趙 芳 范 倩 焦 琳 程文林 武小平

（1.武漢大學(xué)中南醫(yī)院心血管內(nèi)科 武漢 430071）（2.武漢大學(xué)計算機學(xué)院 武漢 430070）

1 引言

冠心病是由環(huán)境因素和遺傳因素共同作用導(dǎo)致的復(fù)雜性疾病。據(jù)最新WHO統(tǒng)計，冠心病導(dǎo)致的死亡人數(shù)占全球總死亡人數(shù)的12.9%，是世界上最常見的死亡原因之一。盡管藥物、冠脈介入及冠脈搭橋在冠心病治療中起到重要作用，但是心臟康復(fù)治療亦不容忽視。目前我國關(guān)于冠心病的康復(fù)方案需要醫(yī)生根據(jù)自身經(jīng)驗為患者定制處方，制定方案效率較低，醫(yī)療資源利用率低［1］。設(shè)計并實現(xiàn)冠心病康復(fù)方案的自動生成可以優(yōu)化康復(fù)方案的制定，提高接診效率，同時可以降低醫(yī)療成本，避免過度醫(yī)療［2］。

近年來，專家系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。例如使用規(guī)則推理方法設(shè)計并實現(xiàn)的不確定性流感診斷系統(tǒng)［3］和一種基于規(guī)則的診療記憶喪失疾病的專家系統(tǒng)［4］，通過實際案例數(shù)據(jù)驗證表明系統(tǒng)生成的結(jié)果比手動生成的結(jié)果可靠。本文在對現(xiàn)有冠心病康復(fù)方案進行知識提取和總結(jié)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了康復(fù)方案模型；同時設(shè)計實現(xiàn)了康復(fù)方案推理引擎，并對規(guī)則匹配算法進行了優(yōu)化，使其更適合冠心病康復(fù)方案模型的規(guī)則推理。與國內(nèi)憑經(jīng)驗手寫生成的康復(fù)方案相比，冠心病康復(fù)方案的自動生成極大地節(jié)約了時間，提高了診療效率，節(jié)省了醫(yī)療成本。

2 資料和方法

2.1 康復(fù)方案模型構(gòu)建

冠心病康復(fù)方案模型主要包括營養(yǎng)處方、有氧運動處方、阻抗訓(xùn)練處方和柔韌性運動處方［5～7］。

2.1.1 營養(yǎng)處方

多種研究均已表明，科學(xué)合理的膳食習(xí)慣可以顯著降低心血管疾病的發(fā)病風(fēng)險。在冠心病患者康復(fù)方案中，可以根據(jù)患者身高、體重等信息制定患者日常營養(yǎng)方案評估，具體包括：判斷冠心病患者體重指數(shù)設(shè)定、日需總能量計算、日需蛋白質(zhì)總量計算和食品交換份數(shù)計算。

2.1.2 有氧運動處方

有氧運動可以改善內(nèi)皮細胞功能，促進抗炎，減少心肌細胞重塑，改善冠狀動脈的血液循環(huán)功能，其處方主要參考冠心病患者的心肺運動試驗和心電圖運動負荷試驗相關(guān)指標制定，目的是為患者制定安全有效精準的運動方案。目前有氧運動處方內(nèi)容主要按照FITT四要素即運動種類、運動強度、運動時間、運動頻率制定。

2.1.3 阻抗訓(xùn)練處方

阻抗訓(xùn)練可以幫助冠心病患者增加心臟壓力負荷，從而使心內(nèi)膜下血流灌注增加，心肌氧供達到良好的平衡；同時可以增強骨骼肌耐力和力量，增加骨骼肌重量，提高冠心病患者基礎(chǔ)代謝率，改善運動耐力。阻抗訓(xùn)練的主要方法包括啞鈴、杠鈴、阻抗訓(xùn)練儀、彈力帶等。

2.1.4 柔韌性運動處方

柔韌性訓(xùn)練以肩、腰、腿為主，通過緩慢且可控制的方式進行，根據(jù)患者自身適應(yīng)情況逐漸加大訓(xùn)練的身體部位。柔韌性訓(xùn)練主要包括柔韌性體操和肌肉拉伸，柔韌性訓(xùn)練一般在患者有氧運動之前進行。

2.2 Drools中Rete模型基本結(jié)構(gòu)

2.2.1 drools規(guī)則引擎［8～9］

Drools是一套開源業(yè)務(wù)規(guī)則引擎解決方案，提供了專業(yè)的商業(yè)規(guī)則引擎BRE（Business Rules Engine），Web創(chuàng)作和規(guī)則管理應(yīng)用程序（Drools Workbench）。Drools是基于Rete算法量身定制的規(guī)則引擎實現(xiàn)，并引入面向?qū)ο蟮乃枷雽ete算法進行了優(yōu)化。后來在Rete的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了LEASP算法、Drools Reteoo算法等衍生算法［10～14］。Drools引擎結(jié)構(gòu)主要包括規(guī)則庫（Production Memory）、工作內(nèi)存（Working Memory）、推理機（Inference Engine）、模式匹配管理器（Patten Matcher）和議程（Agenda）。

2.2.2 Rete模型基本結(jié)構(gòu)

Drools規(guī)則引擎核心算法為Rete［15～16］。Rete網(wǎng)絡(luò)中具有四種節(jié)點：根節(jié)點、單輸入節(jié)點、雙輸入節(jié)點和終止節(jié)點［17］。Drools在Rete算法的基礎(chǔ)上進行了改進。Drools-rete中的節(jié)點則包括了ReteNode（根結(jié)點）、AlphaNode（節(jié)點）、BetaNode（節(jié)點）和TerminalNode（終止節(jié)點）。當有事實傳遞到Terminal節(jié)點時，Terminal節(jié)點對應(yīng)的規(guī)則會被激活執(zhí)行。

2.3 康復(fù)方案推理引擎和自動生成

2.3.1 康復(fù)方案推理引擎

基于Drools推理引擎的基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計實現(xiàn)適于冠心病運動康復(fù)方案生成的推理引擎，其推理引擎邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 冠心病康復(fù)方案推理引擎邏輯結(jié)構(gòu)圖

1）推理模型事實劃分

（1）源事實

源事實指系統(tǒng)運行前輸入的事實。包括患者靜態(tài)數(shù)據(jù)（性別、年齡、身高、體重等），患者檢查數(shù)據(jù)（無創(chuàng)心功能檢查、運動心肺功能檢查、焦慮測評、抑郁測評等），用藥方案等。源事實是規(guī)則推理的根基，源事實的數(shù)據(jù)完整性對于規(guī)則推理結(jié)果的完整度和可信度有直接影響，主要包括：1）患者分類事實：通常根據(jù)年齡、近期是否接收冠脈介入手術(shù)，將患者劃分為三大類。即高齡冠心病患者、普通冠心病患者和介入術(shù)后冠心病患者；2）冠心病患者運動風(fēng)險分級事實：對于冠心病患者，運動危險分層主要依據(jù)心電圖、心律失常、血管再通后并發(fā)癥、心理障礙、左心室射血分數(shù)、儲備功能（METs）和血肌鈣蛋白濃度等指標。

（2）中間事實

中間事實是指在推理過程中，產(chǎn)生的過渡事實，中間事實不一定為患者的真實事實，不要求完全準確和貼近患者真實狀況，是基于事實庫中的現(xiàn)有事實通過匹配推理規(guī)則得出的可能事實。

（3）結(jié)果事實

結(jié)果事實是指通過推理引擎推理得到的最終結(jié)果。

新課改的環(huán)境下，小學(xué)三、四年級的科學(xué)教師要摒棄一味只重視卷面成績的傳統(tǒng)認識，堅持科學(xué)實驗的本質(zhì)，擴展科學(xué)實踐活動，加大學(xué)生動手實驗的機會，豐富多樣地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生的創(chuàng)新能力、探究能力、及科學(xué)素養(yǎng)得以發(fā)展與提升。

2）推理模型規(guī)則劃分

根據(jù)心血管醫(yī)師為冠心病患者診斷和開具康復(fù)方案的基本流程，可以將推理規(guī)則分為三大類型，即患者基本分類規(guī)則、患者運動風(fēng)險分類規(guī)則和運動康復(fù)方案生成規(guī)則。這三類分類規(guī)則具有一定的順序和優(yōu)先級：患者基本分類規(guī)則＞患者運動風(fēng)險分類規(guī)則＞康復(fù)方案生成規(guī)則。

（1）患者基本分類規(guī)則

患者基本分類是推理的第一步，不同基本分類的患者會對應(yīng)不同的運動風(fēng)險分類規(guī)則和不同的運動康復(fù)方案生成規(guī)則。推理規(guī)則執(zhí)行順序越靠前對后續(xù)推理結(jié)果的影響越大，故需要選用可靠性高的推理規(guī)則完成推理的第一步。在心血管醫(yī)師問診過程中，會對患者進行基本類型的劃分，冠心病患者基本分類規(guī)則是患者分類規(guī)則最明確也是最準確的規(guī)則。

患者運動風(fēng)險分類在患者基本分類基礎(chǔ)之后進行。對于不同類型的患者對應(yīng)不同的風(fēng)險分類規(guī)則。

對于普通冠心病患者，當參考項中任何一項結(jié)論為高危則當前冠心病患者存在高危運動風(fēng)險；當參考項中每一項為低危則當前冠心病患者存在低危運動風(fēng)險；當呈現(xiàn)其他組合結(jié)果則當前冠心病患者存在中危運動風(fēng)險。

對于近期冠脈介入術(shù)后的患者，當有一項為高危則患者存在高危運動風(fēng)險，當全部指標為低危則患者存在低危運動風(fēng)險，其它情況下患者存在中危運動風(fēng)險，與普通冠心病患者的運動危險分層評判標準一樣。

（2）康復(fù)方案生成規(guī)則

根據(jù)冠心病患者的危險分級，分別對應(yīng)不同的康復(fù)方案生成規(guī)則。該類生成規(guī)則還引入患者的靜態(tài)數(shù)據(jù)（性別、年齡、身高、體重、用藥方案等）。例如營養(yǎng)處方的生成規(guī)則主要參考患者身高、體重和日常勞動強度等。

2.3.2 康復(fù)方案推理流程

基于Drools的冠心病康復(fù)方案推理流程如圖2所示。

圖2 基于Drools的冠心病方案推理流程

患者分類是整個推理的基礎(chǔ)部分，患者分類產(chǎn)生的中間事實與源事實共同決定冠心病患者危險分層，同時危險分層過程中產(chǎn)生的中間事實與源事實組合調(diào)整危險分層。如果事實之間無沖突，則按流程繼續(xù)執(zhí)行，如果事實之間發(fā)生沖突，則處理沖突之后按流程繼續(xù)執(zhí)行，直至事實庫不再有新的事實加入。當事實庫不再更新，則利用康復(fù)方案生成規(guī)則生成康復(fù)方案，并導(dǎo)出最終的冠心病康復(fù)方案。具體規(guī)則執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 Drools規(guī)則執(zhí)行流程

3 實驗分析與比較

本文從武漢大學(xué)中南醫(yī)院獲取207例冠心病患者樣本病歷資料（數(shù)據(jù)已進行脫敏處理），經(jīng)過患者去重和殘缺數(shù)據(jù)過濾，共有195例可利用病歷樣本納入。分析病歷樣本可發(fā)現(xiàn)冠心病患者常伴隨其它慢性疾病如高血壓、糖尿病等，另外冠心病具有多種并發(fā)癥如肺水腫、心力衰竭、休克、心源性休克等。本文將病歷樣本分為兩類，分別為單一冠心病患者147例和多病種冠心病患者48例。

測試實驗生成195份冠心病康復(fù)方案，由武漢大學(xué)中南醫(yī)院心血管內(nèi)科醫(yī)師對康復(fù)方案進行審核，審核結(jié)果如表1所示。其中針對單一冠心病樣本的康復(fù)方案通過率為91.16%，針對多病種冠心病樣本的康復(fù)方案通過率為85.42%，整體樣本通過率為89.74%。

表1 冠心病康復(fù)方案審核結(jié)果

本文分別對康復(fù)方案中的四部分：營養(yǎng)處方、有氧運動處方、阻抗訓(xùn)練處方、柔韌性訓(xùn)練處方分別進行實驗結(jié)果通過率的統(tǒng)計，其通過率如圖4所示。

圖4 康復(fù)方案子處方通過率

由圖表數(shù)據(jù)可知：針對單一冠心病樣本生成的康復(fù)方案中，有氧運動通過率較低，方案修改原因多為運動種類與運動時間不合適；針對多病種的冠心病樣本生成的康復(fù)方案中，營養(yǎng)處方和有氧處方通過率較低，多病種患者中包含糖尿病患者和腎臟疾病患者，故需要根據(jù)患者實際情況對營養(yǎng)處方和有氧運動強度進行調(diào)整；康復(fù)方案中的柔韌性訓(xùn)練通過率最高，柔韌性訓(xùn)練對患者疾病狀態(tài)幾乎沒有要求，所以適用性最強。

對195份樣本數(shù)據(jù)進行患者基本類型分類，其中普通冠心病患者病歷65份，PCI冠心病患者病歷126份，高齡冠心病患者病歷4份。三類患者對應(yīng)病歷樣本生成的康復(fù)方案審核通過率分別為93.85%、88.1%和75%。普通冠心病患者的康復(fù)方案通過率最高，通過率超過93%。高齡冠心病患者康復(fù)方案的通過率較低，由于高齡冠心病患者的樣本過少，針對高齡冠心病的康復(fù)方案有效性需要進一步的實驗驗證。針對PCI冠心病患者的康復(fù)方案通過率比普通冠心病患者的康復(fù)方案低，主要原因可能為患者接受冠脈介入手術(shù)后，身體狀況多變，因此需要根據(jù)患者實際情況調(diào)整康復(fù)方案。

康復(fù)方案有效性測試結(jié)果表明本文所構(gòu)建冠心病康復(fù)方案模型和冠心病康復(fù)方案推理引擎是有效的，可以協(xié)助醫(yī)師為冠心病患者高效制定合理、有效的個體化康復(fù)方案，具有一定的推廣意義。

4 結(jié)語

本文參照國內(nèi)冠心病專家學(xué)者對冠心病康復(fù)的診療共識和建議，在康復(fù)方案原型基礎(chǔ)上進行概念抽象，設(shè)計并實現(xiàn)冠心病康復(fù)方案模型。基于Drools構(gòu)建冠心病康復(fù)方案生成引擎，將康復(fù)方案模型中的事實與規(guī)則抽離出來構(gòu)建事實庫與規(guī)則庫，實現(xiàn)模型事實與模型規(guī)則的解耦，并基于構(gòu)建的引擎實現(xiàn)了冠心病康復(fù)方案的自動生成。該冠心病康復(fù)方案可以協(xié)助心血管醫(yī)師制定冠心病康復(fù)方案，具有一定的診療意義。