基于知識(shí)圖譜的醫(yī)學(xué)信息查詢系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

左海維 朱紅 馬金鳳 張昌明 王淋 金宏飛

摘要：目前醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容存在知識(shí)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(yīng)用場(chǎng)景需求及課程綜合技能訓(xùn)練要求，利用知識(shí)圖譜、數(shù)據(jù)庫處理以及數(shù)據(jù)可視化等技術(shù)，設(shè)計(jì)醫(yī)療健康知識(shí)百科查詢系統(tǒng)的綜合實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)包括用戶注冊(cè)、用戶登錄、快速鏈接、詳細(xì)介紹以及知識(shí)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(shí)圖譜的可視化等功能。通過教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)有助于幫助學(xué)生通過各環(huán)節(jié)快速理解系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)學(xué)生理解所學(xué)專業(yè)課程之間的關(guān)聯(lián)性，并培養(yǎng)智能醫(yī)學(xué)方向的學(xué)生面向?qū)嶋H場(chǎng)景進(jìn)行醫(yī)療信息系統(tǒng)開發(fā)的能力。

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

中圖分類號(hào)：TP391.3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）36-0001-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)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(dòng)下，互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療的服務(wù)量激增，對(duì)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(xí)慣通過互聯(lián)網(wǎng)查詢常見疾病相關(guān)知識(shí)，如何在海量的醫(yī)療大數(shù)據(jù)知識(shí)庫中高效、準(zhǔn)確地進(jìn)行檢索是解決用戶需求的基礎(chǔ)[2]。知識(shí)圖譜技術(shù)[2]能夠?qū)?fù)雜結(jié)構(gòu)化信息之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行梳理和可視化展示，目前廣泛應(yīng)用在智能問答[3]、智能搜索及推薦[4]、知識(shí)百科[5]等領(lǐng)域。基于知識(shí)圖譜的醫(yī)療健康知識(shí)百科查詢系統(tǒng)能夠提供準(zhǔn)確、詳細(xì)的醫(yī)療健康知識(shí)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(duì)性等問題，是當(dāng)前醫(yī)療信息系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)之一。

醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)是培養(yǎng)“醫(yī)工結(jié)合”、具備醫(yī)學(xué)專業(yè)知識(shí)和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)踐能力復(fù)合型人才的重要平臺(tái)[6]，學(xué)生需要能夠根據(jù)所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通，解決醫(yī)療健康領(lǐng)域應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)際需求。然而，目前醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)課程仍存在各課程實(shí)驗(yàn)設(shè)置獨(dú)立分散，容易產(chǎn)生“知識(shí)孤島”;與醫(yī)療健康應(yīng)用結(jié)合性不強(qiáng)，難以與未來行業(yè)接軌等問題。為此，醫(yī)學(xué)信息課程實(shí)驗(yàn)需要不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(shí)驗(yàn)利用知識(shí)圖譜技術(shù)綜合設(shè)計(jì)醫(yī)療健康知識(shí)百科查詢系統(tǒng)。通過案例化教學(xué)深化學(xué)生對(duì)行業(yè)的認(rèn)同感，提高對(duì)知識(shí)技能的實(shí)踐能力，培養(yǎng)通過計(jì)算機(jī)技術(shù)解決行業(yè)問題的能力。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)醫(yī)學(xué)院校醫(yī)學(xué)信息專業(yè)課程的教學(xué)目標(biāo)，要求提升學(xué)生對(duì)學(xué)科的認(rèn)知，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)專業(yè)知識(shí)和信息科學(xué)技能，培養(yǎng)學(xué)生“醫(yī)工結(jié)合”，讓學(xué)生成為具有計(jì)算機(jī)技術(shù)知識(shí)與實(shí)踐能力的應(yīng)用型、復(fù)合型人才[6]。因此，醫(yī)學(xué)信息課程綜合實(shí)驗(yàn)需要從實(shí)踐需求出發(fā)，旨在培養(yǎng)訓(xùn)練學(xué)生以下幾個(gè)方面的能力[7-10]：

（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。結(jié)合醫(yī)學(xué)信息專業(yè)背景，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，包括：系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等，加深學(xué)生對(duì)軟件工程、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等課程的理解與應(yīng)用。

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

（3）邏輯思維能力。培養(yǎng)學(xué)生將實(shí)際需求抽象成計(jì)算機(jī)需要解決的問題，并通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、可視化分析等方式對(duì)問題進(jìn)行梳理、推斷和思考，從而設(shè)計(jì)合理的解決方案。

（4）開發(fā)編程能力。實(shí)驗(yàn)針對(duì)系統(tǒng)各個(gè)功能模塊進(jìn)行考查，選取學(xué)生已經(jīng)掌握的編程語言及主流的設(shè)計(jì)模式，鍛煉學(xué)生的項(xiàng)目開發(fā)編程能力，促進(jìn)學(xué)生對(duì)編程語言活學(xué)活用。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

醫(yī)療健康知識(shí)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(duì)象）模式[12]的設(shè)計(jì)方法。通過Java Bean實(shí)現(xiàn)DAO模式，允許業(yè)務(wù)邏輯與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)邏輯分離。這種系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于利用MVC模式進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，降低了層與層之間的依賴，便于學(xué)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(chǔ)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(chǔ)和管理知識(shí)圖譜，使用Java語言開發(fā)訪問Neo4j數(shù)據(jù)庫的工具類，學(xué)生可以通過系統(tǒng)界面直接對(duì)Neo4j進(jìn)行操作，不需要學(xué)習(xí)Cypher語言，降低了學(xué)生使用Neo4j的難度。

軟件設(shè)計(jì)包括用戶注冊(cè)、用戶登錄、快速鏈接、詳細(xì)介紹及知識(shí)圖譜可視化五個(gè)模塊，方便學(xué)生根據(jù)模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)程序編寫與完善。其中，知識(shí)圖譜是實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)，需要實(shí)現(xiàn)添加節(jié)點(diǎn)、添加節(jié)點(diǎn)間關(guān)系、查詢節(jié)點(diǎn)、查詢節(jié)點(diǎn)間關(guān)系、查詢節(jié)點(diǎn)間路徑以及查詢?nèi)窟@六個(gè)功能。系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是確保整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，要求學(xué)生分別從客戶端和服務(wù)器端兩個(gè)部分對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行搭建?？蛻舳税ǎ汗P記本電腦、臺(tái)式機(jī)或平板電腦等，用于用戶訪問系統(tǒng)。服務(wù)器主要是Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，Web服務(wù)器用于運(yùn)行系統(tǒng)代碼，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于存儲(chǔ)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL和圖數(shù)據(jù)庫Neo4j。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)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(wù)器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器設(shè)計(jì)為各自獨(dú)立運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可以自動(dòng)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(shè)計(jì)

為了方便學(xué)生理解，提高學(xué)生的邏輯思維能力，將系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行搭建，并規(guī)定相關(guān)類。為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，功能模塊開發(fā)方面在此基礎(chǔ)上進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的可視化顯示。這種設(shè)計(jì)具有良好的可拓展性，同時(shí)也能夠規(guī)范化開發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生良好的編程習(xí)慣，有助于編程能力的提升。

3.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)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(wù)邏輯分離，對(duì)上層提供面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)訪問接口。另外，DAO模式還對(duì)MySQL和Neo4j兩種不同數(shù)據(jù)庫進(jìn)行隔離，降低了代碼的耦合性，提高了系統(tǒng)的擴(kuò)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(wù)器啟動(dòng)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(qǐng)求;

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

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

（5）JSP頁面顯示相應(yīng)結(jié)果。

3.2 功能模塊設(shè)計(jì)

學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求，設(shè)計(jì)以下功能模塊，并對(duì)各模塊進(jìn)行編程。

（1）用戶注冊(cè)模塊與用戶登錄模塊

用戶首次訪問系統(tǒng)需要進(jìn)行用戶注冊(cè)，填寫個(gè)人信息，包括用戶名、密碼設(shè)置、郵箱地址、姓名、手機(jī)號(hào)、性別、出生日期及驗(yàn)證碼。信息填寫完成后，點(diǎn)擊注冊(cè)進(jìn)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(cè)用戶日常登錄界面，需要填寫用戶名、密碼以及驗(yàn)證碼。用戶注冊(cè)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(xì)介紹模塊

系統(tǒng)主頁設(shè)置快速鏈接選項(xiàng)，用戶點(diǎn)擊后可以進(jìn)入常用健康知識(shí)網(wǎng)站。用戶點(diǎn)擊主頁介紹的健康知識(shí)進(jìn)入詳細(xì)介紹界面，詳細(xì)介紹健康知識(shí)，包括疾病的原因以及預(yù)防措施等。快速鏈接與詳細(xì)介紹模塊工作流程如圖5所示。

（3）知識(shí)圖譜模塊

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

知識(shí)圖譜模塊實(shí)驗(yàn)包括知識(shí)獲取、知識(shí)表示、知識(shí)存儲(chǔ)和知識(shí)圖譜可視化操作四個(gè)步驟：

（1）知識(shí)獲取

知識(shí)圖譜展示的知識(shí)點(diǎn)不是憑空產(chǎn)生的，需要從不同的數(shù)據(jù)源中提取有價(jià)值的目標(biāo)數(shù)據(jù)。醫(yī)療知識(shí)圖譜的知識(shí)需來源于專業(yè)的醫(yī)學(xué)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(shí)。

（2）知識(shí)表示

使用“點(diǎn)”表示各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，使用“邊”表示各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系。每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)唯一的ID，通過一條或多條邊與其他節(jié)點(diǎn)相連接。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)使用鍵值對(duì)來表示自身的屬性。同樣，每一條邊也對(duì)應(yīng)唯一的ID，且與兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相連接以表示兩節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系。每一條邊都有唯一的標(biāo)識(shí)，使用鍵值對(duì)來表示兩節(jié)點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（3）知識(shí)存儲(chǔ)

知識(shí)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(chǔ)相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，所以本實(shí)驗(yàn)采用圖數(shù)據(jù)庫Neo4j來存儲(chǔ)知識(shí)圖譜。

（4）圖譜可視化

知識(shí)的可視化可以將復(fù)雜的知識(shí)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(zhǔn)確快速地理解與記憶知識(shí)，縮短人們學(xué)習(xí)的時(shí)間和精力。本實(shí)驗(yàn)中知識(shí)圖譜的可視化，不僅要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)展示知識(shí)節(jié)點(diǎn)，還要體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)性，從而繪制完整的知識(shí)圖譜。

4 功能展示

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

知識(shí)圖譜模塊主要實(shí)現(xiàn)用戶輸入和知識(shí)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(gè)文本輸入框和六個(gè)功能按鈕，最下方設(shè)置一個(gè)返回主頁的超鏈接。用戶可在該界面輸入節(jié)點(diǎn)和關(guān)系名稱，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的按鈕，完成相對(duì)應(yīng)的操作。之后，通過知識(shí)圖譜展示模塊顯示相應(yīng)的知識(shí)圖譜數(shù)據(jù)。以搜索咳嗽為例，系統(tǒng)展示的相關(guān)知識(shí)圖譜如圖9所示。通過該知識(shí)圖譜，用戶可以了解與中醫(yī)十咳相關(guān)的咳嗽類型，進(jìn)而幫助用戶進(jìn)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(xué)信息工程專業(yè)課程的實(shí)踐需求，結(jié)合醫(yī)療信息化應(yīng)用場(chǎng)景需求及課程綜合技能訓(xùn)練要求，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了基于知識(shí)圖譜的醫(yī)療健康知識(shí)百科查詢系統(tǒng)。通過教學(xué)實(shí)踐表明，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)與要求，通過對(duì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、軟件架構(gòu)以及功能等方面的設(shè)計(jì)，不僅能夠鍛煉學(xué)生的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)能力，提高學(xué)生工程開發(fā)水平，同時(shí)還能將理論與實(shí)踐相結(jié)合，為學(xué)生構(gòu)建智能醫(yī)學(xué)方向的課程知識(shí)體系。

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【通聯(lián)編輯：王力】