可拓疾病治疗方案生成系统的设计与实现

叶广仔，陈俞强

（东莞职业技术学院人工智能学院，东莞 523808）

0 引言

对于患者来说，某种疾病治疗方案往往由主治医生来确定，医生的专业知识及经验决定了患者疾病的治疗效果。这种诊断方式缺乏客观化和定量化的度量，容易受人为因素（如专业知识、临床经验等）的干扰。因此，为了减少因医生对某种疾病的专业知识及经验不足而影响患者的治疗，研究一种针对特定疾病生成治疗方案的方法是十分必要的。

可拓创新方法［1］是一种用形式化的模型研究事物拓展的可能性与开拓创新的方法，通过对研究对象进行拓展分析、可拓变换、优度评价等，来生成解决各种矛盾问题的形式化、定量化创新方法［2］。现阶段可拓学在医学领域主要用于病因分析及疾病识别，如文献［3］研究利用可拓理论分析外感燥证的相关病因因素。文献［4］研究运用可拓理论和方法实现精神疲劳的识别，但还没涉及疾病治疗方案生成及评优等方面的研究。为此，本文提出根据可拓创新方法的相关理论，构建基于可拓创新方法疾病治疗方案生产框架模型，并以强直性脊柱炎［5］疾病为例证明可拓疾病治疗方案生成系统的可行性。

本文研究的主要贡献：①提出运用可拓创新方法及优度评价方法为生成疾病治疗方案以及评价疾病治疗方案的优劣提供一种形式化、定量化的有效方法；②使用MVC 开发模式实现可拓疾病治疗方案生成系统，并以强直性脊柱炎［5］为例验证系统的可行性，为计算机模拟人类思维智能生成疾病治疗方案进行算法研究奠定了基础。

1 可拓创新方法的相关概念

1.1 关联函数及关联度

在可拓学中，关联函数［1］用来刻画论域中的对象具有某种性质的程度，它能定量地、客观地表述对象具有某种性质的程度及其量变与质变的过程。对某一待评价对象Z，关于某衡量指标MI建立关联函数k(z)，用于表示对象Z符合要求的程度，称k(z)的取值为MI关于MI的关联度［1］。

正域为有限区间b

（1）当M=a时，建立简单关联函数［6］：

（2）当M=b时，建立简单关联函数：

1.2 关联函数及关联度

优度评价法［1］是可拓学中通过关联函数定量化地评价一个事物、策略、方法等对象优劣程度的方法。

1.2.1 衡量指标

评价一个对象的优劣必须反映出利弊的程度以及它们可能的变化情况。这就要去根据实际问题的需要，指定符合技术要求、经济要求和社会要求的评价标准，确定出衡量指标［1］MI={MI1,MI2,…,MIn}，其中MIi=(ci,Vi)是特征元，ci是评价特征，Vi是数量化的阈值，其中i=1,2,…,n。

1.2.2 规范关联度

设Z关于MI的关联度为K(Z)，则

称为Z关于MI的规范关联度［1］。

1.2.3 优度

对某一被评价对象Z，若衡量指标集为MI={MI1,MI2,…,MIn}，Z关于MI的规范关联度为ki(i=1,2,…,n)，MIi的权系数为αi（αi表示衡量指标MIi的相对重要程度），且0≤α≤1。若实际问题中，要求所有衡量指标的综合关联度大于0 才认为对象符合要求Z，则优度［1］定义为

2 可拓疾病治疗方案生成系统的总体设计

2.1 系统框架流程

可拓疾病治疗方案生成系统以患者的体检相关数据作为输入，根据疾病治疗问题物元表构建疾病问题可拓模型。如图1所示，首先通过关联函数式计算疾病问题相容度，如果相容，则不存在疾病治疗问题；如果不相容，则存在疾病治疗问题。然后通过可拓创新方法，根据疾病问题可拓分析表对疾病不相容问题进行可拓分析，并根据可拓变换治疗方案表对疾病问题进行可拓变换，再根据可拓变换后的疾病问题是否可以转换为相容问题来判定可行治疗方案。最后根据治疗方案优度评价表对疾病治疗方案进行优度评价，并获得最优疾病治疗方案。

图1 可拓疾病治疗方案生成系统框架流程图

2.2 系统数据库设计

可拓疾病治疗方案生成系统主要包含五个数据库表：疾病治疗问题物元表、疾病可拓分析表、可拓变换治疗方案表、疾病问题治疗方案表以及治疗方案优度评价表。

表1为疾病治疗物元表，主要存储疾病及药物的相关信息，如疾病名称及疾病活动期等信息，以及药物名称及用量等信息。系统可根据疾病治疗物元表实施可拓变换，形成疾病治疗方案。

表1 疾病治疗物元表

表2为疾病可拓分析表，主要存储与疾病相关的治疗药物，在疾病可拓分析阶段，可通过该表分析疾病的相关病症，及对应病症的有效治疗药物，有利于后续通过可拓变换生成疾病治疗方案。

表2 疾病可拓分析表

表3为可拓变换治疗方案表，主要存储药物用量、疾病病症以及疾病活动期的传导变换及变换后情况。根据疾病可拓分析得到药物、病症、疾病活动期的相关性，通过变换药物的物元用量特征值，获得物元特征值变换对疾病病症及活动期的影响程度。

表3 可拓变换治疗方案表

表4疾病问题治疗方案表，主要用于存储通过可拓变生成的可行治疗方案，利用传导变换的原理，根据传导变换后疾病活动期的变换情况，计算疾病问题的相容度，如果疾病问题从不相容问题变换为相容问题，则治疗方案可行。

表4 疾病问题治疗方案表

表5治疗方案优度评价表，主要存储各可行治疗方案的评价指标值，系统可根据该表中各治疗方案的评价指标值，结合患者自身对评价指标的权重设置，计算出各个治疗方案的优度，从而提供最适合患者的个性化治疗方案。

表5 治疗方案优度评价表

3 可拓疾病治疗方案生成系统的案例实现

在已有条件下目标不能实现的问题，称为不相容问题，可拓创新方法是一种通过形式化、定量化的方式解决不相容问题的方法。强直性脊柱炎是以骶髂关节炎及中轴关节病变为特征的慢性炎症性疾病，是脊柱关节病的最常见类型［5］。下面以强直性脊柱炎疾病为例，介绍可拓疾病治疗方案生成系统的疾病治疗方案生成过程。

该系统使用Web 前端开发技术［7］，使用MVC 开发模式［8］实现疾病治疗方案的生成。主要运用HTML5 实现交互界面的布局，通过jQuery 技术及相关插件完成前端数据的获取及传递，并利用PHP 技术实现治疗方案生成的相关业务功能及数据库表的操作。

3.1 疾病问题模型构建

打开浏览器，访问可拓疾病治疗方案生成系统的服务器主页（如图2所示）。

图2 疾病问题模型构建界面

首先，在“疾病名称”列表选取病人的疾病，在“疾病状态”列表选取病人疾病的现状，在“治疗目标”中选择期望治疗效果。然后，点击“疾病问题相容度计算”按钮，计算病人疾病现状与治疗目标的相容度。譬如疾病现状为“疾病中度活动期”，疾病治疗目标为“疾病非活动期”，则疾病治疗问题为不相容问题，需要点击“疾病问题拓展分析”按钮，对疾病治疗方案相关因素进行分析。

3.2 疾病问题可拓分析

进入疾病问题可拓分析页面，分析病人疾病的相关病症以及对应治疗药物。该页面可辅助医务人员分析病人疾病的病因，以及疾病的可用药物。详情如图3所示。

图3 疾病问题可拓分析界面

如强直性脊柱炎在西医领域归类为“强直性脊柱炎”，在中医领域被归类为“肾痹症”［9］。西医治疗该疾病的药物主要有非甾体抗炎药［10］、抗风湿药物［11］以及生物制剂药物［12］。中医治疗该疾病的方法主要有内服中药［13］、外治针石［14］。

3.3 疾病问题可拓变换

进入疾病问题可拓变换页面，医务人员可在该页面制定病人的疾病治疗方案。

（1）确定治疗方案效果：对于强直性脊柱炎，医务人员如果仅仅采取口服塞来昔布400毫克/天的治疗方案，则不可以解决病人的疾病问题，不能达到在疾病问题模型构建页面中预设的治疗目标，详情如图4所示。

图4 衡量治疗方案效果界面

（2）储备可行疾病治疗方案：对于强直性脊柱炎，医务人员如果采取口服柳氮磺吡啶2000 毫克/天，结合内服阳和汤1 剂/天的治疗方案，则可以解决病人的疾病问题，达到在疾病问题模型构建页面中预设的治疗目标。此时，医务人员可以点击“疾病治疗方案储备”按钮，把服柳氮磺吡啶2000 毫克/天，内服阳和汤1剂/天的治疗方案储备为备选方案。同理，医务人员可以选取多个可行治疗方案作为备选方案。当确定好所有可行的疾病治疗备选方案后，点击“疾病治疗方案优度评价”。详情如图5所示。

图5 储备可行疾病治疗方案界面

3.4 治疗方案优度评价

进入治疗方案优度评价页面，医务人员可在该页面确定备选治疗方案中哪个方案为最优方案。首先，医务人员通过与病人交流，确定治疗方案中“治疗费用”“治疗风险”“见效周期”以及“就医频率”等各项评价指标的权重。如果设置上述权重分别为0.3、0.3、0.2、0.2，则系统会根据评价指标确定五个备选治疗方案的优度。其中“口服柳氮磺吡啶2000 毫克/天，内服阳和汤1 剂/天”为最优治疗方案，其优度为0.958（最大值为1）；其次是治疗方案“注射阿达木单抗40毫克/次”，其优度为0.929。详情如图6所示。

图6 治疗方案优度评价界面

4 结语

本文介绍了可拓疾病治疗方案生成系统的框架流程设计及数据库设计，并通过强直性脊柱炎疾病治疗方案生成的具体案例说明该系统能有效地辅助临床医生获得适合患者个性化的最佳治疗方案。可拓疾病治疗方案生成系统引入可拓创新方法，从定量和定性两方面对疾病问题进行不相容度分析，构建疾病问题模型，利用可拓分析及可拓变换方法结合疾病可拓分析表及疾病问题治疗方案表获取疾病可行治疗方案，并引入治疗方案的可拓评价方法，定量计算出适合患者的最佳治疗方案，为计算机模拟人类思维智能生成疾病治疗方案研究奠定了基础。