基于知識圖譜的醫(yī)學信息查詢系統(tǒng)實驗設計

左海維 朱紅 馬金鳳 張昌明 王淋 金宏飛

摘要：目前醫(yī)學信息工程專業(yè)課程實驗內(nèi)容存在知識體系不連貫、與行業(yè)背景脫節(jié)等問題。該文結(jié)合醫(yī)療信息化應用場景需求及課程綜合技能訓練要求，利用知識圖譜、數(shù)據(jù)庫處理以及數(shù)據(jù)可視化等技術(shù)，設計醫(yī)療健康知識百科查詢系統(tǒng)的綜合實驗。系統(tǒng)包括用戶注冊、用戶登錄、快速鏈接、詳細介紹以及知識圖譜模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)常見疾病的查詢、關(guān)聯(lián)以及知識圖譜的可視化等功能。通過教學實踐發(fā)現(xiàn)，該實驗有助于幫助學生通過各環(huán)節(jié)快速理解系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，增強學生理解所學專業(yè)課程之間的關(guān)聯(lián)性，并培養(yǎng)智能醫(yī)學方向的學生面向?qū)嶋H場景進行醫(yī)療信息系統(tǒng)開發(fā)的能力。

關(guān)鍵詞：醫(yī)學信息;信息查詢;知識圖譜;數(shù)據(jù)庫;可視化

中圖分類號：TP391.3? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）36-0001-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Experiment Design of Medical Information Query System Based on Knowledge Map

ZUO Hai-wei， ZHU Hong*， MA Jin-feng， ZHANG Chang-ming， WANG Lin， JIN Hong-fei

（School of Medical Information and Engineering， Xuzhou Medical University， Xuzhou 221004， China）

Abstract： At present， there are some problems in the experimental content of medical information engineering， such as the incoherence of knowledge system and the disconnection with the industry background. Combined with the requirements of medical information application scene and the training requirements of comprehensive skills， a comprehensive experiment of medical and health knowledge encyclopedia query system is designed by using knowledge mapping， database processing and data visualization technology. The system includes user registration， user login， quick link， detailed introduction and knowledge map module， which can realize the query， association and visualization of common diseases. Through the teaching practice， we found that this experiment can help students quickly understand the system framework through various links. Moreover， it is able to enhance the students' understanding of the relevance between the professional courses， and cultivate the students' ability of medical information system development facing the actual scene.

Key words： medical information; information query; knowledge map; database; visualization

在疫情防控舉措的推動下，互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療的服務量激增，對老百姓便捷獲取醫(yī)療資源、支撐常態(tài)化疫情防控具有重要作用[1]。隨著互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療的不斷發(fā)展與完善，大多數(shù)人習慣通過互聯(lián)網(wǎng)查詢常見疾病相關(guān)知識，如何在海量的醫(yī)療大數(shù)據(jù)知識庫中高效、準確地進行檢索是解決用戶需求的基礎[2]。知識圖譜技術(shù)[2]能夠?qū)碗s結(jié)構(gòu)化信息之間的邏輯關(guān)系進行梳理和可視化展示，目前廣泛應用在智能問答[3]、智能搜索及推薦[4]、知識百科[5]等領域?；谥R圖譜的醫(yī)療健康知識百科查詢系統(tǒng)能夠提供準確、詳細的醫(yī)療健康知識查詢結(jié)果，避免了過往查詢結(jié)果過于專業(yè)難懂以及缺乏針對性等問題，是當前醫(yī)療信息系統(tǒng)研究與設計的熱點之一。

醫(yī)學信息工程專業(yè)是培養(yǎng)“醫(yī)工結(jié)合”、具備醫(yī)學專業(yè)知識和計算機技術(shù)實踐能力復合型人才的重要平臺[6]，學生需要能夠根據(jù)所學知識融會貫通，解決醫(yī)療健康領域應用場景的實際需求。然而，目前醫(yī)學信息工程專業(yè)課程仍存在各課程實驗設置獨立分散，容易產(chǎn)生“知識孤島”;與醫(yī)療健康應用結(jié)合性不強，難以與未來行業(yè)接軌等問題。為此，醫(yī)學信息課程實驗需要不斷優(yōu)化設計，在醫(yī)療大數(shù)據(jù)背景下，探索如何有效獲取醫(yī)療資源。本實驗利用知識圖譜技術(shù)綜合設計醫(yī)療健康知識百科查詢系統(tǒng)。通過案例化教學深化學生對行業(yè)的認同感，提高對知識技能的實踐能力，培養(yǎng)通過計算機技術(shù)解決行業(yè)問題的能力。

1 實驗設計目標

根據(jù)醫(yī)學院校醫(yī)學信息專業(yè)課程的教學目標，要求提升學生對學科的認知，指導學生學習醫(yī)學專業(yè)知識和信息科學技能，培養(yǎng)學生“醫(yī)工結(jié)合”，讓學生成為具有計算機技術(shù)知識與實踐能力的應用型、復合型人才[6]。因此，醫(yī)學信息課程綜合實驗需要從實踐需求出發(fā)，旨在培養(yǎng)訓練學生以下幾個方面的能力[7-10]：

（1）系統(tǒng)設計能力。結(jié)合醫(yī)學信息專業(yè)背景，培養(yǎng)學生系統(tǒng)設計能力，包括：系統(tǒng)總體設計、網(wǎng)絡架構(gòu)設計、軟件設計等，加深學生對軟件工程、計算機網(wǎng)絡等課程的理解與應用。

（2）數(shù)據(jù)管理能力。學生對醫(yī)療健康知識結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)結(jié)合實際問題進行分析，充分利用數(shù)據(jù)庫管理知識，通過結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫、圖數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)管理，加深學生的數(shù)據(jù)管理能力。

（3）邏輯思維能力。培養(yǎng)學生將實際需求抽象成計算機需要解決的問題，并通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計、可視化分析等方式對問題進行梳理、推斷和思考，從而設計合理的解決方案。

（4）開發(fā)編程能力。實驗針對系統(tǒng)各個功能模塊進行考查，選取學生已經(jīng)掌握的編程語言及主流的設計模式，鍛煉學生的項目開發(fā)編程能力，促進學生對編程語言活學活用。

2 實驗系統(tǒng)設計

2.1系統(tǒng)總體設計

醫(yī)療健康知識百科查詢系統(tǒng)總體架構(gòu)采用主流的MVC（Model View Controller，模型-視圖-控制器）模式[11]搭配DAO（Data Access Object，數(shù)據(jù)訪問對象）模式[12]的設計方法。通過Java Bean實現(xiàn)DAO模式，允許業(yè)務邏輯與數(shù)據(jù)存儲邏輯分離。這種系統(tǒng)設計的優(yōu)勢在于利用MVC模式進行分層設計，降低了層與層之間的依賴，便于學生開發(fā)。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)層采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL和圖數(shù)據(jù)庫Neo4j[13]。其中，MySQL數(shù)據(jù)庫用于存儲如用戶基本信息等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。Neo4j數(shù)據(jù)庫用于存儲和管理知識圖譜，使用Java語言開發(fā)訪問Neo4j數(shù)據(jù)庫的工具類，學生可以通過系統(tǒng)界面直接對Neo4j進行操作，不需要學習Cypher語言，降低了學生使用Neo4j的難度。

軟件設計包括用戶注冊、用戶登錄、快速鏈接、詳細介紹及知識圖譜可視化五個模塊，方便學生根據(jù)模塊進行實驗程序編寫與完善。其中，知識圖譜是實驗重點，需要實現(xiàn)添加節(jié)點、添加節(jié)點間關(guān)系、查詢節(jié)點、查詢節(jié)點間關(guān)系、查詢節(jié)點間路徑以及查詢?nèi)窟@六個功能。系統(tǒng)功能模塊設計如圖1所示。

2.2 網(wǎng)絡架構(gòu)設計

網(wǎng)絡架構(gòu)是確保整個系統(tǒng)正常運行的基礎，要求學生分別從客戶端和服務器端兩個部分對系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)進行搭建?？蛻舳税ǎ汗P記本電腦、臺式機或平板電腦等，用于用戶訪問系統(tǒng)。服務器主要是Web服務器和數(shù)據(jù)庫服務器，Web服務器用于運行系統(tǒng)代碼，數(shù)據(jù)庫服務器用于存儲關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL和圖數(shù)據(jù)庫Neo4j。本實驗系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)如圖2所示。

為了保證系統(tǒng)的安全性與高可用性，將Web服務器與數(shù)據(jù)庫服務器設計為各自獨立運行。當系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障時，數(shù)據(jù)庫服務器可以自動備份系統(tǒng)數(shù)據(jù)，降低系統(tǒng)損害程度。

3 系統(tǒng)軟件設計

為了方便學生理解，提高學生的邏輯思維能力，將系統(tǒng)軟件設計分為軟件架構(gòu)搭建和功能模塊開發(fā)。在軟件架構(gòu)部分按照MVC結(jié)合DAO的模式對系統(tǒng)架構(gòu)進行搭建，并規(guī)定相關(guān)類。為統(tǒng)一標準，功能模塊開發(fā)方面在此基礎上進行編程，實現(xiàn)人機交互的可視化顯示。這種設計具有良好的可拓展性，同時也能夠規(guī)范化開發(fā)，培養(yǎng)學生良好的編程習慣，有助于編程能力的提升。

3.1 軟件架構(gòu)設計

本實驗系統(tǒng)采用的DAO模式提供了訪問關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL所需操作的接口，將數(shù)據(jù)訪問和業(yè)務邏輯分離，對上層提供面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)訪問接口。另外，DAO模式還對MySQL和Neo4j兩種不同數(shù)據(jù)庫進行隔離，降低了代碼的耦合性，提高了系統(tǒng)的擴展性和移植性。圖3展示了系統(tǒng)軟件架構(gòu)，其工作流程為：

（1）Web服務器啟動并初始化Servlet程序;

（2）用戶通過瀏覽器在客戶頁面發(fā)送操作請求;

（3）Servlet獲取前端頁面發(fā)送的請求與數(shù)據(jù);

（4）Servlet調(diào)用具體的接口和方法處理請求，并將處理結(jié)果返回給JSP頁面;

（5）JSP頁面顯示相應結(jié)果。

3.2 功能模塊設計

學生根據(jù)實驗任務要求，設計以下功能模塊，并對各模塊進行編程。

（1）用戶注冊模塊與用戶登錄模塊

用戶首次訪問系統(tǒng)需要進行用戶注冊，填寫個人信息，包括用戶名、密碼設置、郵箱地址、姓名、手機號、性別、出生日期及驗證碼。信息填寫完成后，點擊注冊進入激活界面，系統(tǒng)發(fā)送激活郵件，用戶完成激活后便可以登錄系統(tǒng)。用戶登錄界面為已注冊用戶日常登錄界面，需要填寫用戶名、密碼以及驗證碼。用戶注冊模塊與用戶登錄模塊工作流程如圖4所示。

（2）快速鏈接模塊與詳細介紹模塊

系統(tǒng)主頁設置快速鏈接選項，用戶點擊后可以進入常用健康知識網(wǎng)站。用戶點擊主頁介紹的健康知識進入詳細介紹界面，詳細介紹健康知識，包括疾病的原因以及預防措施等?？焖冁溄优c詳細介紹模塊工作流程如圖5所示。

（3）知識圖譜模塊

知識圖譜模塊需要設計添加節(jié)點、添加節(jié)點間關(guān)系、查詢節(jié)點、查詢節(jié)點間關(guān)系、查詢節(jié)點間路徑以及查詢?nèi)恐R圖譜的功能。知識圖譜模塊工作流程如圖6所示。

知識圖譜模塊實驗包括知識獲取、知識表示、知識存儲和知識圖譜可視化操作四個步驟：

（1）知識獲取

知識圖譜展示的知識點不是憑空產(chǎn)生的，需要從不同的數(shù)據(jù)源中提取有價值的目標數(shù)據(jù)。醫(yī)療知識圖譜的知識需來源于專業(yè)的醫(yī)學書籍、醫(yī)院的電子病歷以及各大醫(yī)療網(wǎng)站的醫(yī)科知識。

（2）知識表示

使用“點”表示各個知識點，使用“邊”表示各個知識點之間的聯(lián)系。每個節(jié)點對應唯一的ID，通過一條或多條邊與其他節(jié)點相連接。每個節(jié)點都會使用鍵值對來表示自身的屬性。同樣，每一條邊也對應唯一的ID，且與兩個節(jié)點相連接以表示兩節(jié)點之間的關(guān)系。每一條邊都有唯一的標識，使用鍵值對來表示兩節(jié)點之間的對應關(guān)系。

（3）知識存儲

知識圖譜需要采用圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫很難存儲相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，所以本實驗采用圖數(shù)據(jù)庫Neo4j來存儲知識圖譜。

（4）圖譜可視化

知識的可視化可以將復雜的知識轉(zhuǎn)變成人們?nèi)菀桌斫馀c接受的圖像形式，使人們更加準確快速地理解與記憶知識，縮短人們學習的時間和精力。本實驗中知識圖譜的可視化，不僅要求學生實現(xiàn)展示知識節(jié)點，還要體現(xiàn)節(jié)點之間的關(guān)聯(lián)性，從而繪制完整的知識圖譜。

4 功能展示

以搜索咳嗽疾病癥狀為例，系統(tǒng)會在詳細介紹界面向用戶介紹與咳嗽相關(guān)的疾病與健康知識，包括疾病產(chǎn)生的原因和預防措施等，如圖7所示。

知識圖譜模塊主要實現(xiàn)用戶輸入和知識圖譜展示兩部分內(nèi)容。用戶輸入模塊如圖8所示，包括三個文本輸入框和六個功能按鈕，最下方設置一個返回主頁的超鏈接。用戶可在該界面輸入節(jié)點和關(guān)系名稱，點擊對應的按鈕，完成相對應的操作。之后，通過知識圖譜展示模塊顯示相應的知識圖譜數(shù)據(jù)。以搜索咳嗽為例，系統(tǒng)展示的相關(guān)知識圖譜如圖9所示。通過該知識圖譜，用戶可以了解與中醫(yī)十咳相關(guān)的咳嗽類型，進而幫助用戶進一步查詢具體的咳嗽類型和癥狀。

5 結(jié)語

面向醫(yī)療大數(shù)據(jù)背景下醫(yī)學信息工程專業(yè)課程的實踐需求，結(jié)合醫(yī)療信息化應用場景需求及課程綜合技能訓練要求，本實驗設計了基于知識圖譜的醫(yī)療健康知識百科查詢系統(tǒng)。通過教學實踐表明，該實驗系統(tǒng)能夠滿足設計目標與要求，通過對系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)、軟件架構(gòu)以及功能等方面的設計，不僅能夠鍛煉學生的系統(tǒng)分析與設計能力，提高學生工程開發(fā)水平，同時還能將理論與實踐相結(jié)合，為學生構(gòu)建智能醫(yī)學方向的課程知識體系。

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【通聯(lián)編輯：王力】