基于知識圖譜的醫學信息查詢系統實驗設計

左海維 朱紅 馬金鳳 張昌明 王淋 金宏飛

摘要：目前醫學信息工程專業課程實驗內容存在知識體系不連貫、與行業背景脫節等問題。該文結合醫療信息化應用場景需求及課程綜合技能訓練要求，利用知識圖譜、數據庫處理以及數據可視化等技術，設計醫療健康知識百科查詢系統的綜合實驗。系統包括用戶注冊、用戶登錄、快速鏈接、詳細介紹以及知識圖譜模塊，能夠實現常見疾病的查詢、關聯以及知識圖譜的可視化等功能。通過教學實踐發現，該實驗有助于幫助學生通過各環節快速理解系統框架結構，增強學生理解所學專業課程之間的關聯性，并培養智能醫學方向的學生面向實際場景進行醫療信息系統開發的能力。

關鍵詞：醫學信息;信息查詢;知識圖譜;數據庫;可視化

中圖分類號：TP391.3? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）36-0001-04

開放科學（資源服務）標識碼（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下，互聯網醫療的服務量激增，對老百姓便捷獲取醫療資源、支撐常態化疫情防控具有重要作用[1]。隨著互聯網醫療的不斷發展與完善，大多數人習慣通過互聯網查詢常見疾病相關知識，如何在海量的醫療大數據知識庫中高效、準確地進行檢索是解決用戶需求的基礎[2]。知識圖譜技術[2]能夠對復雜結構化信息之間的邏輯關系進行梳理和可視化展示，目前廣泛應用在智能問答[3]、智能搜索及推薦[4]、知識百科[5]等領域。基于知識圖譜的醫療健康知識百科查詢系統能夠提供準確、詳細的醫療健康知識查詢結果，避免了過往查詢結果過于專業難懂以及缺乏針對性等問題，是當前醫療信息系統研究與設計的熱點之一。

醫學信息工程專業是培養“醫工結合”、具備醫學專業知識和計算機技術實踐能力復合型人才的重要平臺[6]，學生需要能夠根據所學知識融會貫通，解決醫療健康領域應用場景的實際需求。然而，目前醫學信息工程專業課程仍存在各課程實驗設置獨立分散，容易產生“知識孤島”;與醫療健康應用結合性不強，難以與未來行業接軌等問題。為此，醫學信息課程實驗需要不斷優化設計，在醫療大數據背景下，探索如何有效獲取醫療資源。本實驗利用知識圖譜技術綜合設計醫療健康知識百科查詢系統。通過案例化教學深化學生對行業的認同感，提高對知識技能的實踐能力，培養通過計算機技術解決行業問題的能力。

1 實驗設計目標

根據醫學院校醫學信息專業課程的教學目標，要求提升學生對學科的認知，指導學生學習醫學專業知識和信息科學技能，培養學生“醫工結合”，讓學生成為具有計算機技術知識與實踐能力的應用型、復合型人才[6]。因此，醫學信息課程綜合實驗需要從實踐需求出發，旨在培養訓練學生以下幾個方面的能力[7-10]：

（1）系統設計能力。結合醫學信息專業背景，培養學生系統設計能力，包括：系統總體設計、網絡架構設計、軟件設計等，加深學生對軟件工程、計算機網絡等課程的理解與應用。

（2）數據管理能力。學生對醫療健康知識結構化數據結合實際問題進行分析，充分利用數據庫管理知識，通過結構化數據庫、圖數據庫進行數據管理，加深學生的數據管理能力。

（3）邏輯思維能力。培養學生將實際需求抽象成計算機需要解決的問題，并通過數據統計、可視化分析等方式對問題進行梳理、推斷和思考，從而設計合理的解決方案。

（4）開發編程能力。實驗針對系統各個功能模塊進行考查，選取學生已經掌握的編程語言及主流的設計模式，鍛煉學生的項目開發編程能力，促進學生對編程語言活學活用。

2 實驗系統設計

2.1系統總體設計

醫療健康知識百科查詢系統總體架構采用主流的MVC（Model View Controller，模型-視圖-控制器）模式[11]搭配DAO（Data Access Object，數據訪問對象）模式[12]的設計方法。通過Java Bean實現DAO模式，允許業務邏輯與數據存儲邏輯分離。這種系統設計的優勢在于利用MVC模式進行分層設計，降低了層與層之間的依賴，便于學生開發。

系統數據層采用關系型數據庫MySQL和圖數據庫Neo4j[13]。其中，MySQL數據庫用于存儲如用戶基本信息等結構化數據。Neo4j數據庫用于存儲和管理知識圖譜，使用Java語言開發訪問Neo4j數據庫的工具類，學生可以通過系統界面直接對Neo4j進行操作，不需要學習Cypher語言，降低了學生使用Neo4j的難度。

軟件設計包括用戶注冊、用戶登錄、快速鏈接、詳細介紹及知識圖譜可視化五個模塊，方便學生根據模塊進行實驗程序編寫與完善。其中，知識圖譜是實驗重點，需要實現添加節點、添加節點間關系、查詢節點、查詢節點間關系、查詢節點間路徑以及查詢全部這六個功能。系統功能模塊設計如圖1所示。

2.2 網絡架構設計

網絡架構是確保整個系統正常運行的基礎，要求學生分別從客戶端和服務器端兩個部分對系統網絡架構進行搭建。客戶端包括：筆記本電腦、臺式機或平板電腦等，用于用戶訪問系統。服務器主要是Web服務器和數據庫服務器，Web服務器用于運行系統代碼，數據庫服務器用于存儲關系型數據庫MySQL和圖數據庫Neo4j。本實驗系統的網絡架構如圖2所示。

為了保證系統的安全性與高可用性，將Web服務器與數據庫服務器設計為各自獨立運行。當系統運行出現故障時，數據庫服務器可以自動備份系統數據，降低系統損害程度。

3 系統軟件設計

為了方便學生理解，提高學生的邏輯思維能力，將系統軟件設計分為軟件架構搭建和功能模塊開發。在軟件架構部分按照MVC結合DAO的模式對系統架構進行搭建，并規定相關類。為統一標準，功能模塊開發方面在此基礎上進行編程，實現人機交互的可視化顯示。這種設計具有良好的可拓展性，同時也能夠規范化開發，培養學生良好的編程習慣，有助于編程能力的提升。

3.1 軟件架構設計

本實驗系統采用的DAO模式提供了訪問關系型數據庫MySQL所需操作的接口，將數據訪問和業務邏輯分離，對上層提供面向對象的數據訪問接口。另外，DAO模式還對MySQL和Neo4j兩種不同數據庫進行隔離，降低了代碼的耦合性，提高了系統的擴展性和移植性。圖3展示了系統軟件架構，其工作流程為：

（1）Web服務器啟動并初始化Servlet程序;

（2）用戶通過瀏覽器在客戶頁面發送操作請求;

（3）Servlet獲取前端頁面發送的請求與數據;

（4）Servlet調用具體的接口和方法處理請求，并將處理結果返回給JSP頁面;

（5）JSP頁面顯示相應結果。

3.2 功能模塊設計

學生根據實驗任務要求，設計以下功能模塊，并對各模塊進行編程。

（1）用戶注冊模塊與用戶登錄模塊

用戶首次訪問系統需要進行用戶注冊，填寫個人信息，包括用戶名、密碼設置、郵箱地址、姓名、手機號、性別、出生日期及驗證碼。信息填寫完成后，點擊注冊進入激活界面，系統發送激活郵件，用戶完成激活后便可以登錄系統。用戶登錄界面為已注冊用戶日常登錄界面，需要填寫用戶名、密碼以及驗證碼。用戶注冊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介紹模塊

系統主頁設置快速鏈接選項，用戶點擊后可以進入常用健康知識網站。用戶點擊主頁介紹的健康知識進入詳細介紹界面，詳細介紹健康知識，包括疾病的原因以及預防措施等。快速鏈接與詳細介紹模塊工作流程如圖5所示。

（3）知識圖譜模塊

知識圖譜模塊需要設計添加節點、添加節點間關系、查詢節點、查詢節點間關系、查詢節點間路徑以及查詢全部知識圖譜的功能。知識圖譜模塊工作流程如圖6所示。

知識圖譜模塊實驗包括知識獲取、知識表示、知識存儲和知識圖譜可視化操作四個步驟：

（1）知識獲取

知識圖譜展示的知識點不是憑空產生的，需要從不同的數據源中提取有價值的目標數據。醫療知識圖譜的知識需來源于專業的醫學書籍、醫院的電子病歷以及各大醫療網站的醫科知識。

（2）知識表示

使用“點”表示各個知識點，使用“邊”表示各個知識點之間的聯系。每個節點對應唯一的ID，通過一條或多條邊與其他節點相連接。每個節點都會使用鍵值對來表示自身的屬性。同樣，每一條邊也對應唯一的ID，且與兩個節點相連接以表示兩節點之間的關系。每一條邊都有唯一的標識，使用鍵值對來表示兩節點之間的對應關系。

（3）知識存儲

知識圖譜需要采用圖的數據結構，而傳統的關系型數據庫很難存儲相互關聯的數據，所以本實驗采用圖數據庫Neo4j來存儲知識圖譜。

（4）圖譜可視化

知識的可視化可以將復雜的知識轉變成人們容易理解與接受的圖像形式，使人們更加準確快速地理解與記憶知識，縮短人們學習的時間和精力。本實驗中知識圖譜的可視化，不僅要求學生實現展示知識節點，還要體現節點之間的關聯性，從而繪制完整的知識圖譜。

4 功能展示

以搜索咳嗽疾病癥狀為例，系統會在詳細介紹界面向用戶介紹與咳嗽相關的疾病與健康知識，包括疾病產生的原因和預防措施等，如圖7所示。

知識圖譜模塊主要實現用戶輸入和知識圖譜展示兩部分內容。用戶輸入模塊如圖8所示，包括三個文本輸入框和六個功能按鈕，最下方設置一個返回主頁的超鏈接。用戶可在該界面輸入節點和關系名稱，點擊對應的按鈕，完成相對應的操作。之后，通過知識圖譜展示模塊顯示相應的知識圖譜數據。以搜索咳嗽為例，系統展示的相關知識圖譜如圖9所示。通過該知識圖譜，用戶可以了解與中醫十咳相關的咳嗽類型，進而幫助用戶進一步查詢具體的咳嗽類型和癥狀。

5 結語

面向醫療大數據背景下醫學信息工程專業課程的實踐需求，結合醫療信息化應用場景需求及課程綜合技能訓練要求，本實驗設計了基于知識圖譜的醫療健康知識百科查詢系統。通過教學實踐表明，該實驗系統能夠滿足設計目標與要求，通過對系統的網絡架構、軟件架構以及功能等方面的設計，不僅能夠鍛煉學生的系統分析與設計能力，提高學生工程開發水平，同時還能將理論與實踐相結合，為學生構建智能醫學方向的課程知識體系。

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【通聯編輯：王力】