小儿肺炎喘嗽本体知识库构建研究

万润之 孙丽平 王延博 李雅馨

1.长春中医药大学医药信息学院，吉林长春 130117；2.长春中医药大学附属医院儿童诊疗中心，吉林长春 130021；3.长春中医药大学中西医结合学院，吉林长春 130117

20 世纪90 年代本体概念被引入人工智能、图书情报和知识工程等领域，一度成为这些领域的热门研究课题。近年来，关于本体理论和技术的应用逐渐扩大到医学领域，其关注度也不断提升[1]。如朱玲等[2]构建了哮喘疾病本体和功能性胃肠病领域本体，对哮喘领域知识体系和肠胃病知识库进行重新组织和表示，王明强等[3]利用Neo4j 存储资源描述框架模型，实现中医皮肤病“疾病-证候-治疗”领域本体的具体认识及规范化表达，郭梦莹等[4]利用“领域本体七步法”探讨中医辨证论治知识库构建的应用。本体在医学领域的发展为疾病本体构建提供了方法基础[5-6]，对于不同疾病的病因病机、发病机制、辨证论治、治疗方法等的理解与学习具有积极意义。

肺炎喘嗽是小儿时期常见的肺系疾病之一，以发热、咳嗽、痰壅、气急、鼻煽为主要症状。清代汪昂《汤头歌诀·泻白散》首次提出“肺炎喘嗽”之名[7]，对比西医治法，中医治法同样有很好的效果[8]。本研究基于本体构建方法构建肺炎喘嗽本体知识库，并进行推理验证，实现了可视化查询。

1 本体的构建

1.1 知识范畴

资料来源包括中医儿科学教材、小儿肺炎喘嗽中医诊疗指南[9]、小儿病毒性肺炎中医诊疗指南[10]、儿童肺炎支原体肺炎中西医结合诊治专家共识[11]以及名老中医医案[12]，术语的标准化参考中国中医药学主题词表[13]。

1.2 构建方法

使用Protégé 5.5.0 对网络本体语言（ontology web language，OWL）进行完整阐述，采用本体构建七步法[14]构建本体，并使用推理机Pellet 进行一致性检验。见图1。

图1 构建肺炎喘嗽本体流程

1.2.1 类和类目 类是本体的核心。图2 为知识库中抽取的可以用于本体构建的肺炎喘嗽的类和类目，该统计共分为四级类目，一共7 个一级类目，并按从上而下的方法构建类和类之间的关系。

图2 小儿肺炎喘嗽类目图

1.2.2 类的属性 构建类的属性需要区分类的对象属性和数据属性。对象属性使用英文表示，并在注释中添加中文注释，如“肺part_of（是…的部分）患者”。创建与其相关的逆属性（inverse of），如“表现出”（show）和“是...的表现”（reflect），同时限定其定义域（domain）和值域（range）。构建的对象属性如表1 所示，在Protégé 中构建对象属性。数据属性是一个类或实例的数据值，如“某儿童的年龄为4 岁，体重17 kg，体温38℃，血氧饱和度＞0.96。”其中的个体儿童、体重、身高、脉搏血氧饱和度为实例的数据属性。图3 展示了在Protégé 中创建的数据属性、其定义域与数据类型，并为其添加备注与定义域、字符串类型标识。

图3 Protégé 构建的数据属性

表1 小儿肺炎喘嗽本体对象属性

1.2.3 实例 实例也称个体，是指类的成员个体。例如图4 在对象属性栏中选择“has component”（由…组成）与每一项组成方剂的中药相联系，在数据属性栏选择“method of foumula”（方剂使用方法）和“strength of recommand”（推荐度）两个属性，并为其添加“日1 剂，水煎服，早晚分服，每次25～40 ml”和“强推荐”的属性，在注释栏添加加减情况，这样就构成了“银翘散合麻杏石甘汤”的实例。

1.2.4 一致性检验 本体推理检验是判断类的从属关系是否正确，实例是否属于该类，如本体具有一致性，则会根据语义关系推理出“中药”没有设置的属性，如果不具有内在逻辑的一致性，则会报错。使用推理机插件Pellet 进行推理检验，根据推理得出，中药类中的实例“连翘”组成了“三拗汤合葱豉汤”和“银翘散合麻杏石甘汤”，该本体通过了内部的一致性检验。见图5。

1.3 知识库可视化

1.3.1 工具 Protégé 自带的可视化功能易造成图像重叠[15]，并且不适合复杂网络的可视化，数据驱动文档（data-driven documents，D3.js）库是一个基于数据的JavaScript 库[16]，能高效地操作基于数据的Web 文档，实现数据可视化。WebVOWL 是一款本体可视化编辑器[17]，本研究使用D3.js 库，并将本体通过WebVOWL展示。

1.3.2 可视化方法 使用Java 开发工具包并为其配置环境变量，将Protégé 中构建的本体文件导出为OWL文件格式[18-20]，使用Java 项目管理工具Maven[21-22]构建肺炎喘嗽本体项目的Jar 包。最后，在命令中部署好D3.js[23-24]包，将json 的本体文件导入WebVOWL 中完成可视化。

1.3.3 可视化结果 肺炎喘嗽本体类和类目可视化的结果如图6 所示，图中肺炎喘嗽为中心，线段上的注释为本体的对象属性，灰色图块的注释为数据属性和数据类型，“Thing”为实例的集合。部分肺炎喘嗽本体实例的可视化结果如图7 所示，图中可以清晰看出类、实例的关系，如中医证型-常证-风热闭肺证、方剂-银翘散合麻杏石甘汤、中成药-小儿肺热咳喘颗粒之中，可看出证型和方剂、中成药的联系。

图6 肺炎喘嗽本体类和类目可视化图谱

图7 肺炎喘嗽实例可视化图

2 讨论

在儿科领域乃至中医领域都较缺乏本体技术、计算机语言等新兴应用的研究。构建小儿肺炎喘嗽本体知识库难点在于对众多权威诊疗资料、多版本教材中信息的提取，在如何利用本体和计算机技术相结合上提供技术支持。

本研究采用本体工具Protégé，使用OWL 语言定义、整理小儿肺炎喘嗽专家诊疗指南等权威资料提取出的31 个类、17 个对象属性和6 个数据属性，并可以自主的为其添加实例，类和实例都有明确的定义，并通过本体一致性检验，使用Java 程序语言的D3.js 库实现可视化功能和交互功能，通过创建的本体规则进行本体推理或为其添加新的实例，可以通过推理得出新的规则。

本研究在实现知识数据结构的标准化和规范化的基础上展望未来，将来可以发展成为检索、推荐、问答和决策服务等各种语义服务的主要知识库，并在未来形成儿科系统疾病本体、儿科疾病专家诊疗系统等。