基于知識(shí)圖譜的民族醫(yī)藥數(shù)據(jù)挖掘及可視化

摘" 要：為解決存儲(chǔ)高質(zhì)量民族醫(yī)藥數(shù)據(jù)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)化困難，為民族醫(yī)藥的推廣和研究提供參考，針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)中豐富的民族醫(yī)療資源，爬取了藏醫(yī)、苗醫(yī)、壯醫(yī)、蒙醫(yī)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。使用Neo4j圖數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到民族醫(yī)藥知識(shí)圖譜庫(kù)，然后進(jìn)行知識(shí)圖譜信息抽取和融合，進(jìn)而構(gòu)建民族醫(yī)藥方面知識(shí)圖譜并進(jìn)行可視化。基于知識(shí)圖譜的民族醫(yī)藥數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，可以降低信息搜索的成本，具有一定的研究意義和使用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：知識(shí)圖譜；民族醫(yī)藥；可視化；圖數(shù)據(jù)庫(kù)

中圖分類號(hào)：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2025）04-0151-06

Ethnic Medicine Data Mining and Visualization Based on Knowledge Graph

MENG Jiana， LIU Yidan， YANG Jun， ZHAO Di

（Computer Science and Engineering College， Dalian Minzu University， Dalian" 116650， China）

Abstract： To solve the standardization and systematization difficulties in storing high-quality ethnic medicine data and provide reference for the popularization and research of ethnic medicine， aiming at the rich ethnic medical resources on the Internet， this paper extracts the data of Tibetan medicine， Miao medicine， Zhuang medicine and Mongolian medicine， and processes the data. It uses Neo4j graph database to store the data into the ethnic medicine knowledge graph database， and then carries out Knowledge Graph information extraction and fusion. Then the Knowledge Graph of ethnic medicine is constructed and visualized. The visualization system of ethnic medicine data based on Knowledge Graph can reduce the cost of information search， and has certain research significance and application value.

Keywords： Knowledge Graph; ethnic medicine; visualization; graph database

0" 引" 言

本文主要借鑒知識(shí)圖譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)民族醫(yī)藥數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過整合互聯(lián)網(wǎng)中的民族醫(yī)療資源，利用知識(shí)圖譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的抽取、融合與推理，并構(gòu)建可視化展示平臺(tái)，有效解決了民族醫(yī)藥領(lǐng)域數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、標(biāo)準(zhǔn)化及系統(tǒng)化難題，促進(jìn)了民族醫(yī)藥知識(shí)的更新與進(jìn)步，降低了信息搜索成本，為民族醫(yī)藥的研究與應(yīng)用提供了有力支持[1-2]。

1" 民族醫(yī)藥知識(shí)圖譜框架設(shè)計(jì)

知識(shí)圖譜是結(jié)構(gòu)化的語義知識(shí)庫(kù)，用于以符號(hào)形式描述物理世界中的概念及其相互關(guān)系。其基本組成單位是“實(shí)體-關(guān)系-實(shí)體”三元組，和實(shí)體及其相關(guān)“屬性-值”對(duì)。實(shí)體可以是具體事物或者抽象概念，關(guān)系可以是實(shí)體的屬性或?qū)嶓w之間的關(guān)系。實(shí)體間通過關(guān)系相互聯(lián)結(jié)，構(gòu)成網(wǎng)狀的知識(shí)結(jié)構(gòu)[3-4]。運(yùn)用知識(shí)圖譜作為民族醫(yī)藥數(shù)據(jù)的載體，可以有效地挖掘民族醫(yī)藥之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，拓展民族醫(yī)藥領(lǐng)域的知識(shí)發(fā)現(xiàn)。

民族醫(yī)藥知識(shí)圖譜的構(gòu)建有以下幾個(gè)階段：數(shù)據(jù)獲取和處理、知識(shí)獲取、圖譜設(shè)計(jì)和圖譜存儲(chǔ)與應(yīng)用。數(shù)據(jù)獲取和處理是從互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)民族醫(yī)藥網(wǎng)站爬取數(shù)據(jù)，然后處理異常數(shù)據(jù)、重復(fù)數(shù)據(jù)和缺失值。知識(shí)獲取通過實(shí)體識(shí)別、關(guān)系抽取和屬性抽取獲取民族醫(yī)藥文章信息知識(shí)圖譜的三元組，圖譜存儲(chǔ)是利用Neo4j圖數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)民族醫(yī)藥知識(shí)圖譜節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)藥信息的精確查詢[5-6]。

本次項(xiàng)目涉及知識(shí)圖譜領(lǐng)域，將民族醫(yī)藥數(shù)據(jù)利用知識(shí)圖譜形式進(jìn)行構(gòu)建[7-8]。通過搜尋藥學(xué)方面數(shù)據(jù)將其轉(zhuǎn)化為可表示詞向量，進(jìn)而將詞向量進(jìn)行解釋和標(biāo)注，完成后將其存儲(chǔ)到構(gòu)建的民族醫(yī)藥知識(shí)圖譜庫(kù)中，進(jìn)行知識(shí)圖譜信息抽取、融合及推理，進(jìn)而構(gòu)建民族醫(yī)藥方面知識(shí)圖譜系統(tǒng)，過程如圖1所示。

2" 民族醫(yī)藥數(shù)據(jù)分析及可視化系統(tǒng)構(gòu)建

2.1" 數(shù)據(jù)獲取與處理

本項(xiàng)目利用Python編寫一個(gè)按關(guān)鍵字的爬蟲程序，高效而快捷的獲取大量與民族醫(yī)藥相關(guān)的知識(shí)。項(xiàng)目開展至今，通過獲取大量文獻(xiàn)及相關(guān)文件，對(duì)民族醫(yī)藥數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選與整理，例如，藏醫(yī)方面的《晶珠本草》《月王藥診》。

從民族醫(yī)藥各類相關(guān)網(wǎng)站獲取了一部分醫(yī)藥數(shù)據(jù)共2 294條，表1為藏族《晶珠本草》中部分藥品數(shù)據(jù)，包括民族、藥品名稱、藥物功能、藥品性質(zhì)等屬性。為后續(xù)完成節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建，建立節(jié)點(diǎn)關(guān)系提供數(shù)據(jù)支持。表2為常見中藥對(duì)應(yīng)疾病、癥狀、用藥的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

通過對(duì)原始數(shù)據(jù)清洗與預(yù)處理，去除重復(fù)數(shù)據(jù)、格式統(tǒng)一化的解析，使得原始數(shù)據(jù)具有結(jié)構(gòu)化，將文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化的實(shí)體、屬性和關(guān)系，建立起數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系；經(jīng)過結(jié)構(gòu)化處理的數(shù)據(jù)，利用知識(shí)圖譜的建模方法和圖數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)構(gòu)建民族醫(yī)藥知識(shí)圖譜。

2.2" 知識(shí)圖譜存儲(chǔ)

為了實(shí)現(xiàn)知識(shí)圖譜數(shù)據(jù)的持久化保存，并將其應(yīng)用于數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析和知識(shí)推理以及應(yīng)用開發(fā)等各方面，本文將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三元組形式的數(shù)據(jù)。使用Python編程語言，并調(diào)用Py2neo庫(kù)將經(jīng)過數(shù)據(jù)處理的三元組連接到圖數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行導(dǎo)入。這樣的操作將使得數(shù)據(jù)變得更易于訪問和理解，同時(shí)也為未來的知識(shí)圖譜應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。使用Neo4j中的Neo4j-Browser工具[9-10]，結(jié)合民族醫(yī)藥數(shù)據(jù)創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)，核對(duì)節(jié)點(diǎn)并建立節(jié)點(diǎn)間關(guān)系，生成了如圖2所示的各個(gè)藥物性質(zhì)與功能的關(guān)系圖譜。其中藍(lán)色節(jié)點(diǎn)表示對(duì)應(yīng)治療的癥狀或疾病，其他顏色節(jié)點(diǎn)表示各類藥物，例如黃色顏色此藥物表示可溶性珍寶藥物屬性。

利用Python編程語言及其Py2neo庫(kù)與Neo4j圖數(shù)據(jù)庫(kù)交互，以構(gòu)建藏族民族醫(yī)藥知識(shí)圖譜的過程。首先，定義Neo4j數(shù)據(jù)庫(kù)的URL及必要的包括用戶名和密碼的認(rèn)證信息，并據(jù)此初始化數(shù)據(jù)庫(kù)連接。隨后，實(shí)例化Py2neo的Graph類，創(chuàng)建一個(gè)名為graph的實(shí)例，用于執(zhí)行Cypher查詢和命令，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的交互操作。

為了在圖數(shù)據(jù)庫(kù)中高效匹配節(jié)點(diǎn)，進(jìn)一步利用NodeMatcher類創(chuàng)建了名為match1的實(shí)例，該實(shí)例基于已建立的graph連接，支持后續(xù)的節(jié)點(diǎn)搜索操作。

在處理數(shù)據(jù)級(jí)階段，打開包含經(jīng)過處理的以空格為分隔符記錄、每行詳細(xì)記錄了一種藥材的多種屬性的藏族民族醫(yī)藥信息數(shù)據(jù)的文本文件。通過逐行讀取并解析文件內(nèi)容，每行數(shù)據(jù)遵循特定格式，包括標(biāo)識(shí)符、藥材名稱、以逗號(hào)分隔的藥材功效描述，以及其他內(nèi)部標(biāo)識(shí)符字段。

在構(gòu)建圖模型階段，首先對(duì)于解析出的每行數(shù)據(jù)，創(chuàng)建以“藏族：藥材”為標(biāo)簽的節(jié)點(diǎn)，并設(shè)置相應(yīng)的藥材名稱屬性。接著，解析藥材的功效描述，并通過維護(hù)一個(gè)功效列表（命名為func）來確保功效節(jié)點(diǎn)的唯一性，逐一創(chuàng)建尚未存在于圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的功效節(jié)點(diǎn)。最后，在藥材節(jié)點(diǎn)與每個(gè)對(duì)應(yīng)的功效節(jié)點(diǎn)之間建立了“作用”和“用藥”兩種關(guān)系，表達(dá)藥材與其功效之間的內(nèi)在聯(lián)系。其中，“作用”關(guān)系從藥材節(jié)點(diǎn)指向功效節(jié)點(diǎn)，表示藥材具有某種特定功效；“用藥”關(guān)系則從功效節(jié)點(diǎn)指向藥材節(jié)點(diǎn)，反映了該功效被用于特定藥材的關(guān)聯(lián)。構(gòu)建流程如圖3所示。

2.3" 可視化實(shí)現(xiàn)

基于目前數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)數(shù)據(jù)，已經(jīng)顯示出藥品與癥狀或治療方法的關(guān)系圖，僅僅顯示一張復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)圖無法快速找到需要查找的藥材與藥材的關(guān)系，因此劃分功能模塊，逐一完成了向數(shù)據(jù)庫(kù)增加藥材和功效的節(jié)點(diǎn)，增加藥材與功效間關(guān)系，刪除藥材和功效節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)間關(guān)系，修改節(jié)點(diǎn)信息或關(guān)系，以及按照藥材查詢或者按照功效查詢獲得相關(guān)圖譜信息。系統(tǒng)首先通過編碼連接到數(shù)據(jù)庫(kù)，成功連接后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)入庫(kù)操作。隨后使用Python語言設(shè)計(jì)一套直觀、易用的GUI界面，對(duì)節(jié)點(diǎn)的增刪改查和對(duì)關(guān)系的增刪改等功能實(shí)現(xiàn)。在GUI模板完成后，逐步添加詳細(xì)功能模塊。關(guān)鍵技術(shù)包括操作圖形數(shù)據(jù)庫(kù)的CQL語言以及使用Python實(shí)現(xiàn)操作的Py2neo功能模塊包[11-12]，圖4為系統(tǒng)主界面。

系統(tǒng)主界面建立思路如下：首先定義一個(gè)名為MainWindow的類，該類創(chuàng)建了包含圖形用戶界面（GUI）的主窗口，用于展示和管理名為“民族醫(yī)藥系統(tǒng)”的應(yīng)用。界面使用Tkinter庫(kù)構(gòu)建，同時(shí)結(jié)合PIL（Python Imaging Library）來處理圖像。圖5為系統(tǒng)主界面實(shí)現(xiàn)流程圖。

在初始化接口階段，首先設(shè)置了主窗口的標(biāo)題、大小、位置。然后，定義兩個(gè)框架（frame_top和frame_side），分別用于顯示圖像和按鈕。frame_top用于圖像顯示，通過嵌入的畫布控件動(dòng)態(tài)加載和調(diào)整圖像大小；frame_side用于操作按鈕和查詢功能，提供用戶交互的接口。為了確保系統(tǒng)能夠成功加載和顯示圖像，使用動(dòng)態(tài)圖像加載方法，其做法是讀取指定路徑的圖像文件，根據(jù)畫布大小動(dòng)態(tài)調(diào)整圖像尺寸，并在畫布上展示。同時(shí)，通過機(jī)制設(shè)計(jì)確保在窗口尺寸變化時(shí)自動(dòng)調(diào)用該方法，以適應(yīng)新的畫布尺寸。

創(chuàng)建窗口按鈕階段，在框架中創(chuàng)建了一系列按鈕，按鈕文本如“添加藥材”“編輯關(guān)系”等，直接反映了其各自的功能，便于用戶快速識(shí)別與操作。每個(gè)按鈕都綁定了相應(yīng)的事件處理函數(shù)，當(dāng)用戶點(diǎn)擊按鈕時(shí)，會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的操作，如打開新的窗口以輸入或修改數(shù)據(jù)。

創(chuàng)建查詢模塊階段，首先創(chuàng)建查詢功能界面，界面由一個(gè)標(biāo)簽、一個(gè)輸入框和一個(gè)提交按鈕組成。查詢操作的處理邏輯封裝在MyClick方法中。當(dāng)用戶點(diǎn)擊提交按鈕時(shí)，MyClick方法首先會(huì)刪除當(dāng)前畫布上的圖像，然后更新圖像路徑為查詢結(jié)果對(duì)應(yīng)的圖像文件，并重新調(diào)用create_image方法來顯示新的圖像。完成查詢后，系統(tǒng)會(huì)彈出一個(gè)提示框，告知用戶查詢結(jié)果。

當(dāng)系統(tǒng)完成用戶點(diǎn)擊的功能后，會(huì)等待用戶的下一步操作，若用戶點(diǎn)擊其他功能，則系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶點(diǎn)擊的按鈕不同，打開不同的子窗口（如添加藥材、編輯關(guān)系等）。這些子窗口的類（如NodeDemo、FuncDemo等）在其他文件中定義，并通過參數(shù)傳遞不同的值來執(zhí)行不同的操作。

系統(tǒng)主界面上部標(biāo)有“民族醫(yī)藥系統(tǒng)”，界面中部顯示數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)信息及關(guān)聯(lián)關(guān)系，右側(cè)列出用戶可操作的功能模塊，其中包括添加藥材、添加功效、添加關(guān)系、編輯藥材、編輯功效、編輯關(guān)系、刪除節(jié)點(diǎn)、刪除關(guān)系以及查詢功能。以查詢功能為例，說明系統(tǒng)操作功能。查詢功能中，主頁(yè)的右下角輸入想要查詢的藥材名稱，若查詢成功則彈出“數(shù)據(jù)查詢成功！”提醒。圖6中查詢“豬頭石”這一藥材，界面彈出提示查詢成功，系統(tǒng)將查詢到的具有此節(jié)點(diǎn)圖譜顯示在主界面上。

2.4" 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試是評(píng)估軟件系統(tǒng)質(zhì)量和功能的過程，驗(yàn)證系統(tǒng)是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范、滿足用戶需求，并且在不同環(huán)境下能夠正常運(yùn)行和穩(wěn)定工作。通過輸入各種不同類型的測(cè)試數(shù)據(jù)，模擬實(shí)際使用場(chǎng)景檢驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和有效性，以確保系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，經(jīng)過測(cè)試該系統(tǒng)符合預(yù)期要求。部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

3" 結(jié)" 論

本文利用知識(shí)圖譜技術(shù)，對(duì)爬取的互聯(lián)網(wǎng)上的藏醫(yī)、苗醫(yī)、壯醫(yī)、蒙醫(yī)等多元民族醫(yī)藥數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，構(gòu)建出包含復(fù)雜交互關(guān)系的民族醫(yī)藥知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了信息的精準(zhǔn)抽取、高效融合與智能推理，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)直觀易用的可視化展示平臺(tái)，該平臺(tái)將民族醫(yī)藥知識(shí)轉(zhuǎn)化為直觀化的表現(xiàn)形式，提升了信息檢索的效率與準(zhǔn)確性，降低了信息獲取的成本。未來本研究將進(jìn)一步擴(kuò)大數(shù)據(jù)源的廣度與深度，并不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)挖掘算法，為民族醫(yī)藥的現(xiàn)代化、國(guó)際化發(fā)展開辟新路徑。

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作者簡(jiǎn)介：孟佳娜（1972—），女，漢族，吉林四平人，教授，博士，研究方向：機(jī)器學(xué)習(xí)和文本挖掘；通信作者：趙迪（1992—），男，漢族，吉林四平人，講師，博士，研究方向：實(shí)體識(shí)別和知識(shí)圖譜。

收稿日期：2023-08-06

基金項(xiàng)目：遼寧省自然科學(xué)基金計(jì)劃項(xiàng)目（2022-BS-104）；遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃課題（202312026121）；大連市社科院2024年調(diào)研課題（2024dlsky024）