衡疾病診斷知識庫，得到隱含的知識和層次結(jié)構(gòu)、改善本體庫，形成電解質(zhì)失衡疾病診斷知識庫最終本體［10］，如圖3 所示。

5 血漿電解質(zhì)值模糊聚類分析模型

5.1 聚類分析模型

根據(jù)采集電解質(zhì)失衡疾病某個病癥狀，如:醛固酮增多癥患者的年齡、性別等因素，對患者電解質(zhì)離子濃度加權(quán)后取平均值:

為了消除不同量綱帶來的影響，可以采用平移—極差法對檢測值進(jìn)行變換。當(dāng)測量值低于人體正常標(biāo)準(zhǔn)值時:

當(dāng)測量值高于人體正常標(biāo)準(zhǔn)值時的歸一化值:

這樣就可以建立一個不存在量綱因素影響的患者與正常人共n 種的電解質(zhì)分析儀檢測值的模糊矩陣

其中

確定相似性系數(shù)有相關(guān)系數(shù)法、海明距法、夾角余弦法等，本系統(tǒng)采用絕對值指數(shù)法:

這樣可以得到模糊相似矩陣:

其中較大的前幾項(xiàng)所對應(yīng)的癥狀(也可能無任何癥狀)將錄入到最終本體，作為推理診斷病情的參考依據(jù)，而檢測出的結(jié)果會在醫(yī)護(hù)人員的操作下再次錄入到病狀庫中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的更新，使數(shù)據(jù)庫更加完善。

5.2 其他預(yù)測模型

疾病診斷過程中，對尿液中的電解質(zhì)含量、其他相關(guān)參數(shù)、患者癥狀、病史、飲食生活環(huán)境因素可以采用分層判斷，綜合分析的方法，其中尿液中的電解質(zhì)含量只包括Na+和K+并且對疾病的重要程度遠(yuǎn)低于血漿中電解質(zhì)值，因此可以列在綜合判別的范圍內(nèi)。在臨床醫(yī)學(xué)專家的指導(dǎo)下，首先將各因素設(shè)置權(quán)重因子，如表1 所示。

表1 電解質(zhì)疾病影響因素權(quán)重值表

而對于每一個因素，又會包含許多次因素，如:對于癥狀而言包括嘔吐、腹瀉、發(fā)熱、昏迷、瘺管形成、肺水腫等。針對各個因素，在臨床醫(yī)學(xué)專家的建議下設(shè)置權(quán)重值Yij。則SWRL 推理規(guī)則定義為:

并定義如下公式:

其中，當(dāng)Cij滿足的癥狀，其值設(shè)置為1，否則設(shè)置為0。

6 疾病診斷實(shí)例

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心(NRCCRM)的最新檢驗(yàn)結(jié)果顯示，人體體液中的電解質(zhì)的生理參考范圍如表2 所示。某醫(yī)院一病例如下:某成年男性血液的電解質(zhì)分析檢驗(yàn)結(jié)果如表3 所示，同時，患者伴有持續(xù)性嘔吐、口渴、高熱、厭食等癥狀，當(dāng)時正處于8 月中旬，氣溫偏高，患者之前無相關(guān)疾病病史。

表2 人體體液中電解質(zhì)及其他參數(shù)生理參考范圍

表3 某患者血漿電解質(zhì)含量及其他參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果(mmol·L －1)

首先利用數(shù)學(xué)聚類分析的方法找出與患者血漿電解質(zhì)和pH 檢驗(yàn)值相似程度最大的幾種典型病例。如圖4 所示，根據(jù)最終的相似度數(shù)值繪制的曲線。

取相似值最大的前5 種典型病例分別是滲透性利尿高鈉血癥、阿狄森氏病、劇烈嘔吐引起的高鈉血癥、醛固酮增多癥、飲水不足引起腎損傷，利用這5 種典型病例所構(gòu)建的最終本體，利用SWRL 規(guī)則推理患者當(dāng)前的病癥與本體中構(gòu)建的病例所包含的癥狀的相似性。根據(jù)公式10 得到如下數(shù)據(jù)表:

信任度閾值τ 由醫(yī)學(xué)專家根據(jù)實(shí)際情況而定義，在本實(shí)例中將其定義為0.7，從數(shù)據(jù)中可以看出滲透性利尿高鈉血癥和劇烈嘔吐引起的高鈉血癥都高于信任度閾值，所以系統(tǒng)提供這兩項(xiàng)疾病為檢驗(yàn)參考作為醫(yī)護(hù)人員診斷最終病情的依據(jù)。當(dāng)發(fā)生特殊情況，如推理后的信任度都小于典型病例的信任度閾值，則由醫(yī)學(xué)專家做進(jìn)一步會診，最終確定診斷，同時系統(tǒng)維護(hù)人員將會診后的結(jié)論及相關(guān)癥狀錄入本體知識庫，對系統(tǒng)做進(jìn)一步完善。

表4 SWRL 推理典型病例信任度值

7 結(jié)束語

在分析、總結(jié)電解質(zhì)失衡疾病及其診斷方法基礎(chǔ)上，構(gòu)建典型病例本體庫并用模糊聚類分析的方法對本體庫進(jìn)行處理，得到較為準(zhǔn)確的隱含知識，構(gòu)建最終本體庫。根據(jù)診斷的方法使用SWRL 編寫規(guī)則，最后推斷出與就診患者的典型病例，為醫(yī)護(hù)人員提供幫助，案例表明，這種設(shè)計(jì)在國內(nèi)電解質(zhì)失衡疾病的診斷中有一定的獨(dú)創(chuàng)性。但構(gòu)建典型病例本體和增強(qiáng)本系統(tǒng)的移植性方面，還有待進(jìn)一步深入研究。

圖1 電解質(zhì)失衡疾病診斷類本體

圖2 SWRL 實(shí)例

圖3 系統(tǒng)工作整體框架

圖4 患者血漿檢驗(yàn)值與典型病例相似值曲線

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