基于PS的电子病历管理模型的构建与推理

方 婷,王晓华,杨 敏,冉梅梅

(1. 贵州大学计算机科学与技术学院,贵州 贵阳 550025;2. 遵义医科大学医学信息工程学院,贵州 遵义 563000)

1 引言

电子病历的管理[1,2]工作不仅是为了实现病人诊治信息和医疗管理信息的增、删、改、查,也是为了电子病历在医疗机构间共享后若被泄露可查询共享记录使得病历的来源与去处有迹可循,保证医院间病历的共享是安全可靠的。为此,文献[3]结合多色集合和围道矩阵分别从不同组织的不同视角提取各组织的外部交互活动和交互资源提出电子病历互访模型,便于患者在异地就诊时医院访问患者的相关病史以及诊疗情况。文献[4]通过部署区块链服务平台,将电子病历上链存证、共享与对患者确权,让患者取得了电子病历的管理权限,使其可以积累并提供来自不同医疗组织的病历信息,但此方案只是将病历中数据信息的摘要进行上链存证,无法查看完整的电子病历。文献[5]结合知识图谱技术与文本解析技术的方法,构建疾病知识库,完成电子病历的智能化管理。以上方案都实现了对病历的管理,但是未对电子病历的管理过程进行详细的形式化描述,本文针对此问题基于层次结构[6]构建的管理模型不仅能体现出该模型中不同模块及其元素之间耦合度的高低,而且还能对电子病历的管理模型进行详细的形式化描述。

本文构建的电子病历管理模型具有较为复杂的层次结构,由医疗活动、就诊记录、电子病历以及电子病历的操作记录等四个处于不同层次的元素构成,且这四个元素之间存在信息的交换。1988年至2002年期间,俄罗斯的Pavlov教授提出了多色集合理论[7,8](Polychromatic Sets Theory,PST)体系结构及其相关概念作为一种对信息进行描述和处理的数学工具,在为处理大量信息的系统进行建模与推理[9-11]分析时,可以利用多色集合中的围道矩阵来对各种不同对象的性质、属性以及各元素间的层次结构和关系类型进行仿真和描述,并在集合层和逻辑层组织对信息进行处理,该理论体系为现实系统模型的构建提供了一个新的有效方法。本文构建了基于多色集合的电子病历管理层次结构模型(A Hierarchical Model of Electronic Medical Records Management Based on Polychromatic Set,EMRM-PS),并对EMRM-PS层次结构模型进行详细的形式化描述和推理来验证所提模型和方法的正确性和有效性。

2 多色集合

传统集合A的表达能力有限,该集合的任意元素ai,aj∈A只能表示它们的名字都互不相同。而多色集合中把普通集合A中的元素作为多色集合的元素涂上一种“颜色”,集合A整体本身涂上一种“颜色”得到的颜色集合记为F(A),并用“围道”的概念来对不同对象及其所含元素的性质、属性、参数等进行仿真。多色集合的数学表达式为

(1)

在表达式(1)中,A={a1,a2,…,ai,…,an},表示普通集合A的元素是多色集合的元素;F(a)={f1,f2,…,fj,…,fmi},表示所有元素的个人着色;F(A)={F1,F2,…,Fj,…,Fp},表示多色集合A的统一着色;围道矩阵[A×F(a)]、[A×F(A)]和[A×A(F)]分别表示集合A与所有元素的个人着色F(a)、集合A的统一着色F(A)以及统一着色的体A(F)形成的布尔矩阵。

其中,[F(a)×F(A)]的表达式为

(2)

在布尔矩阵(2)中,如果统一颜色Fj的存在受到个人颜色fi的影响,那么cij=1,否则cij=0。该矩阵的第i个行布尔矢量表示受个人颜色fi影响到的统一颜色Fj,记为

Fj(A)={f1,f2,…,fi,…,fq}

(3)

该矩阵的第j个列布尔矢量表示统一颜色Fj的体A(Fj),记为

A(Fj)={aj1,aj2,…,ajs,…,ajt}

(4)

统一着色的体A(F)是由所有统一颜色Fj的体作为元素组成的集合,记为

(5)

3 PS层次结构模型

3.1 模型构建

对于只包含节点和边两个元素的传统层次结构,节点元素只能反映出各个节点的名字都互不相同,对于其它的任何性质在形式上都无法表示出来。边也只能表示节点之间的一种简单关系,对于元素间存在的其它复杂关系的形式化表达方面没有具体体现。利用多色集合的概念,增加节点颜色和各层次节点间的约束关系来改进只含有节点和边的简单层次结构。其中,各节点的表示以递归的形式表示如式(6)所示,在建立的约束关系集合F(e)={f1,f2,f3}中,如图1所示,f1为直接分解关系,f2为间接约束关系(最底层),f3为间接约束关系。

图1 PS层次结构模型

(6)

式中:A(0,0,0)——根节点;

F(A(0,0,0))——根节点的颜色(性质);

〈F(A(0,0,0)),A(0,0,0)〉——有序对,由根节点及其颜色组成;

n(k+1,ik)——第k层、第ik个节点的子节点数目;

nk——第k层的所有节点数目。

3.2 模型描述和推理

现有一集合A,组成集合A的元素为图1所示的模型中最后一层的所有节点。如果A(l,il,jl-1)∈A,l∈(1,2,…,n),那么第l层中第il(1≤il≤nl)个节点为叶节点(终止节点)。即各个深度不同分支的终止条件。

对于F(A(k+1,ik+1,ik))和F(A(k,ik,jk-1)),即f1类型的关系(相邻层节点),采用布尔矩阵[F(a)×F(A)]进行描述与推理。当A(l,il,jl-1)∈A时,A(l,il,jl-1)和F(A(l,il,jl-1)),即f1类型的关系(最底层节点),采用布尔矩阵[A×F(A)]进行描述与推理。

对于F(A(k,rk,jk-1))和F(A(k,sk,jk-1)),即f2类型的关系(同一层节点),采用自相关矩阵[F(A)×F(A)]进行描述与推理。当A(l,rl,jl-1),A(l,sl,jl-1)∈A时,A(l,rl,jl-1)和A(l,sl,jl-1),即为f3类型的关系(最底层节点与其它节点),采用自相关矩阵[F(a)×F(a)]进行描述与推理。

对于F(A(k+1,pk+1,qk))和F(A(k,ik,jk-1)),即f3类型的关系(相邻层节点),采用布尔矩阵[F(a)×F(A)]进行描述与推理。当A(l,il,jl-1)∈A时,A(l,il,jl-1)和F(A(l,pl,ql-1)),即f3类型的关系(最底层的节点与其它节点),采用关系矩阵[A×F(A)]进行描述与推理。

4 EMRM-PS层次结构模型

把电子病历管理系统(EMRMS)抽象成计算机可以处理和表达的形式,是本文构建电子病历管理模型的主要任务。本文构建的EMRMS是由四个模块及其大量元素根据两种关系耦合在一起构成的一个层次结构。因此,EMRMS的层次多且元素间关系复杂,本文把构成EMRMS的四个主要元素作为节点,元素之间的相互作用作为边,构建基于多色集合的电子病历管理(EMRM-PS)层次结构模型。

4.1 模型构建

在医疗信息化背景下,医院的电子病历管理系统都包含医疗活动、就诊记录、电子病历以及电子病历的操作记录等四个模块,它们之间存在递进和证明的关系,且均可以分解为更具体的元素。如图2所示的电子病历管理模型中,患者在医疗机构就诊时每完成一项医疗活动都会生成一份就诊记录,每生成一份就诊记录都会添加到该患者对应的电子病历中,电子病历每进行一次添加医疗信息等操作就会生成一份操作记录并保存下来,四个模块之间形成了一种递进的关系。同时,每项操作记录的生成都为电子病历中医疗信息的更改提供证明,电子病历的更新和生成也会为每一份就诊记录提供证明,而每份就诊记录的生成也为每一项医疗活动的完成提供证明。因此,医疗活动、就诊记录、电子病历以及操作记录等四个模块之间包含递进和证明两种关系,且这四个模块均可以分解成大量具体的元素,电子病历的管理模型就是由这四个模块之间的关系及其分解的大量元素耦合在一起组成的。综上,建立了如图3所示的基于多色集合的电子病历管理(EMRM-PS)层次结构模型。

图2 EMRM模型

图3 EMRM-PS层次结构模型

由图3可知,EMRM-PS层次结构模型包含4个层次,分别为:

4.2 模型描述

当前层节点功能的完成取决于下一层节点功能的实现,下一层节点功能的实现可为上一层节点功能的完成提供证明。即每个医疗活动的完成由就诊记录来证明,每份就诊记录的生成由电子病历的生成来证明,每份电子病历的生成由操作记录来证明。具体描述如下:

对于电子病历层(第3层),第4层操作记录层每个节点有且仅有一个父节点,但是多个操作记录可具有相同的父节点,即一份电子病历可进行五项操作(添加、删除、修改、查看、共享)后产生记录,并保留每项操作的最新操作记录,然后每份电子病历根据不同的操作进行实时更新。故电子病历层每个节点有一个或多个子节点,操作记录层中各个节点的实现情况对电子病历的更新和生成产生影响,具体不再描述。

4.3 模型的形式化推理

4.3.1 推理步骤

采用式(2)所示的围道矩阵[F(a)×F(A)]可以实现对EMRM-PS层次结构模型中节点之间的递进与证明关系的形式化描述。EMRM-PS层次模型的推理算法流程图如图4所示,根据下面的步骤可以完成该模型中信息的单向自动推理和双向自动推理。

图4 EMRM-PS层次结构模型推理流程图

1) 初始化模型设置当前层布尔矢量为Fk,并根据用户需求确定初始推理条件,根据初始条件判断推理类型为单向推理还是双向推理。当k=1时,为自顶向下的单向推理;当k=n时,为自底向上的单向推理;当1

2) 搜索第k层(当前层)与第k+1层或k-1层(相邻层)形成的围道矩阵[Fk×Fk+1]或[Fk×Fk-1],获得布尔矢量Fk+1或Fk-1,并令相邻层为当前层,即Fk=Fk+1或Fk=Fk-1。

3) 每次执行1)和2)时都需要判断第k层(当前层)是否为第n层(最底层)或第1层,如果是则输出结果,如果不是则继续执行2)。

4.3.2 推理过程

如图5所示,采用式(2)所示的围道矩阵[F(a)×F(A)]作为推理矩阵来对EMRM-PS层次结构模型中相邻层节点之间的完成和实现关系作详细的形式化描述,包括M1,2=[F1×F2]、M2,3=[F2×F3]和M3,4=[F3×F4]。也可以表示为M2,1=[F2×F1]、M3,2=[F3×F2]和M4,3=[F4×F3]。

图5 EMRM-PS层次结构模型推理矩阵

结合图5所示的推理矩阵来阐述EMRM-PS层次结构模型的单向和双向自动推理过程如下:

1)自顶向下单向推理

2)自底向上单向推理

3)同时向下、向上双向推理

假设初始条件为:现有一患者的就诊记录,要查出此患者完成的医疗活动以及该患者电子病历的操作记录,这是一个同时向下、向上的双向推理问题。首先将初始条件用布尔矢量表示为F2=[0001000000],并令Fk=F2,即F2为当前层。然后分别向上、向下推理。

①向上推理

搜索围道矩阵M1,2=[F1×F2]得到布尔矢量F1=[0001000000],并令Fk=F1,即F1为当前层。此时当前层为第1层,向上推理结束。综上,就诊记录4证明该患者完成了医疗活动4。

②向下推理

综上,就诊记录4证明了患者完成了医疗活动4,将其添加到电子病历3中,生成了添加这一操作记录并对该病历进行了更新,对电子病历层和操作记录层都造成了影响。

5 结束语

本文构建EMRM-PS层次结构模型的主要任务是把对电子病历的管理抽象成计算机可处理和表达的形式,这也为电子病历管理系统的设计与实现奠定了基础。本文基于多色集合理论,构建了EMRM-PS层次结构模型,在逻辑层实现了单向和双向自动推理,并通过举例推理验证了所提模型和方法的有效性,相较使用构架式思维等方法实现的电子病历管理,本文提出的EMRM-PS层次结构模型在问题的形式化描述、信息的高效处理和计算机编程等方面都具有明显优势。