孫敏琦 潘媛媛

摘要：隨著移動醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，人們熱衷于通過手機(jī)查詢疾病信息。為了防患精神障礙疾病患者在常規(guī)用藥過程中發(fā)生藥品不良反應(yīng)（Adverse Drug Reaction，ADR），采用FP-Growth算法對ADR風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行挖掘，設(shè)計(jì)一種基于Android平臺的精神障礙患者用藥不良反應(yīng)預(yù)警的App。算法根據(jù)精神障礙患者ADR報(bào)告的最新數(shù)據(jù)，挖掘頻繁出現(xiàn)的ADR-藥品-用藥人群組合，提取滿足最小支持度和最小置信度閾值的強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則。根據(jù)強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則對用戶輸入的一系列用藥信息進(jìn)行預(yù)測判斷，以移動可視化界面的形式反饋給用戶，保障患者全過程安全用藥。

關(guān)鍵詞：藥品不良反應(yīng)預(yù)警;精神障礙;FP-Growth算法;關(guān)聯(lián)規(guī)則;移動醫(yī)療

中圖分類號：TP311 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）13-0132-03

1 引言

根據(jù)中國疾控中心精神衛(wèi)生中心公示的一系列數(shù)據(jù)顯示，在中國總數(shù)超過1億數(shù)量的各類精神疾病患者中，有約640萬人患精神分裂癥，110萬人有雙相情感障礙。最新的一項(xiàng)涵蓋5萬多人的調(diào)查顯示，新冠肺炎疫情期間約有35%的公眾存在不同程度的情緒反應(yīng)。其中，居家的社區(qū)嚴(yán)重精神障礙患者的心理問題加重[1]，老年人和一線工作人員等特殊人群的心理健康狀況受到多方關(guān)注。目前，全球范圍內(nèi)受精神健康問題困擾的人群逐年增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至今年，已有超十億人受到不同程度精神健康疾病的困擾，平均每40秒就有一人因受到精神疾病困擾而導(dǎo)致自殺?；疾÷嗜找嫔仙木裾系K疾病在我國存在著巨大的“治療缺口”，由于抗精神病藥品的藥理作用比較廣泛，不僅單純作用于神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)揮作用，對泌尿、消化、心血管系統(tǒng)和皮膚及附屬器官也會產(chǎn)生影響[2]，從而引起一系列藥品不良反應(yīng)，對下一步的疾病治療造成阻礙。

藥品不良反應(yīng)是指在正常用法、用量下使用合格藥品時(shí)出現(xiàn)的與用藥目的無關(guān)或意外的有害反應(yīng)。由于醫(yī)護(hù)人員在常規(guī)給患者使用藥品進(jìn)行診療時(shí)，引起理想治療效果以外的不良反應(yīng)現(xiàn)象非常常見，為防止藥品不良反應(yīng)事件頻頻發(fā)生，部分學(xué)者展開了預(yù)警研究。葉明全[3]等人提出結(jié)合概念層次樹和多層關(guān)聯(lián)規(guī)則的挖掘方法，自頂向下或自底向上找出不同概念層次上ADR臨床癥狀與用藥人群、用藥情況等組合之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則，生成ADR預(yù)警規(guī)則庫，準(zhǔn)確度達(dá)到89%。賀小紅[4]等人基于多維表達(dá)式（multi-dimensional expressions，MDX）對數(shù)據(jù)進(jìn)行切片、切塊、鉆取等聯(lián)機(jī)分析處理，并用filter函數(shù)挑選出頻繁項(xiàng)集進(jìn)而提取關(guān)聯(lián)規(guī)則。熊代琴[5]等人先對可能產(chǎn)生ADR的單因素進(jìn)行篩查和共線性檢驗(yàn)，再對影響因素使用多因素二元logistic回歸分析生成LR模型，基于該模型預(yù)測ADR發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。王艷[6]等人采用非條件最小二乘法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，發(fā)現(xiàn)ARIMA為較優(yōu)模型，只需內(nèi)生變量即可進(jìn)行建模而不需要考慮其他變量，可操作性好。張成[7]等人用貝葉斯置信傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BCPNN）挖掘舒金健藥丸ADR/AE風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信號，采用傾向評分法控制平衡混雜因素，可以很好地克服在獲取數(shù)據(jù)較少情況下因估計(jì)誤差大而致假陽性率高這一問題。

盡管引起精神類疾病的因素日益增多，較高的發(fā)病率伴隨的卻是只有不到20%的治療率。得到治療的患者又因?yàn)榫窦膊￠g容易共患，治療期間可能因?yàn)榘l(fā)生共患反過來影響藥物治療的選擇，這就需要及時(shí)調(diào)整用藥情況，規(guī)避再次產(chǎn)生藥品不良反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，本研究提出一種基于移動平臺的用藥不良反應(yīng)預(yù)警App，幫助精神障礙患者在用藥前期避免不良反應(yīng)的發(fā)生。

2 基于FP-Growth的關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法

2.1 支持度和置信度

設(shè)I={i1，i2，…，im}是一個總項(xiàng)集，其中包含m個不同項(xiàng)目，D={r1，r2，…，rm}為事務(wù)數(shù)據(jù)庫，每個事務(wù)ri（i=1，2，…，n）均對應(yīng)I上的一個子集，滿足ri?I，記為R。設(shè)X，Y為I中不同的項(xiàng)集，當(dāng)X?Y，稱其為一條關(guān)聯(lián)規(guī)則，項(xiàng)集X為先決條件，項(xiàng)集Y為關(guān)聯(lián)結(jié)果[8]。衡量關(guān)聯(lián)規(guī)則是否標(biāo)準(zhǔn)常用以下兩個指標(biāo)：支持度（support）和置信度（confidence）。支持度是事務(wù)數(shù)據(jù)集D中同時(shí)出現(xiàn)項(xiàng)集X、Y的概率，置信度是指在出現(xiàn)項(xiàng)集X的事務(wù)數(shù)據(jù)集D中，項(xiàng)集B是同時(shí)出現(xiàn)的概率。式（1）、（2）分別為支持度和置信度的公式概念。

Support（X?Y）=P（X，Y）=[|{R|X?Y?R，R?D}|D] ? ? ? ? ? （1）

Confidence（X?Y）=P（Y|X）=[PX，YPX]=[SupportX?YSupportX] ? ?（2）

支持度從“數(shù)量”角度篩選普遍存在的關(guān)聯(lián)規(guī)則，如果X和Y同時(shí)出現(xiàn)得非常頻繁，說明X和Y總是相關(guān)的。置信度是反映關(guān)聯(lián)規(guī)則可靠性的評價(jià)指標(biāo)，Confidence（X?Y）越接近1說明兩者關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)。當(dāng)關(guān)聯(lián)規(guī)則同時(shí)滿足最小支持度和最小置信度時(shí)，稱其為“強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則”。

2.2 FP-Growth算法流程

關(guān)聯(lián)規(guī)則算法用來挖掘數(shù)據(jù)集內(nèi)部的相關(guān)聯(lián)性，考慮到Apriori算法需要對候選項(xiàng)集里的每一項(xiàng)各掃描一次，在數(shù)據(jù)集量很大時(shí)，算法存在效率低、運(yùn)行時(shí)間長的缺點(diǎn)，本研究采用更加高效的FP-Growth算法，將數(shù)據(jù)集化為FP-tree這一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，尋找頻繁項(xiàng)集的過程便是對這棵樹進(jìn)行操作的過程。

采用FP-Growth算法挖掘關(guān)聯(lián)規(guī)則的流程如圖1所示，其具體步驟如下：

1）遍歷事務(wù)數(shù)據(jù)集D，統(tǒng)計(jì)每個項(xiàng)目的出現(xiàn)次數(shù)，設(shè)定最小支持度MinS，剔除小于MinS的項(xiàng)目，對剩余的頻繁項(xiàng)降序排序。

2）再次遍歷事務(wù)數(shù)據(jù)庫，對排序后的頻繁項(xiàng)建立頻繁項(xiàng)頭表，同時(shí)建立FP-tree，根節(jié)點(diǎn)記為NULL，讀入頻繁項(xiàng)集并將其添加到一條已存在的路徑中，若該路徑不存在則新建一條路徑。

3）對于每個頻繁項(xiàng)，按照頻繁項(xiàng)表自下而上的順序訪問FP-tree，找尋該頻繁項(xiàng)的前綴路徑和路徑計(jì)數(shù)值，生成條件模式基。

4）利用條件模式基構(gòu)建相應(yīng)頻繁項(xiàng)的條件FP-tree，遞歸調(diào)用樹結(jié)構(gòu)，若是單路徑結(jié)構(gòu)，跳至步驟5）;若是多路徑結(jié)構(gòu)則不斷迭代調(diào)用樹的過程，直到形成單路徑為止。

5）每一次遞歸都要對前綴路徑中的支持度計(jì)數(shù)減1和刪除小于最小支持度的項(xiàng)目，把條件頻繁項(xiàng)集和該頻繁項(xiàng)取并集生成最終的頻繁模式。

2.3 FP-Growth算法應(yīng)用案例

以蕪湖市某三甲醫(yī)院精神科室2016～2020年統(tǒng)計(jì)的藥品不良反應(yīng)記錄為例。對初始的1916條記錄進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，先清除異常和重復(fù)的數(shù)據(jù)，由于FP-Growth算法只能處理布爾型數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化，將字符型數(shù)據(jù)二值化處理，得到可用于實(shí)驗(yàn)的1800條記錄，即1800個事務(wù)組成的事務(wù)數(shù)據(jù)集，主要包括：序列號、性別、年齡、所患疾病名稱、用藥名稱、ADR名稱、ADR結(jié)果。表1為精神障礙患者用藥不良反應(yīng)二值化前的事務(wù)數(shù)據(jù)集。

通過FP-Growth算法挖掘預(yù)處理后的頻繁項(xiàng)集，性別、年齡、所患疾病名稱、用藥名稱作為先決條件，ADR名稱作為關(guān)聯(lián)結(jié)果，尋找ADR、藥品和用藥人群之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。設(shè)最小支持度為0.02，最小置信度為0.75，提取所有置信度達(dá)0.5以上的關(guān)聯(lián)規(guī)則組成預(yù)警規(guī)則集，表2為置信度較高的10條關(guān)聯(lián)規(guī)則。當(dāng)患者是女性且患有精神分裂癥時(shí)，由數(shù)據(jù)挖掘的分析結(jié)果可知，預(yù)警規(guī)則集給出4條預(yù)警信息，分別是精神分裂癥女性服用利培酮片有81%的可能發(fā)生自主神經(jīng)功能紊亂，精神分裂癥女性服用氯氮平片有81%的可能發(fā)生心律異常;精神分裂癥女性服用阿立哌唑片有80%的可能發(fā)生錐體外系反應(yīng);精神分裂癥女性服用利培酮片有76%的可能發(fā)生錐體外系反應(yīng)。

3 基于FP-Growth的精神障礙患者ADR預(yù)警App設(shè)計(jì)

本App以Android Studio作為開發(fā)平臺，采集服務(wù)和服務(wù)端采用Intellij IDEA集成開發(fā)環(huán)境并使用同一個MySQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。開發(fā)過程先后經(jīng)過對軟件功能分析與設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、客戶端設(shè)計(jì)和后臺管理功能設(shè)計(jì)。軟件提供健康檔案、用藥記錄、藥品不良反應(yīng)預(yù)警和健康報(bào)告功能，圖2為軟件總體功能模塊設(shè)計(jì)圖。

3.1 健康檔案模塊

用戶首次登錄時(shí)需先注冊賬號，軟件推送“我的資料”界面，在其中填寫姓名、年齡、性別、身高、體重和手機(jī)號。圖3為App首頁界面，“健康檔案”模塊可從首頁進(jìn)入，如圖4所示，每一條檔案信息包括姓名、性別、年齡、疾病，可對其進(jìn)行添加、刪除、修改操作?？紤]到軟件的使用人群不全是精神障礙患者和醫(yī)護(hù)人員，有替他人預(yù)測用藥不良反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)的可能，所以這里再次記錄性別、年齡信息。

3.2 用藥記錄模塊

用戶輸入藥名，用藥時(shí)間一欄同步手機(jī)當(dāng)前時(shí)間，也可以自行調(diào)整。對于一天多次用藥的情況，以天為單位合并數(shù)據(jù)，最終形成每日的用藥記錄。圖5為錄入藥名和用藥時(shí)間的頁面設(shè)計(jì)。

3.3 精神障礙用藥ADR預(yù)警模塊

收集從醫(yī)院獲取到精神障礙患者藥品不良反應(yīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理，采用基于FP-Growth算法的數(shù)據(jù)挖掘關(guān)聯(lián)規(guī)則的方法，構(gòu)建抗精神障礙藥品不良反應(yīng)早期預(yù)警模型，將此模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MySQL數(shù)據(jù)庫中。用戶使用軟件時(shí)，只需輸入疾病和患者的年齡、性別、用藥名稱，系統(tǒng)在預(yù)警模型數(shù)據(jù)庫中搜索對應(yīng)的不良反應(yīng)，結(jié)合置信度大小分析不良反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)程度并反饋給用戶。系統(tǒng)規(guī)定置信度達(dá)0.80以上的不良反應(yīng)屬于高風(fēng)險(xiǎn)，置信度在0.65～0.80內(nèi)的不良反應(yīng)屬于較高風(fēng)險(xiǎn)，置信度在0.50～0.65內(nèi)為中風(fēng)險(xiǎn)不良反應(yīng)。預(yù)警界面如圖6所示。

3.4 健康報(bào)告模塊

考慮到部分抗精神障礙藥品具有單一性和不可調(diào)整性，患者短期內(nèi)找不到可替代現(xiàn)成的、會導(dǎo)致不良反應(yīng)的藥品，不得不服用現(xiàn)有藥物，這將導(dǎo)致預(yù)警系統(tǒng)推送不良反應(yīng)的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)和情況描述。軟件整理預(yù)警系統(tǒng)分析出的藥品不良反應(yīng)情況，形成日報(bào)和周報(bào)。日報(bào)通過選擇日期，顯示某天是否有不良反應(yīng)的發(fā)生，周報(bào)收集一周的預(yù)警信息，沒有發(fā)生不良反應(yīng)給出“優(yōu)”等級，發(fā)生1或2次不良反應(yīng)給出“良”等級，不良反應(yīng)發(fā)生2次以上則是“差”等級。圖7、圖8分別為健康周報(bào)、健康日報(bào)的設(shè)計(jì)界面。

4 結(jié)束語

本文在研究國內(nèi)外藥品不良反應(yīng)預(yù)警相關(guān)算法的基礎(chǔ)上，針對目前精神障礙患者人群擴(kuò)張、疾病種類和藥品數(shù)量增多的現(xiàn)狀和實(shí)際需求設(shè)計(jì)開發(fā)了一款基于FP-Growth算法的精神障礙患者用藥不良反應(yīng)預(yù)警App。算法根據(jù)精神障礙患者用藥不良反應(yīng)的呈報(bào)數(shù)據(jù)，挖掘頻繁出現(xiàn)的ADR-藥品-用藥人群組合，提取滿足最小支持度和最小置信度的強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則。軟件根據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則智能預(yù)警不良反應(yīng)的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，為用戶提供健康檔案、健康報(bào)告和智能預(yù)警功能，以達(dá)到令患者在用藥前期防控到位、提高疾病治療效果的目的，若將其利用到精神障礙疾病臨床治療上，其應(yīng)用前景和作用是巨大的。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】