基于Drools的冠心病康復(fù)方案自動(dòng)生成*

趙 芳 范 倩 焦 琳 程文林 武小平

（1.武漢大學(xué)中南醫(yī)院心血管內(nèi)科 武漢 430071）（2.武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 武漢 430070）

1 引言

冠心病是由環(huán)境因素和遺傳因素共同作用導(dǎo)致的復(fù)雜性疾病。據(jù)最新WHO統(tǒng)計(jì)，冠心病導(dǎo)致的死亡人數(shù)占全球總死亡人數(shù)的12.9%，是世界上最常見的死亡原因之一。盡管藥物、冠脈介入及冠脈搭橋在冠心病治療中起到重要作用，但是心臟康復(fù)治療亦不容忽視。目前我國關(guān)于冠心病的康復(fù)方案需要醫(yī)生根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)為患者定制處方，制定方案效率較低，醫(yī)療資源利用率低［1］。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)冠心病康復(fù)方案的自動(dòng)生成可以優(yōu)化康復(fù)方案的制定，提高接診效率，同時(shí)可以降低醫(yī)療成本，避免過度醫(yī)療［2］。

近年來，專家系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。例如使用規(guī)則推理方法設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的不確定性流感診斷系統(tǒng)［3］和一種基于規(guī)則的診療記憶喪失疾病的專家系統(tǒng)［4］，通過實(shí)際案例數(shù)據(jù)驗(yàn)證表明系統(tǒng)生成的結(jié)果比手動(dòng)生成的結(jié)果可靠。本文在對現(xiàn)有冠心病康復(fù)方案進(jìn)行知識(shí)提取和總結(jié)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了康復(fù)方案模型；同時(shí)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了康復(fù)方案推理引擎，并對規(guī)則匹配算法進(jìn)行了優(yōu)化，使其更適合冠心病康復(fù)方案模型的規(guī)則推理。與國內(nèi)憑經(jīng)驗(yàn)手寫生成的康復(fù)方案相比，冠心病康復(fù)方案的自動(dòng)生成極大地節(jié)約了時(shí)間，提高了診療效率，節(jié)省了醫(yī)療成本。

2 資料和方法

2.1 康復(fù)方案模型構(gòu)建

冠心病康復(fù)方案模型主要包括營養(yǎng)處方、有氧運(yùn)動(dòng)處方、阻抗訓(xùn)練處方和柔韌性運(yùn)動(dòng)處方［5～7］。

2.1.1 營養(yǎng)處方

多種研究均已表明，科學(xué)合理的膳食習(xí)慣可以顯著降低心血管疾病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。在冠心病患者康復(fù)方案中，可以根據(jù)患者身高、體重等信息制定患者日常營養(yǎng)方案評(píng)估，具體包括：判斷冠心病患者體重指數(shù)設(shè)定、日需總能量計(jì)算、日需蛋白質(zhì)總量計(jì)算和食品交換份數(shù)計(jì)算。

2.1.2 有氧運(yùn)動(dòng)處方

有氧運(yùn)動(dòng)可以改善內(nèi)皮細(xì)胞功能，促進(jìn)抗炎，減少心肌細(xì)胞重塑，改善冠狀動(dòng)脈的血液循環(huán)功能，其處方主要參考冠心病患者的心肺運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)和心電圖運(yùn)動(dòng)負(fù)荷試驗(yàn)相關(guān)指標(biāo)制定，目的是為患者制定安全有效精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)方案。目前有氧運(yùn)動(dòng)處方內(nèi)容主要按照FITT四要素即運(yùn)動(dòng)種類、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)頻率制定。

2.1.3 阻抗訓(xùn)練處方

阻抗訓(xùn)練可以幫助冠心病患者增加心臟壓力負(fù)荷，從而使心內(nèi)膜下血流灌注增加，心肌氧供達(dá)到良好的平衡；同時(shí)可以增強(qiáng)骨骼肌耐力和力量，增加骨骼肌重量，提高冠心病患者基礎(chǔ)代謝率，改善運(yùn)動(dòng)耐力。阻抗訓(xùn)練的主要方法包括啞鈴、杠鈴、阻抗訓(xùn)練儀、彈力帶等。

2.1.4 柔韌性運(yùn)動(dòng)處方

柔韌性訓(xùn)練以肩、腰、腿為主，通過緩慢且可控制的方式進(jìn)行，根據(jù)患者自身適應(yīng)情況逐漸加大訓(xùn)練的身體部位。柔韌性訓(xùn)練主要包括柔韌性體操和肌肉拉伸，柔韌性訓(xùn)練一般在患者有氧運(yùn)動(dòng)之前進(jìn)行。

2.2 Drools中Rete模型基本結(jié)構(gòu)

2.2.1 drools規(guī)則引擎［8～9］

Drools是一套開源業(yè)務(wù)規(guī)則引擎解決方案，提供了專業(yè)的商業(yè)規(guī)則引擎BRE（Business Rules Engine），Web創(chuàng)作和規(guī)則管理應(yīng)用程序（Drools Workbench）。Drools是基于Rete算法量身定制的規(guī)則引擎實(shí)現(xiàn)，并引入面向?qū)ο蟮乃枷雽ete算法進(jìn)行了優(yōu)化。后來在Rete的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了LEASP算法、Drools Reteoo算法等衍生算法［10～14］。Drools引擎結(jié)構(gòu)主要包括規(guī)則庫（Production Memory）、工作內(nèi)存（Working Memory）、推理機(jī)（Inference Engine）、模式匹配管理器（Patten Matcher）和議程（Agenda）。

2.2.2 Rete模型基本結(jié)構(gòu)

Drools規(guī)則引擎核心算法為Rete［15～16］。Rete網(wǎng)絡(luò)中具有四種節(jié)點(diǎn)：根節(jié)點(diǎn)、單輸入節(jié)點(diǎn)、雙輸入節(jié)點(diǎn)和終止節(jié)點(diǎn)［17］。Drools在Rete算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。Drools-rete中的節(jié)點(diǎn)則包括了ReteNode（根結(jié)點(diǎn)）、AlphaNode（節(jié)點(diǎn)）、BetaNode（節(jié)點(diǎn)）和TerminalNode（終止節(jié)點(diǎn)）。當(dāng)有事實(shí)傳遞到Terminal節(jié)點(diǎn)時(shí)，Terminal節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的規(guī)則會(huì)被激活執(zhí)行。

2.3 康復(fù)方案推理引擎和自動(dòng)生成

2.3.1 康復(fù)方案推理引擎

基于Drools推理引擎的基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)適于冠心病運(yùn)動(dòng)康復(fù)方案生成的推理引擎，其推理引擎邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 冠心病康復(fù)方案推理引擎邏輯結(jié)構(gòu)圖

1）推理模型事實(shí)劃分

（1）源事實(shí)

源事實(shí)指系統(tǒng)運(yùn)行前輸入的事實(shí)。包括患者靜態(tài)數(shù)據(jù)（性別、年齡、身高、體重等），患者檢查數(shù)據(jù)（無創(chuàng)心功能檢查、運(yùn)動(dòng)心肺功能檢查、焦慮測評(píng)、抑郁測評(píng)等），用藥方案等。源事實(shí)是規(guī)則推理的根基，源事實(shí)的數(shù)據(jù)完整性對于規(guī)則推理結(jié)果的完整度和可信度有直接影響，主要包括：1）患者分類事實(shí)：通常根據(jù)年齡、近期是否接收冠脈介入手術(shù)，將患者劃分為三大類。即高齡冠心病患者、普通冠心病患者和介入術(shù)后冠心病患者；2）冠心病患者運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)事實(shí)：對于冠心病患者，運(yùn)動(dòng)危險(xiǎn)分層主要依據(jù)心電圖、心律失常、血管再通后并發(fā)癥、心理障礙、左心室射血分?jǐn)?shù)、儲(chǔ)備功能（METs）和血肌鈣蛋白濃度等指標(biāo)。

（2）中間事實(shí)

中間事實(shí)是指在推理過程中，產(chǎn)生的過渡事實(shí)，中間事實(shí)不一定為患者的真實(shí)事實(shí)，不要求完全準(zhǔn)確和貼近患者真實(shí)狀況，是基于事實(shí)庫中的現(xiàn)有事實(shí)通過匹配推理規(guī)則得出的可能事實(shí)。

（3）結(jié)果事實(shí)

結(jié)果事實(shí)是指通過推理引擎推理得到的最終結(jié)果。

新課改的環(huán)境下，小學(xué)三、四年級(jí)的科學(xué)教師要摒棄一味只重視卷面成績的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，堅(jiān)持科學(xué)實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，擴(kuò)展科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，加大學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，豐富多樣地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生的創(chuàng)新能力、探究能力、及科學(xué)素養(yǎng)得以發(fā)展與提升。

2）推理模型規(guī)則劃分

根據(jù)心血管醫(yī)師為冠心病患者診斷和開具康復(fù)方案的基本流程，可以將推理規(guī)則分為三大類型，即患者基本分類規(guī)則、患者運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)分類規(guī)則和運(yùn)動(dòng)康復(fù)方案生成規(guī)則。這三類分類規(guī)則具有一定的順序和優(yōu)先級(jí)：患者基本分類規(guī)則＞患者運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)分類規(guī)則＞康復(fù)方案生成規(guī)則。

（1）患者基本分類規(guī)則

患者基本分類是推理的第一步，不同基本分類的患者會(huì)對應(yīng)不同的運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)分類規(guī)則和不同的運(yùn)動(dòng)康復(fù)方案生成規(guī)則。推理規(guī)則執(zhí)行順序越靠前對后續(xù)推理結(jié)果的影響越大，故需要選用可靠性高的推理規(guī)則完成推理的第一步。在心血管醫(yī)師問診過程中，會(huì)對患者進(jìn)行基本類型的劃分，冠心病患者基本分類規(guī)則是患者分類規(guī)則最明確也是最準(zhǔn)確的規(guī)則。

患者運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)分類在患者基本分類基礎(chǔ)之后進(jìn)行。對于不同類型的患者對應(yīng)不同的風(fēng)險(xiǎn)分類規(guī)則。

對于普通冠心病患者，當(dāng)參考項(xiàng)中任何一項(xiàng)結(jié)論為高危則當(dāng)前冠心病患者存在高危運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)參考項(xiàng)中每一項(xiàng)為低危則當(dāng)前冠心病患者存在低危運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)呈現(xiàn)其他組合結(jié)果則當(dāng)前冠心病患者存在中危運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

對于近期冠脈介入術(shù)后的患者，當(dāng)有一項(xiàng)為高危則患者存在高危運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)全部指標(biāo)為低危則患者存在低危運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，其它情況下患者存在中危運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，與普通冠心病患者的運(yùn)動(dòng)危險(xiǎn)分層評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)一樣。

（2）康復(fù)方案生成規(guī)則

根據(jù)冠心病患者的危險(xiǎn)分級(jí)，分別對應(yīng)不同的康復(fù)方案生成規(guī)則。該類生成規(guī)則還引入患者的靜態(tài)數(shù)據(jù)（性別、年齡、身高、體重、用藥方案等）。例如營養(yǎng)處方的生成規(guī)則主要參考患者身高、體重和日常勞動(dòng)強(qiáng)度等。

2.3.2 康復(fù)方案推理流程

基于Drools的冠心病康復(fù)方案推理流程如圖2所示。

圖2 基于Drools的冠心病方案推理流程

患者分類是整個(gè)推理的基礎(chǔ)部分，患者分類產(chǎn)生的中間事實(shí)與源事實(shí)共同決定冠心病患者危險(xiǎn)分層，同時(shí)危險(xiǎn)分層過程中產(chǎn)生的中間事實(shí)與源事實(shí)組合調(diào)整危險(xiǎn)分層。如果事實(shí)之間無沖突，則按流程繼續(xù)執(zhí)行，如果事實(shí)之間發(fā)生沖突，則處理沖突之后按流程繼續(xù)執(zhí)行，直至事實(shí)庫不再有新的事實(shí)加入。當(dāng)事實(shí)庫不再更新，則利用康復(fù)方案生成規(guī)則生成康復(fù)方案，并導(dǎo)出最終的冠心病康復(fù)方案。具體規(guī)則執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 Drools規(guī)則執(zhí)行流程

3 實(shí)驗(yàn)分析與比較

本文從武漢大學(xué)中南醫(yī)院獲取207例冠心病患者樣本病歷資料（數(shù)據(jù)已進(jìn)行脫敏處理），經(jīng)過患者去重和殘缺數(shù)據(jù)過濾，共有195例可利用病歷樣本納入。分析病歷樣本可發(fā)現(xiàn)冠心病患者常伴隨其它慢性疾病如高血壓、糖尿病等，另外冠心病具有多種并發(fā)癥如肺水腫、心力衰竭、休克、心源性休克等。本文將病歷樣本分為兩類，分別為單一冠心病患者147例和多病種冠心病患者48例。

測試實(shí)驗(yàn)生成195份冠心病康復(fù)方案，由武漢大學(xué)中南醫(yī)院心血管內(nèi)科醫(yī)師對康復(fù)方案進(jìn)行審核，審核結(jié)果如表1所示。其中針對單一冠心病樣本的康復(fù)方案通過率為91.16%，針對多病種冠心病樣本的康復(fù)方案通過率為85.42%，整體樣本通過率為89.74%。

表1 冠心病康復(fù)方案審核結(jié)果

本文分別對康復(fù)方案中的四部分：營養(yǎng)處方、有氧運(yùn)動(dòng)處方、阻抗訓(xùn)練處方、柔韌性訓(xùn)練處方分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過率的統(tǒng)計(jì)，其通過率如圖4所示。

圖4 康復(fù)方案子處方通過率

由圖表數(shù)據(jù)可知：針對單一冠心病樣本生成的康復(fù)方案中，有氧運(yùn)動(dòng)通過率較低，方案修改原因多為運(yùn)動(dòng)種類與運(yùn)動(dòng)時(shí)間不合適；針對多病種的冠心病樣本生成的康復(fù)方案中，營養(yǎng)處方和有氧處方通過率較低，多病種患者中包含糖尿病患者和腎臟疾病患者，故需要根據(jù)患者實(shí)際情況對營養(yǎng)處方和有氧運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整；康復(fù)方案中的柔韌性訓(xùn)練通過率最高，柔韌性訓(xùn)練對患者疾病狀態(tài)幾乎沒有要求，所以適用性最強(qiáng)。

對195份樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行患者基本類型分類，其中普通冠心病患者病歷65份，PCI冠心病患者病歷126份，高齡冠心病患者病歷4份。三類患者對應(yīng)病歷樣本生成的康復(fù)方案審核通過率分別為93.85%、88.1%和75%。普通冠心病患者的康復(fù)方案通過率最高，通過率超過93%。高齡冠心病患者康復(fù)方案的通過率較低，由于高齡冠心病患者的樣本過少，針對高齡冠心病的康復(fù)方案有效性需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。針對PCI冠心病患者的康復(fù)方案通過率比普通冠心病患者的康復(fù)方案低，主要原因可能為患者接受冠脈介入手術(shù)后，身體狀況多變，因此需要根據(jù)患者實(shí)際情況調(diào)整康復(fù)方案。

康復(fù)方案有效性測試結(jié)果表明本文所構(gòu)建冠心病康復(fù)方案模型和冠心病康復(fù)方案推理引擎是有效的，可以協(xié)助醫(yī)師為冠心病患者高效制定合理、有效的個(gè)體化康復(fù)方案，具有一定的推廣意義。

4 結(jié)語

本文參照國內(nèi)冠心病專家學(xué)者對冠心病康復(fù)的診療共識(shí)和建議，在康復(fù)方案原型基礎(chǔ)上進(jìn)行概念抽象，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)冠心病康復(fù)方案模型?；贒rools構(gòu)建冠心病康復(fù)方案生成引擎，將康復(fù)方案模型中的事實(shí)與規(guī)則抽離出來構(gòu)建事實(shí)庫與規(guī)則庫，實(shí)現(xiàn)模型事實(shí)與模型規(guī)則的解耦，并基于構(gòu)建的引擎實(shí)現(xiàn)了冠心病康復(fù)方案的自動(dòng)生成。該冠心病康復(fù)方案可以協(xié)助心血管醫(yī)師制定冠心病康復(fù)方案，具有一定的診療意義。