医学决策支持系统解析课件

医学决策支持系统医学决策支持系统(医学专家系统医学专家系统)(Medcial decision support system,medical(Medcial decision support system,medical expert system)expert system)医学决策支持系统(医学专家系统)2 2上机安排上机安排n时间：11月月28号（星期一）下午号（星期一）下午2:30-5:30n地点：主楼西地点：主楼西206上机安排时间：11月28号（星期一）下午2:30-5:303 3复习答疑安排复习答疑安排n复复习时间：12月月5号（号（15周星期一）下午周星期一）下午7-8节n地点：二教地点：二教508n答疑答疑时间：12月月6号号12月月9号号n地点：主楼西地点：主楼西301复习答疑安排复习时间：12月5号（15周星期一）下午7-8节4 4考试安排考试安排n时间：12月月12日日16周周一周周一 下午下午2：30-4：30n地点：第二教学樓地点：第二教学樓104n闭卷卷考试安排时间：12月12日16周周一 下午2：30-4：5 5主要内容主要内容人工智能人工智能医学决策支持系医学决策支持系统的研究状况及的研究状况及发展展趋势医学决策支持系医学决策支持系统概述概述医学知医学知识库医学决策支持方法医学决策支持方法MYCIN系系统简介介主要内容人工智能6 6n医生医生对疾病的疾病的诊断断还处于一种于一种传统的的经验阶段段n医学生医学生助理医生助理医生主治医生主治医生主任医生主任医生医学医学专家家n浩如烟海的医学数据浩如烟海的医学数据库n医学数据医学数据库-知知识库？n人工智能与知人工智能与知识工程的工程的发展展为医学医学诊断和治断和治疗过程注程注入了新的活力入了新的活力医生对疾病的诊断还处于一种传统的经验阶段7 7人工智能人工智能n19371937年，年，图林林论可可计算数及其在判定算数及其在判定问题中的中的应用用，阐明明现代代电脑原理的开山之作原理的开山之作n19591959年，美国工程年，美国工程师塞塞缪尔给电脑编制出制出奕棋程序奕棋程序.该程序程序击败了塞了塞缪尔本人，本人，19621962年又年又击败了一个州冠了一个州冠军。n19651965年，年，在斯坦福大学化学在斯坦福大学化学专家的配合下，家的配合下，费根根鲍姆研制姆研制的第一个的第一个专家系家系统DENDRALDENDRAL。在。在输入化学分子式和入化学分子式和质谱图等等信息后，它能通信息后，它能通过分析推理决定有机化合物的分子分析推理决定有机化合物的分子结构构 人工智能1937年，图林 论可计算数及其在判定问题中的应用8 8n19761976年年6 6月，美国伊利月，美国伊利诺斯大学的两台不同的斯大学的两台不同的电子子计算机上，算机上，用了用了12001200个小个小时，作了，作了100100亿判断，判断，终于完成了困于完成了困扰数学界数学界长达达100100余年之久的余年之久的难题“四色定理四色定理”。n19791979年年1010月，美国底特律市月，美国底特律市举行国行国际象棋象棋锦标赛，国，国际象棋象棋大大师大大卫.处维与美国的与美国的电脑棋手棋手“象棋象棋4.94.9”进行了行了5050个回个回合的比合的比赛。n19971997年年5 5月月1111日，日，“深深蓝”在棋在棋盘C4C4处落下最后一落下最后一颗棋子，棋子，全世界都听到了震撼世全世界都听到了震撼世纪的叫的叫杀声声“将将军”！这场举世世瞩目的瞩目的“人机大人机大战”，终于以机器于以机器获胜的的结局降下了局降下了帏幕。幕。卡斯帕洛夫卡斯帕洛夫 被逼下了棋王宝座。被逼下了棋王宝座。1976年6月，美国伊利诺斯大学的两台不同的电子计算机上，用9 9人工智能的定义人工智能的定义n广义的讲：用计算机来表示和执行人类的智能活动，就是人工广义的讲：用计算机来表示和执行人类的智能活动，就是人工智能。智能。n n定定定定义义1 1（智能机器智能机器智能机器智能机器）：能够在各类环境中自主地或交互地执行：能够在各类环境中自主地或交互地执行各种拟人任务的机器称为人工智能。各种拟人任务的机器称为人工智能。n n定定定定义义2 2（能力能力能力能力）：人工智能（能力）是智能机器所执行的通常：人工智能（能力）是智能机器所执行的通常与人类智能有关的功能，如判断、推理、证明、识别、感知、与人类智能有关的功能，如判断、推理、证明、识别、感知、理解、设计、思考、规划、学习和问题求解等思维活动。理解、设计、思考、规划、学习和问题求解等思维活动。人工智能的定义广义的讲：用计算机来表示和执行人类的智能活动，1010人工智能的定义人工智能的定义n总之：人工智能也称之：人工智能也称为机器智能，就是机器智能，就是让机器更机器更“聪明明”，更具有，更具有类似人的智能，同似人的智能，同时又与人的智能互又与人的智能互为补充、互相促充、互相促进。n n人工智能的任人工智能的任人工智能的任人工智能的任务务n凡是使机器能具有感知功能（如凡是使机器能具有感知功能（如视、听、嗅）、思、听、嗅）、思维功能功能（如分析、（如分析、综合、合、计算、推理、算、推理、联想、判断、想、判断、规划、决策）、划、决策）、表达行表达行动功能（如功能（如说、写、画）及学、写、画）及学习记忆等功能，都属于等功能，都属于人工智能研究的范畴。人工智能研究的范畴。人工智能的定义总之：人工智能也称为机器智能，就是让机器更“聪1111人工智能的应用领域人工智能的应用领域n1.1.问题求解问题求解n2.2.逻辑与定理证明逻辑与定理证明n3.3.自然语言理解自然语言理解n4.4.自动程序设计自动程序设计n5.5.专家系统专家系统n6.6.机器学习机器学习n7.7.人工神经网络人工神经网络n8.8.模式识别模式识别 深蓝深蓝深蓝深蓝-国际象棋国际象棋国际象棋国际象棋-卡斯帕若夫卡斯帕若夫卡斯帕若夫卡斯帕若夫四色猜想四色猜想四色猜想四色猜想(1976)(1976)语音录入语音录入语音录入语音录入,翻译系统翻译系统翻译系统翻译系统机器人控制机器人控制机器人控制机器人控制仿脑仿脑仿脑仿脑汉王汉王汉王汉王人工智能的应用领域1.问题求解深蓝-国际象棋-卡斯帕若夫四色1212人工智能的应用领域人工智能的应用领域n9.9.机器视觉机器视觉n10.10.智能控制智能控制n11.11.智能决策支持系统智能决策支持系统n12.12.知识发现和数据挖掘知识发现和数据挖掘n13.13.智能检索智能检索n14.14.智能调度与指挥智能调度与指挥n15.15.系统与工具语言系统与工具语言n照相机、飞行器跟踪照相机、飞行器跟踪照相机、飞行器跟踪照相机、飞行器跟踪控制论控制论控制论控制论GoogleGoogleGoogleGoogle.交通、军事交通、军事交通、军事交通、军事分布式系统、并行处理系统、多机分布式系统、并行处理系统、多机分布式系统、并行处理系统、多机分布式系统、并行处理系统、多机协作系统协作系统协作系统协作系统,面向对象编程语言面向对象编程语言面向对象编程语言面向对象编程语言人工智能的应用领域9.机器视觉照相机、飞行器跟踪控制论Go1313医学决策支持系统的功能和作用医学决策支持系统的功能和作用n临床医生的知床医生的知识更新无法与急更新无法与急剧增增长的医学知的医学知识同步。同步。n对大批量的常大批量的常规决策工作，自决策工作，自动化决策效率更高化决策效率更高(如大量的常如大量的常规实验室室检测和数据分析等和数据分析等)。n人有人有时会犯会犯错误或失或失误，当然医生也不例外，当然医生也不例外(复复杂病例和常病例和常见病病例都会出例都会出错),),使用医学决策支持系使用医学决策支持系统，可以提醒，可以提醒专家没在意的或家没在意的或没有没有发现到的病人信息，从而提高到的病人信息，从而提高诊断准确性断准确性 n对医学院学生，成熟医学院学生，成熟专业的医学支持系的医学支持系统可能是他可能是他们学学习专业知知识和和专家家经验的方便可得的廉价的老的方便可得的廉价的老师，同，同时也是他也是他们初入医院初入医院实习工作的非常好的助手。工作的非常好的助手。医学决策支持系统的功能和作用临床医生的知识更新无法与急剧增长1414医学决策支持系统的概念医学决策支持系统的概念n医学决策支持系医学决策支持系统(Medical decision support system,MDSS)是医学知是医学知识工程和医学人工智能研究中非常活工程和医学人工智能研究中非常活跃的分支，是运用的分支，是运用专家系家系统的的设计原理与方法，模原理与方法，模拟医学医学专家家诊断、治断、治疗疾病的思疾病的思维过程而程而编制的制的计算机算机程序。它的程序。它的设计目的是目的是帮助帮助医生解决复医生解决复杂的医学的医学问题，作作为诊断、治断、治疗以及以及预后的后的辅助工具。助工具。知识工程知识工程人工智能人工智能医学医学医学决策支医学决策支持系统持系统医学决策支持系统的概念医学决策支持系统(Medical de1515国外医学决策支持系统的研究状况国外医学决策支持系统的研究状况n19761976年，斯坦福大学的年，斯坦福大学的ShortliffeShortliffe等人成功研制了等人成功研制了MYCINMYCIN系系统,用于用于鉴别细菌感染及治菌感染及治疗的医学的医学专家系家系统MYCINMYCIN，并且建立了一整套，并且建立了一整套专家系家系统的开的开发理理论，经专家小家小组对医学医学专家、家、实习医生以及医生以及MYCINMYCIN系系统的行的行为进行正行正式式测试评价，价，认为MYCINMYCIN的行的行为超超过了了临床医生助手的作用，尤其在床医生助手的作用，尤其在诊断断和治和治疗菌血症和菌血症和脑膜炎方面有相当高的准确率膜炎方面有相当高的准确率,此后，医学此后，医学专家系家系统进入入了快速了快速发展展时期。期。n在在MYCINMYCIN系系统框架基框架基础上建立的肺功能上建立的肺功能专家系家系统PUFFPUFF系系统曾在旧金山太平曾在旧金山太平洋医洋医疗中心使用中心使用过相当相当长的一段的一段时间，开，开创了医学了医学专家系家系统临床床应用的用的先例。先例。n19821982年，匹年，匹兹堡大学的堡大学的Miller等人开等人开发了了Internist-I内科内科计算机算机辅助助诊断断系系统n19911991年，哈佛医学院年，哈佛医学院Barnett等人开等人开发的的“DXPLAIN”软件包含有件包含有22002200种种疾病和疾病和50005000种症状种症状国外医学决策支持系统的研究状况1976年，斯坦福大学的Sho1616我国医学决策支持系统的研究状况我国医学决策支持系统的研究状况n19781978年，北京中医院著名教授关幼波等人开年，北京中医院著名教授关幼波等人开发了了“关幼波肝病关幼波肝病诊疗程序程序”，开，开创了我国最早的中医医了我国最早的中医医学学专家系家系统n精神疾病精神疾病诊断系断系统、肺癌、肺癌诊断系断系统、贫血血鉴别诊断断专家系家系统、心功能、心功能辅助助诊断断专家系家系统、胃病、胃病诊断断专家系家系统、针灸灸专家系家系统以及疾病以及疾病诊疗用用药专家系家系统等多种等多种专家系家系统我国医学决策支持系统的研究状况1978年，北京中医院著名教授1717现有医学决策支持系统的特点现有医学决策支持系统的特点规模小模小 n内容比内容比较简单研究方法研究方法单一，没有一，没有进行深入研究行深入研究 n临床床实用性差用性差现有医学决策支持系统的特点规模小 1818医学决策支持系统的发展趋势医学决策支持系统的发展趋势n与神与神经网网络、遗传算法等推理算法等推理新方法新技新方法新技术相相结合合n与与数据数据库技技术相相结合：医学合：医学专家系家系统可借可借鉴数据数据库关于信息存关于信息存贮、共享、并、共享、并发控制和故障恢复技控制和故障恢复技术，对专家系家系统中的知中的知识库管理、管理、设计以及以及对大型知大型知识库、共享知、共享知识库和分布式知和分布式知识库提供帮助，改善提供帮助，改善专家系家系统的特性，使其的特性，使其规模提高到模提高到实用水平用水平n与与多媒体技多媒体技术相相结合：文字、合：文字、图形、形、图像、影像及像、影像及声音声音n与与网网络技技术相相结合合,特特别是在知是在知识库的构建方面的构建方面医学决策支持系统的发展趋势与神经网络、遗传算法等推理新方法新1919医生看病的自然过程医生看病的自然过程临床医生给病人看病的过程实际上是一个对病人临床医生给病人看病的过程实际上是一个对病人信息信息进行综合分析处进行综合分析处理的过程，这个过程包括三个阶段：理的过程，这个过程包括三个阶段：观察、诊断和治疗观察、诊断和治疗 医生看病的自然过程临床医生给病人看病的过程实际上是一个对病人2020医学决策支持系统对医生看病的模拟过程医学决策支持系统对医生看病的模拟过程n从工程的角度来看医生看病的自然从工程的角度来看医生看病的自然过程，程，观观察察察察阶段的段的主要任主要任务是是获取数据取数据，更确切地，更确切地说，是，是获取能提供相取能提供相关信息的数据，关信息的数据，对病人相关信息理解和挖掘得越充分，病人相关信息理解和挖掘得越充分，关于病人疾病的不确定性就会越小。医生根据病人描关于病人疾病的不确定性就会越小。医生根据病人描述的信息和他所掌握的知述的信息和他所掌握的知识和和经验作作诊诊断断断断结论的的过程程实质上是一个上是一个推理推理过程程，而，而治治治治疗疗则是一个是一个问题求解及求解及处理理的的过程。治程。治疗阶段依段依赖于于诊断和决策分析，而断和决策分析，而诊断决策分析的准确性断决策分析的准确性则取决于取决于观察察阶段的信息段的信息获取程取程度。度。医学决策支持系统对医生看病的模拟过程从工程的角度来看医生看病2121医学决策支持系统的一般结构医学决策支持系统的一般结构:医书、医生大医书、医生大脑中的知识、脑中的知识、规则和操作规则和操作医生的大脑，医生的大脑，推理、判断推理、判断初始数据、中间推理数据初始数据、中间推理数据和诊断结果和诊断结果医生向病人作医生向病人作解释解释医学决策支持系统的一般结构:医书、医生大脑中的知识、规则和操2222医学决策支持系统与大多数其它领域专家系医学决策支持系统与大多数其它领域专家系统一样，一般由五部份组成：统一样，一般由五部份组成：n医学知医学知识库。是医学决策支持系是医学决策支持系统的基的基础，用于存放各种，用于存放各种专家家诊断知断知识，包括医学事，包括医学事实和可行的操作与和可行的操作与诊断断规则等。等。n全局数据全局数据库。用于存放病人的初始数据、中用于存放病人的初始数据、中间推理数据和推理数据和诊断断结果甚至一些果甚至一些对结果的果的诊断断处理等。理等。n推理机。推理机。推理机根据全局数据推理机根据全局数据库的当前内容，从知的当前内容，从知识库中中选择可匹配的可匹配的规则，并通，并通过执行行规则来修改数据来修改数据库中的内容，再通中的内容，再通过不断地推理不断地推理导出出问题的的结论。n解解释器。器。负责对推理推理过程作出解程作出解释，包括解，包括解释“系系统是怎么是怎么样得出得出这一一诊断断结论的的”等用等用户需要解需要解释的的问题。n人机接口。人机接口。人机接口是系人机接口是系统与用与用户进行行对话的界面。的界面。医学决策支持系统与大多数其它领域专家系统一样，一般由五部份组2323医学决策支持系统和临床医生的关系医学决策支持系统和临床医生的关系n在医学人工智能中，在医学人工智能中，虽然医学决策支持系然医学决策支持系统能能够比比较好地好地模模拟医生的自然行医生的自然行为，实践践证明在某些方面明在某些方面还有可能超有可能超过专家的能力，但是家的能力，但是这仅仅限于医学限于医学诊断断过程中的程中的可可结构化、构化、可一般化和可客可一般化和可客观化化部分。使用部分。使用计算机作医学决策支持算机作医学决策支持时，绝不允不允许用用计算机取代人算机取代人类（临床医生）床医生）对诊断的断的负责，而且在而且在实际生活中生活中计算机也算机也绝对取代不了取代不了临床医生的作用。床医生的作用。n多数情况下，多数情况下，临床医生在床医生在拥有足有足够的知的知识和充分的病人和充分的病人资料情况下可以作出正确的判断，不需要料情况下可以作出正确的判断，不需要计算机算机协助，但在助，但在下列情况下，医学决策支持系下列情况下，医学决策支持系统就会就会显示其示其强大功能和作大功能和作用。用。医学决策支持系统和临床医生的关系在医学人工智能中，虽然医学决2424MDSS和临床医生的关系和临床医生的关系n人人有有时会会犯犯错误或或失失误，当当然然医医生生也也不不例例外外（复复杂病病例例和和常常见病病例例都都会会出出错），使使用用医医学学决决策策支支持持系系统，可可以以提提醒醒专家家没没在在意意的的或或没没有有发现到到的病人信息，从而提高的病人信息，从而提高诊断准确性。断准确性。n临床床医医生生的的知知识更更新新无无法法与与急急剧增增长的的医医学学知知识同同步步。当当医医学学领域域发现新新病病例例、新新成成果果时，计算算机机支支持持系系统可可以以低低成成本本、高高效效率率和和方方便便快快捷捷地地传播播给广大医生。广大医生。n对大大批批量量的的常常规决决策策工工作作，自自动化化决决策策效效率率更更高高（如如大大量量的的常常规实验室室检测和数据分析等）。和数据分析等）。n现代医院信息系代医院信息系统产生出的大量数据的生出的大量数据的深挖掘深挖掘。n对医医学学院院学学生生，成成熟熟的的专业的的医医学学支支持持系系统可可能能是是他他们学学习专业知知识和和专家家经验的的方方便便可可得得的的廉廉价价的的老老师，同同时也也是是他他们初初入入医医院院实习工工作作的的非常好的助手。非常好的助手。MDSS和临床医生的关系人有时会犯错误或失误，当然医生也不例2525医学知识库医学知识库n n医学决策支持系医学决策支持系医学决策支持系医学决策支持系统统的两个最关的两个最关的两个最关的两个最关键键部分：部分：部分：部分：n医学知医学知识库n知知识表示表示n知知识获取取n知知识的管理和的管理和维护n推理机（医学决策支持方法）推理机（医学决策支持方法）医学知识库医学决策支持系统的两个最关键部分：2626知识的概念与含义知识的概念与含义n人之所以有智能行人之所以有智能行为是因是因为他他们拥有知有知识，拥有有对知知识的的获取、表达、搜索、分析、解答等取、表达、搜索、分析、解答等智能能力智能能力。n医学决策支持系医学决策支持系统智能水平的高低在于系智能水平的高低在于系统拥有知有知识的数量和的数量和质量量，医学知，医学知识的的获取是医学取是医学决策支持系决策支持系统中最重要也是最困中最重要也是最困难的一步，的一步，E.A.FeigenbaumE.A.Feigenbaum说：“知知识获取是人工智能研取是人工智能研究的中心究的中心问题中最重要的，是人工智能研究的中最重要的，是人工智能研究的关关键性性难关。关。”知识的概念与含义人之所以有智能行为是因为他们拥有知识，拥有对2727智能知识的表现方式智能知识的表现方式n知知识的的获取能力：取能力：通通过感知器官，在感知器官，在观察、察、测量、量、训练、操、操作等作等实践中，践中，获取直接取直接经验的的积累或感性知累或感性知识，以及在学，以及在学习、阅读、交、交谈等等过程中，程中，获取取间接接经验知知识或理性知或理性知识。n知知识的的处理能力：理能力：将感性知将感性知识上升上升为理性知理性知识，进行演行演绎推推理与理与归纳推理，通推理，通过知知识的的积累、存累、存储、联想、想、类比、分析、比、分析、计算、算、论证、比、比较、探索、探索、择优等信息等信息处理理过程，求得程，求得问题的解答，指定的解答，指定规划与决策。划与决策。n知知识的运用能力：的运用能力：运用所运用所获得的知得的知识，通，通过知知识信息信息处理，理，根据所求得的根据所求得的问题解答或所制解答或所制订的的规划决策作出反划决策作出反应，采取，采取行行动，发挥知知识的效用，如回答咨的效用，如回答咨询、诊断疾病、操断疾病、操纵机器机器等。等。智能知识的表现方式知识的获取能力：通过感知器官，在观察、测量2828知识的特性知识的特性n1 1、知、知识的相的相对正确性正确性 任何知任何知识都是在一定都是在一定环境下相境下相对正确的，而非正确的，而非绝对正确。正确。n2 2、知、知识的不确定性的不确定性 信息可能是精确的，也可能是不精确的。信息可能是精确的，也可能是不精确的。n3 3、知、知识的可表示性的可表示性 知知识是可以用形式化的是可以用形式化的东西表示的，如西表示的，如语言、文字、言、文字、图表、公表、公式、数字等。式、数字等。n4 4、知、知识的可利用性的可利用性 由于我由于我们可以利用知可以利用知识解决各种解决各种问题，因此，我，因此，我们可以可以积累知累知识。知识的特性1、知识的相对正确性2929知识的分类知识的分类n1 1、以知、以知识的作用范的作用范围来划分：来划分：n 常常识性知性知识n 领域性知域性知识n2 2、按人、按人类的思的思维及及认识方法来划分：方法来划分：n 逻辑性知性知识n 形象性知形象性知识n3 3、以知、以知识的确定性来划分：的确定性来划分：n 确定性知确定性知识n 不确定性知不确定性知识n4 4、按知、按知识的作用及表示来划分：的作用及表示来划分：n 事事实性知性知识n 规则性知性知识n 控制性知控制性知识知识的分类1、以知识的作用范围来划分：3030例：对于从北京到上海，是乘飞机还是火车的问题，例：对于从北京到上海，是乘飞机还是火车的问题，其知识可归纳为：其知识可归纳为：n1 1、叙述型知、叙述型知识：北京、上海、：北京、上海、飞机、火机、火车、时间、费用等；用等；n2 2、过程型知程型知识：乘：乘飞机、坐火机、坐火车等；等；n3 3、控制型知、控制型知识：乘：乘飞机机较快、快、较贵；坐火；坐火车较慢、慢、较便宜。便宜。例：对于从北京到上海，是乘飞机还是火车的问题，其知识可归纳为3131常用的知识表示法常用的知识表示法 无无论是医学科技文献中的科学知是医学科技文献中的科学知识还是是临床医生的床医生的经验性知性知识，它，它们通常是用自然通常是用自然语言、言、图形、表格等形式表示的，在用人工智能方形、表格等形式表示的，在用人工智能方法模法模拟医学医学过程程时，必，必须将将这些形式的知些形式的知识用合适的形式来表示用合适的形式来表示，这样才能使知才能使知识方便地在方便地在计算机中算机中储存、存、检索、使用和修改，并且索、使用和修改，并且在在设计和和实现医学决策支持医学决策支持时，知，知识的表示方法与医学的表示方法与医学问题的求解的求解方法和方法和过程密切相关。程密切相关。产生式表示法生式表示法(IF-THEN)(IF-THEN)逻辑表示表示(谓词逻辑)语义网网络框架理框架理论 状状态空空间面向面向对象的知象的知识表示表示过程表示法程表示法模糊表示模糊表示神神经网网络常用的知识表示法 无论是医学科技文献中的科学知识还是临床3232产生式系统知识表示法产生式系统知识表示法n产生式系生式系统是是历史悠久且使用最多的知史悠久且使用最多的知识表示系表示系统，早在自，早在自动机理机理论、形式文法和、形式文法和程序程序语言中得到广泛的言中得到广泛的应用，用，产生式系生式系统是用来描述若干个不同的以一个基本概念是用来描述若干个不同的以一个基本概念为基基础的系的系统。产生式系统知识表示法产生式系统是历史悠久且使用最多的知识表示3333产生式的基本形式产生式的基本形式n有两种：有两种：n P PQ Qn 或者：或者：IF P THEN QIF P THEN Qn 其中：其中：P P是是产生式的前提，用于指出生式的前提，用于指出该产生式是生式是否是可用条件；否是可用条件；n Q Q是一是一组结论或操作，用于指出前提或操作，用于指出前提P P所指出的所指出的条件被条件被满足足时，应该得到的得到的结论或或应该执行的操行的操作。作。产生式的基本形式有两种：3434产生式的基本形式产生式的基本形式n1 1、确定性确定性规则知知识的的产生式表示形式生式表示形式为：P PQ Q 或者：或者：IF P THEN QIF P THEN Q例例:IF IF 收收缩压140 THEN 140 THEN 高血高血压产生式的基本形式1、确定性规则知识的产生式表示形式为：3535产生式的基本形式产生式的基本形式n2 2、不确定性不确定性规则知知识的的产生式表示形式生式表示形式为：P PQ Q（可信度）（可信度）或者：或者：IF P THEN Q IF P THEN Q（可信度）（可信度）例例:IF IF 流鼻涕流鼻涕 THEN THEN 感冒感冒(0.6)(0.6)产生式的基本形式2、不确定性规则知识的产生式表示形式为：3636产生式的基本形式产生式的基本形式n3 3、确定性事确定性事实性知性知识的的产生式表示一般使用三元生式表示一般使用三元组表示：表示：（对象，属性，象，属性，值）或者：或者：（关系，（关系，对象象1 1，对象象2 2）如：事如：事实“老李年老李年龄是是4040岁”可表示可表示为：（LiLi，AgeAge，4040）LiLi是是对象，象，AgeAge是属性，是属性，4040是是值。如如“老李、老老李、老张是朋友是朋友”可写成：可写成：（FriendFriend，LiLi，ZhangZhang）FriendFriend是关系，是关系，LiLi和和ZhangZhang是是对象象产生式的基本形式3、确定性事实性知识的产生式表示一般使用三元3737产生式的基本形式产生式的基本形式n4 4、不确定性事不确定性事实性知性知识的的产生式表示生式表示一般使用四元一般使用四元组表示：表示：（对象，属性，象，属性，值，可信度），可信度）或者：或者：（关系，（关系，对象象1 1，对象象2 2，可信度），可信度）如：事如：事实“老李年老李年龄可能是可能是4040岁”可表示可表示为：（LiLi，AgeAge，4040，0.80.8）LiLi是是对象，象，AgeAge是属性，是属性，4040是是值。如如“老李、老老李、老张是朋友的可能性不大是朋友的可能性不大”可写成：可写成：（FriendFriend，LiLi，ZhangZhang，0.10.1）FriendFriend是关系，是关系，LiLi和和ZhangZhang是是对象象产生式的基本形式4、不确定性事实性知识的产生式表示一般使用四3838产生式系统的组成产生式系统的组成n一个典型的一个典型的产生式系生式系统由：由：n 1)1)、规则库n 2)2)、工作存、工作存储器（器（综合数据合数据库）n 3)3)、控制器（推理机）、控制器（推理机）推理机推理机规则库规则库综合数据库综合数据库产生式系统的组成一个典型的产生式系统由：推理机规则库综合数据3939规则库规则库n目前，目前，产生式系生式系统已已经演演变成：成：“IFIF条件条件THENTHEN动作或作或结论”n例例1 1：IF IF 天阴天阴 and and 空气中湿度很大空气中湿度很大 THEN THEN 可能要下雨；可能要下雨；n例例2 2：IF IF 一种可燃性气体溢出了一种可燃性气体溢出了 THEN THEN 报告消告消防防队；规则库目前，产生式系统已经演变成：“4040医学知识的获取医学知识的获取获取过程获取过程n抽取知识抽取知识 n知识转换知识转换 n知识输入知识输入 n知识检测知识检测 n知识求精知识求精医学知识的获取获取过程4141获取医学知识的方式获取医学知识的方式n知知识工程工程师和医学和医学专家之家之间密切合作密切合作n医学知医学知识获取的工具（骨架系取的工具（骨架系统）n自自动知知识获取取获取医学知识的方式知识工程师和医学专家之间密切合作4242知识工程师和医学专家之间密切合作获取知识知识工程师和医学专家之间密切合作获取知识优点：点：1 直接直接 2 系系统性性强缺点缺点：1 劳动量大量大 2 知知识的来源有限的来源有限 3 知知识领域狭窄域狭窄 4 手工形式手工形式记录、易出、易出错 5 效率低效率低知识工程师和医学专家之间密切合作获取知识优点：4343著名的骨架系统著名的骨架系统1 TEIRESIAS系系统 2 OPAL系系统 3 PROTG系列系列 4 INTERNIST-I/QMR系系统5 KAVAS知知识提取系提取系统优点点 应用了知用了知识工程工程领域和域和计算机算机领域及网域及网络技技术中比中比较新新的方法和技的方法和技术，知，知识用面向用面向对象等方式表示象等方式表示缺点缺点 知知识工程工程师与医学与医学专家之家之间的的鸿沟、知沟、知识表示是否适当表示是否适当？著名的骨架系统1 TEIRESIAS系统 4444自动知识获取自动知识获取(自学习自学习)智能水平的高低在于系智能水平的高低在于系统拥有知有知识的数量和的数量和质量量 传统的、通的、通过知知识工程工程师获取知取知识的方法不能完全的方法不能完全满足需求足需求 自自动获取知取知识成成为的新的研究目的新的研究目标自动知识获取(自学习)智能水平的高低在于系统拥有知识的数量和4545知识的管理和维护知识的管理和维护n方便方便添加、添加、删除和修改除和修改诊断知断知识,浏览各种各种对象和象和属性等管理属性等管理维护工作工作n对象象类n知知识对象索引表象索引表知识的管理和维护方便添加、删除和修改诊断知识,浏览各种对象和4646医学决策支持方法（推理机）医学决策支持方法（推理机）推理机是指基于知推理机是指基于知识的推理的的推理的计算机算机实现,包括推理包括推理与控制两方面与控制两方面在推理在推理过程中解程中解释和和执行用某种行用某种语言表示的一系列推言表示的一系列推理理规则 面向面向对象知象知识表达的表达的诊断推理断推理过程是一个面向知程是一个面向知识库系系统的，基于的，基于假假设产生生-假假设证实机制的，由高机制的，由高层到到底底层逐步求精的逐步求精的递推推过程程医学决策支持方法（推理机）推理机是指基于知识的推理的计算机实47471 正向推理与反向推理正向推理与反向推理n n正向推理正向推理正向推理正向推理:是以已知是以已知事事实作作为出出发点的推理，又称点的推理，又称为数据数据驱动推理。正推理。正向推理从病人数据向推理从病人数据库中提供的主中提供的主诉及及实验室室检查等事等事实出出发，检查知知识库中是否存在可用于中是否存在可用于对这些数据些数据进行推理的行推理的规则。如果存在可用。如果存在可用规则，就，就执行行这些些规则，推理的，推理的结果被添加到数据集中，如果后面的果被添加到数据集中，如果后面的规则依依赖于于这些些新的推理数据，那么后面的新的推理数据，那么后面的规则将被激活将被激活n n反向推理反向推理反向推理反向推理:推理机制是从知推理机制是从知识库中中选择规则开始，随后开始，随后检查病人数据病人数据库中是否有可供推中是否有可供推论的的数据数据。推理机制。推理机制实际上是从上是从单一一规则（目（目标规则）开）开始的，然后依据已知的病人数据始的，然后依据已知的病人数据评估估该目目标规则的前提是否的前提是否为真。如果没真。如果没有数据可以有数据可以证实这一一规则的前提的前提为真，反向推理器就到知真，反向推理器就到知识库中中寻找其他找其他规则。如果其中一个。如果其中一个规则为真，系真，系统就会得出就会得出结论：此目：此目标规则的前提的前提为真。真。这种目种目标驱动的推理的推理过程反复程反复进行，直到行，直到证实目目标规则为假，或者目假，或者目标的所有前提都的所有前提都为真。真。1 正向推理与反向推理正向推理:是以已知事实作为出发点的推理48482 确定性推理与不确定推理确定性推理与不确定推理n在医学中我在医学中我们常常会遇到不常常会遇到不严格、不精确的、模糊的知格、不精确的、模糊的知识 （1 1）基于概率的不确定推理）基于概率的不确定推理:用事件用事件发生的生的概率概率来描述和来描述和计算推理的算推理的不确定性不确定性测度度 （2 2）基基于于可可信信度度的的不不确确定定推推理理:用用信信任任度度表表示示证据据出出现时对结论成成立立的的信信任任程程度度。信信任任度度的的值比比较容容易易通通过领域域专家家给出出。设定定信信任任度度值的的原原则是是：若若相相应证据据能能增增加加结论为真真的的可可信信度度，则使使信信任任度度大大于于0 0，证据据越越是是支支持持为真真，就就使使值越越大大；反反之之小小于于0 0，证据据越越是是支支持持为假假，就使就使绝对值越大；若越大；若证据与据与结论无关，无关，则使信任度使信任度0 0。（3 3）基于模糊理）基于模糊理论的不确定推理的不确定推理:模糊理模糊理论通通过隶属度隶属度来定来定义对象属象属于模糊集合的程度，若隶属度越接近于于模糊集合的程度，若隶属度越接近于1 1，则属于模糊集合的程度越属于模糊集合的程度越大，反之就越小。一般用模糊大，反之就越小。一般用模糊规则表示模糊条件和模糊表示模糊条件和模糊结论及它及它们之之间的可信度因子。的可信度因子。2 确定性推理与不确定推理在医学中我们常常会遇到不严格、不精49493 机器学习方法机器学习方法n决策决策树n贝叶斯网叶斯网络n n人工神人工神人工神人工神经经网网网网络络n n遗传遗传算法算法算法算法3 机器学习方法决策树50504 推理机的搜索策略推理机的搜索策略盲目搜索方法盲目搜索方法 深度深度优先先 广度广度优先先 有限深度有限深度优先先 随机深度随机深度优先先启启发式的搜索方法式的搜索方法 爬山法爬山法 最近最近邻居搜索居搜索4 推理机的搜索策略盲目搜索方法5151MYCIN系统系统 nMYCIN系系统是由斯坦福是由斯坦福(Stanford)大学建立的大学建立的对细菌感染疾病的菌感染疾病的诊断断和治和治疗提供咨提供咨询的的计算机咨算机咨询专家系家系统。医生向系。医生向系统输入病人信息，入病人信息，MYCIN系系统对之之进行行诊断，并提出断，并提出处方。方。n细菌菌传感疾病感疾病专家在家在对病情病情诊断和提出断和提出处方方时，大致遵循下列，大致遵循下列4个步个步骤：(1)确定病人是否有重要的病菌感染需要治确定病人是否有重要的病菌感染需要治疗。为此，首先要判断所此，首先要判断所发现的的细菌是否引起了疾病。菌是否引起了疾病。(2)确定疾病可能是由哪种病菌引起的。确定疾病可能是由哪种病菌引起的。(3)判断哪些判断哪些药物物对抑制抑制这种病菌可能有效。种病菌可能有效。(4)根据病人的情况，根据病人的情况，选择最适合的最适合的药物。物。n系系统通通过和内科医生之和内科医生之间的的对话收集关于病人的基本情况，例如收集关于病人的基本情况，例如临床床情况、症状、病情况、症状、病历以及以及详细的的实验室室观测数据等。系数据等。系统首先首先询问一些一些基本情况。内科医生在回答基本情况。内科医生在回答询问时所所输入的信息被用于作出入的信息被用于作出诊断。断。诊断断过程中如需要程中如需要进一步的信息，系一步的信息，系统就会就会进一步一步询问医生。一旦可以医生。一旦可以作出合理的作出合理的诊断，断，MYCIN就列出可能的就列出可能的处方，然后在与医生作方，然后在与医生作进一步一步对话的基的基础上上选择适合于病人的适合于病人的处方。方。MYCIN系统 MYCIN系统是由斯坦福(Stanford)5252MYCIN系统由系统由3个子系统组成：咨询子系统，解释子系个子系统组成：咨询子系统，解释子系统和规则获取子系统统和规则获取子系统 n静静态数据数据库 n动态数据数据库 MYCIN系统由3个子系统组成：咨询子系统，解释子系统和规则5353n咨咨询开始开始时，先启，先启动咨咨询系系统，进入人机入人机对话状状态。在。在对话过程程中，系中，系统向用向用户提出必要的提出必要的问题，进行推理。如果医生行推理。如果医生对咨咨询的的某些部分有疑某些部分有疑问，例如，想知道，例如，想知道为什么要向用什么要向用户询问某个特定的某个特定的问题，他可，他可暂停咨停咨询，向系，向系统提出提出问题。这时系系统将将给予解予解释，并示范系并示范系统所希望回答的例子。然后系所希望回答的例子。然后系统又重新返回到咨又重新返回到咨询过程。程。n当当结束咨束咨询时，系，系统自自动地地转入入解解释子系子系统。解。解释子系子系统回答用回答用户的的问题，并解，并解释推理推理过程。解程。解释时，系，系统显示用英示用英语形式表示形式表示的的规则，并，并说明明为什么需要某种信息，以及如何得到某个什么需要某种信息，以及如何得到某个结论。这样做的主要目的是做的主要目的是为了使医生容易接受系了使医生容易接受系统的的结论。n规则获取系取系统只由建立系只由建立系统的知的知识工程工程师所使用。当所使用。当发现有有规则被被遗漏或不完善漏或不完善时，知，知识工程工程师可以利用可以利用这个系个系统来增加和修改来增加和修改规则。咨询开始时，先启动咨询系统，进入人机对话状态。在对话过程中，5454nMYCIN系系统是用是用INTERLISP语言言编写的。初始的系写的。初始的系统包含有包含有200条关于条关于细菌血症的菌血症的规则，可以，可以识别大概大概50种种细菌菌。以后。以后该系系统又又经过了了扩展和改展和改进，使其可以，使其可以诊断和治断和治疗脑膜炎。同膜炎。同时又有人以又有人以MYCIN的控制机构和数据的控制机构和数据结构构为基基础发展了和展了和应用范用范围无关的系无关的系统，称之，称之为EMYCIN(Es sential MYCIN)，即即专家系家系统开开发工具。工具。n对MYCIN系系统所作的正式所作的正式鉴定表明在定表明在对细菌血症和菌血症和脑膜炎病膜炎病人的人的诊断和断和选择处方方面，方方面，MYCIN系系统比比传染病方面的染病方面的专家家高明。但到目前高明。但到目前为止，系止，系统还不能用于不能用于临床，其主要原因是系床，其主要原因是系统缺乏缺乏传染病方面的全面知染病方面的全面知识。MYCIN系统是用INTERLISP语言编写的。初始的系统包55551 咨询子系统咨询子系统 n在咨在咨询过程中，程中，MYCIN逐步建立逐步建立为得出得出结论所必需的信所必需的信息，息，这些信息有关于病人的一般情况、培植的培养物、些信息有关于病人的一般情况、培植的培养物、从培养物中分离的从培养物中分离的细菌以及已服用的菌以及已服用的药物等。物等。这些信息些信息分分别归类到相到相应的的项目中去，目中去，这些些项目称目称为上下文上下文。1 咨询子系统 在咨询过程中，MYCIN逐步建立为得出结论所5656上下文树上下文树 每种每种上下文类型上下文类型都由一组都由一组临床参数临床参数来描述。例如描述来描述。例如描述PERSON上上下文的参数称为下文的参数称为PROPPT，其中包括，其中包括NAME、AGE和和SEX，分别表，分别表示姓名、年龄和性别。描述示姓名、年龄和性别。描述CURCULS的参数称为的参数称为PROPCUL，其，其中包括中包括SITE参数，表示培养物取自的部位。描述参数，表示培养物取自的部位。描述CURDRGS的参的参数为数为PRODGRG，其中包括，其中包括IDENT参数，表示细菌的类别。参数，表示细菌的类别。上下文树 每种上下文类型都由一组临床参数来描述。例如描述PE5757nMYCIN应用用产生式生式规则把把专家知家知识表示成一般的表示成一般的IF(条件或前提条件或前提)和和THEN(操作或操作或结论)的形式。的形式。n对许多多临床参数，床参数，MYCIN通常不止通常不止计算一个肯定的算一个肯定的值而是而是计算几个可能算几个可能的的值。每一个。每一个值都都带有一个有一个可信度可信度。这是一个从是一个从-1到到+1之之间的数，用来的数，用来表示表示这个个临床参数的可信程度。可信度等于床参数的可信程度。可信度等于1表示表示这个参数肯定是个参数肯定是这个个值，可信度，可信度为-1表示表示这个参数肯定不是个参数肯定不是这个个值。可信度或是通。可信度或是通过计算得算得到或是由医生到或是由医生输入。入。nMYCIN系系统使用使用逆向推理逆向推理的控制策略。在程序的任何一点，程序的目的控制策略。在程序的任何一点，程序的目标都是都是寻找某一上下文的参数。跟踪的方法是找某一上下文的参数。跟踪的方法是调用所有在其操作部分得出用所有在其操作部分得出这个参数的个参数的规则。开始咨。开始咨询时，首先把上下文，首先把上下文树的根的根节点具体化点具体化为病人病人-1。然后。然后试图找出找出这个上下文个上下文类型的型的REGIMEN参数参数。在。在MYCIN中只有中只有一条一条规则可以推可以推论出出REGIMEN的的值(REGIMEN表示表示对病人建病人建议的的疗法法)，这条条规则称之称之为目目标规则。为了求得了求得REGIMEN的的值，系，系统需要跟踪需要跟踪目目标规则的前提部分所涉及的参数。医生很可能也不知道的前提部分所涉及的参数。医生很可能也不知道这些些值，所以，所以需要需要应用可以推用可以推论出出这些些值的的规则。然后，又跟踪。然后，又跟踪这些些规则的前提部分的前提部分中的参数。中的参数。这样跟踪下去，直到通跟踪下去，直到通过医生的回答以及推医生的回答以及推论可以找到所需可以找到所需的参数的参数为止。止。MYCIN应用产生式规则把专家知识表示成一般的IF(条件或前58582 静态数据库静态数据库 nMYCIN有一个静有一个静态数据数据库包括所有的包括所有的产生式生式规则以及所有的咨以及所有的咨询程序所需的信息。每一程序所需的信息。每一类上下文、上下文、规则、参数都有若干特性、参数都有若干特性来充分地描述它来充分地描述它们。这些特性都些特性都储存在静存在静态数据数据库中。中。这样的的静静态数据数据库也就是也就是专家系家系统的知的知识库。n每个每个规则都有四个存都有四个存储在静在静态数据数据库中的特性：中的特性：2 静态数据库 MYCIN有一个静态数据库包括所有的产生式规59593 函数函数 n用于前提部分的简单函数用于前提部分的简单函数 n专门函数专门函数 n用于操作部分的函数用于操作部分的函数 3 函数 用于前提部分的简单函数 6060用于前提部分的简单函数用于前提部分的简单函数 nMYCINMYCIN在它的在它的规则前提部分，前提部分，应用用许多多简单函数，函数，这些函数些函数对动态数据数据库中的关于病人的数中的关于病人的数值求求值，并回答一个真，并回答一个真值。每当。每当对一个一个子句求子句求值时，MYCINMYCIN首先首先检验在子句中所涉及的参数是否已在子句中所涉及的参数是否已经被跟被跟踪踪过。如果没有，那么，或者向用。如果没有，那么，或者向用户提提问，或者推，或者推论它的它的值。然。然后，系后，系统把函数用于合适的病人数据把函数用于合适的病人数据三元三元组(对象、属性、象、属性、值 )。n参数是否已知函数参数是否已知函数:KNOWN:KNOWN、NOTKNOWNNOTKNOWN、DEFINITEDEFINITE和和NOTDEFINITENOTDEFINITEn可信度函数可信度函数:NOTSAME:NOTSAME、MIGHTBEMIGHTBE、NOTKNOWNNOTKNOWN、DEFISDEFIS、NOTDEFISNOTDEFIS、DEFNOTDEFNOTn用于数字用于数字值参数的函数。参数的函数。这类函数回答真函数回答真值。例如，如果病人的。例如，如果病人的年年龄超超过1313，那么，那么(GRET ERP PATIENT 1 AGE 13)(GRET ERP PATIENT 1 AGE 13)为真，否真，否则为假。假。用于前提部分的简单函数 MYCIN在它的规则前提部分，应用许6161专门函数专门函数nMYCINMYCIN具有可以具有可以查找静找静态数据数据库中的知中的知识表的表的专门函数。函数。这些函数建立可被些函数建立可被规则的前提利用的的前提利用的临时数据数据结构。构。n例如：例如：SAME CNTXT IDENT(LISTOF(GRID1(VAL 1 CNTXT SAME CNTXT IDENT(LISTOF(GRID1(VAL 1 CNTXT PORTAL)PATHFLORA)PORTAL)PATHFLORA)是一个含有是一个含有专门函数函数GRID1GRID1的子句。的子句。GRID1GRID1有二个有二个变量：一个是参数，另一个是知量：一个是参数，另一个是知识表的名称。表的名称。这时，参数是由，参数是由计算得到的，即算得到的，即(VAL1 CNTXT PORTAL)(VAL1 CNTXT PORTAL)从从动态数据数据库为CNTXT(CNTXT(某种某种细菌菌)的入口的入口检索可信度最高的索可信度最高的值。这个个值用于用于对知知识表表PATHFLORAPATHFLORA进行行检索。索。这个知个知识表包含表包含MYCINMYCIN系系统所已知的，在每个部位可能所已知的，在每个部位可能发现的病原的病原体表。体表。专门函数MYCIN具有可以查找静态数据库中的知识表的专门函数6262用于操作部分的函数用于操作部分的函数 n用于操作部分的函数有好几种，其中最常用的是用于操作部分的函数有好几种，其中最常用的是CONCLUDECONCLUDE。nCONCLUDECONCLUDE把病人数据三元把病人数据三元组连同可信度存入同可信度存入动态数据数据库，这个可信个可信度是根据前提的可信度以及度是根据前提的可信度以及规则的可信度的可信度计算而得到的。如果由于算而得到的。如果由于以前的以前的结论，这个三元个三元组已已经存在，那么原来的可信度就和新的可存在，那么原来的可信度就和新的可信度信度组合起来。合起来。nCONCLUDECONCLUDE函数有函数有5 5个个变量。某一量。某一规则的操作部分可能是：的操作部分可能是：(CONCLUDE ORGANISM-2 IDENT SALMONELLA TALLY 0.4)(CONCLUDE ORGANISM-2 IDENT SALMONELLA TALLY 0.4)TALLYTALLY用用于于保保持持前前提提的的可可信信度度。第第5 5个个变量量是是规则的的可可信信度度，它它表表示示专家家对结论的的相相信信程程度度。譬譬如如，在在某某一一特特定定情情况况下下TALLYTALLY是是0.80.8，那那么么在在新新的的三三元元组中中ORGANISM-2ORGANISM-2的的IDENTIDENT参数参数值为SAMONELLASAMONELLA的可信度的可信度应为0.80.4=0.320.80.4=0.32。用于操作部分的函数 用于操作部分的函数有好几种，其中最常用的63634 非精确推理非精确推理 nMYCINMYCIN在咨在咨询过程中利用程中利用可信度可信度而不是正而不是正规的的统计量量测作作为在在几种可能性中几种可能性中进行行选择的量度。的量度。这是因是因为根据医生根据医生临床床经验，医生用以医生用以诊断的信息并不适合于正断的信息并不适合于正规统计方法，而可信度的方法，而可信度的概念似乎更符合医生概念似乎更符合医生进行推理的方式。行推理的方式。n可信度的概念如下所述：可信度的概念如下所述：所有在所有在MYCINMYCIN系系统中所研究的假中所研究的假设和断言都附有二个数和断言都附有二个数MBMB和和MDMD，用于量度人，用于量度人们主主观上上对它它们的相信和不相信程度。的相信和不相信程度。MBh,e=xMBh,e=x，表示由于，表示由于观察到察到证据据e e，对假假设h h的相信程度的相信程度增加了增加了x xMDh,e=yMDh,e=y，表示由于，表示由于观察到察到证据据e e，对假假设h h的相信程度的相信程度减少了减少了y y4 非精确推理 MYCIN在咨询过程中利用可信度而不是正规的6464n把把MBMB和和MDMD合合为一个，定一个，定义可信度可信度CFCF如下：如下：n CFhCFh，e=M