基于PS的電子病歷管理模型的構建與推理

方 婷,王曉華,楊 敏,冉梅梅

(1. 貴州大學計算機科學與技術學院,貴州 貴陽 550025;2. 遵義醫科大學醫學信息工程學院,貴州 遵義 563000)

1 引言

電子病歷的管理[1,2]工作不僅是為了實現病人診治信息和醫療管理信息的增、刪、改、查,也是為了電子病歷在醫療機構間共享后若被泄露可查詢共享記錄使得病歷的來源與去處有跡可循,保證醫院間病歷的共享是安全可靠的。為此,文獻[3]結合多色集合和圍道矩陣分別從不同組織的不同視角提取各組織的外部交互活動和交互資源提出電子病歷互訪模型,便于患者在異地就診時醫院訪問患者的相關病史以及診療情況。文獻[4]通過部署區塊鏈服務平臺,將電子病歷上鏈存證、共享與對患者確權,讓患者取得了電子病歷的管理權限,使其可以積累并提供來自不同醫療組織的病歷信息,但此方案只是將病歷中數據信息的摘要進行上鏈存證,無法查看完整的電子病歷。文獻[5]結合知識圖譜技術與文本解析技術的方法,構建疾病知識庫,完成電子病歷的智能化管理。以上方案都實現了對病歷的管理,但是未對電子病歷的管理過程進行詳細的形式化描述,本文針對此問題基于層次結構[6]構建的管理模型不僅能體現出該模型中不同模塊及其元素之間耦合度的高低,而且還能對電子病歷的管理模型進行詳細的形式化描述。

本文構建的電子病歷管理模型具有較為復雜的層次結構,由醫療活動、就診記錄、電子病歷以及電子病歷的操作記錄等四個處于不同層次的元素構成,且這四個元素之間存在信息的交換。1988年至2002年期間,俄羅斯的Pavlov教授提出了多色集合理論[7,8](Polychromatic Sets Theory,PST)體系結構及其相關概念作為一種對信息進行描述和處理的數學工具,在為處理大量信息的系統進行建模與推理[9-11]分析時,可以利用多色集合中的圍道矩陣來對各種不同對象的性質、屬性以及各元素間的層次結構和關系類型進行仿真和描述,并在集合層和邏輯層組織對信息進行處理,該理論體系為現實系統模型的構建提供了一個新的有效方法。本文構建了基于多色集合的電子病歷管理層次結構模型(A Hierarchical Model of Electronic Medical Records Management Based on Polychromatic Set,EMRM-PS),并對EMRM-PS層次結構模型進行詳細的形式化描述和推理來驗證所提模型和方法的正確性和有效性。

2 多色集合

傳統集合A的表達能力有限,該集合的任意元素ai,aj∈A只能表示它們的名字都互不相同。而多色集合中把普通集合A中的元素作為多色集合的元素涂上一種“顏色”,集合A整體本身涂上一種“顏色”得到的顏色集合記為F(A),并用“圍道”的概念來對不同對象及其所含元素的性質、屬性、參數等進行仿真。多色集合的數學表達式為

(1)

在表達式(1)中,A={a1,a2,…,ai,…,an},表示普通集合A的元素是多色集合的元素;F(a)={f1,f2,…,fj,…,fmi},表示所有元素的個人著色;F(A)={F1,F2,…,Fj,…,Fp},表示多色集合A的統一著色;圍道矩陣[A×F(a)]、[A×F(A)]和[A×A(F)]分別表示集合A與所有元素的個人著色F(a)、集合A的統一著色F(A)以及統一著色的體A(F)形成的布爾矩陣。

其中,[F(a)×F(A)]的表達式為

(2)

在布爾矩陣(2)中,如果統一顏色Fj的存在受到個人顏色fi的影響,那么cij=1,否則cij=0。該矩陣的第i個行布爾矢量表示受個人顏色fi影響到的統一顏色Fj,記為

Fj(A)={f1,f2,…,fi,…,fq}

(3)

該矩陣的第j個列布爾矢量表示統一顏色Fj的體A(Fj),記為

A(Fj)={aj1,aj2,…,ajs,…,ajt}

(4)

統一著色的體A(F)是由所有統一顏色Fj的體作為元素組成的集合,記為

(5)

3 PS層次結構模型

3.1 模型構建

對于只包含節點和邊兩個元素的傳統層次結構,節點元素只能反映出各個節點的名字都互不相同,對于其它的任何性質在形式上都無法表示出來。邊也只能表示節點之間的一種簡單關系,對于元素間存在的其它復雜關系的形式化表達方面沒有具體體現。利用多色集合的概念,增加節點顏色和各層次節點間的約束關系來改進只含有節點和邊的簡單層次結構。其中,各節點的表示以遞歸的形式表示如式(6)所示,在建立的約束關系集合F(e)={f1,f2,f3}中,如圖1所示,f1為直接分解關系,f2為間接約束關系(最底層),f3為間接約束關系。

圖1 PS層次結構模型

(6)

式中:A(0,0,0)——根節點;

F(A(0,0,0))——根節點的顏色(性質);

〈F(A(0,0,0)),A(0,0,0)〉——有序對,由根節點及其顏色組成;

n(k+1,ik)——第k層、第ik個節點的子節點數目;

nk——第k層的所有節點數目。

3.2 模型描述和推理

現有一集合A,組成集合A的元素為圖1所示的模型中最后一層的所有節點。如果A(l,il,jl-1)∈A,l∈(1,2,…,n),那么第l層中第il(1≤il≤nl)個節點為葉節點(終止節點)。即各個深度不同分支的終止條件。

對于F(A(k+1,ik+1,ik))和F(A(k,ik,jk-1)),即f1類型的關系(相鄰層節點),采用布爾矩陣[F(a)×F(A)]進行描述與推理。當A(l,il,jl-1)∈A時,A(l,il,jl-1)和F(A(l,il,jl-1)),即f1類型的關系(最底層節點),采用布爾矩陣[A×F(A)]進行描述與推理。

對于F(A(k,rk,jk-1))和F(A(k,sk,jk-1)),即f2類型的關系(同一層節點),采用自相關矩陣[F(A)×F(A)]進行描述與推理。當A(l,rl,jl-1),A(l,sl,jl-1)∈A時,A(l,rl,jl-1)和A(l,sl,jl-1),即為f3類型的關系(最底層節點與其它節點),采用自相關矩陣[F(a)×F(a)]進行描述與推理。

對于F(A(k+1,pk+1,qk))和F(A(k,ik,jk-1)),即f3類型的關系(相鄰層節點),采用布爾矩陣[F(a)×F(A)]進行描述與推理。當A(l,il,jl-1)∈A時,A(l,il,jl-1)和F(A(l,pl,ql-1)),即f3類型的關系(最底層的節點與其它節點),采用關系矩陣[A×F(A)]進行描述與推理。

4 EMRM-PS層次結構模型

把電子病歷管理系統(EMRMS)抽象成計算機可以處理和表達的形式,是本文構建電子病歷管理模型的主要任務。本文構建的EMRMS是由四個模塊及其大量元素根據兩種關系耦合在一起構成的一個層次結構。因此,EMRMS的層次多且元素間關系復雜,本文把構成EMRMS的四個主要元素作為節點,元素之間的相互作用作為邊,構建基于多色集合的電子病歷管理(EMRM-PS)層次結構模型。

4.1 模型構建

在醫療信息化背景下,醫院的電子病歷管理系統都包含醫療活動、就診記錄、電子病歷以及電子病歷的操作記錄等四個模塊,它們之間存在遞進和證明的關系,且均可以分解為更具體的元素。如圖2所示的電子病歷管理模型中,患者在醫療機構就診時每完成一項醫療活動都會生成一份就診記錄,每生成一份就診記錄都會添加到該患者對應的電子病歷中,電子病歷每進行一次添加醫療信息等操作就會生成一份操作記錄并保存下來,四個模塊之間形成了一種遞進的關系。同時,每項操作記錄的生成都為電子病歷中醫療信息的更改提供證明,電子病歷的更新和生成也會為每一份就診記錄提供證明,而每份就診記錄的生成也為每一項醫療活動的完成提供證明。因此,醫療活動、就診記錄、電子病歷以及操作記錄等四個模塊之間包含遞進和證明兩種關系,且這四個模塊均可以分解成大量具體的元素,電子病歷的管理模型就是由這四個模塊之間的關系及其分解的大量元素耦合在一起組成的。綜上,建立了如圖3所示的基于多色集合的電子病歷管理(EMRM-PS)層次結構模型。

圖2 EMRM模型

圖3 EMRM-PS層次結構模型

由圖3可知,EMRM-PS層次結構模型包含4個層次,分別為:

4.2 模型描述

當前層節點功能的完成取決于下一層節點功能的實現,下一層節點功能的實現可為上一層節點功能的完成提供證明。即每個醫療活動的完成由就診記錄來證明,每份就診記錄的生成由電子病歷的生成來證明,每份電子病歷的生成由操作記錄來證明。具體描述如下:

對于電子病歷層(第3層),第4層操作記錄層每個節點有且僅有一個父節點,但是多個操作記錄可具有相同的父節點,即一份電子病歷可進行五項操作(添加、刪除、修改、查看、共享)后產生記錄,并保留每項操作的最新操作記錄,然后每份電子病歷根據不同的操作進行實時更新。故電子病歷層每個節點有一個或多個子節點,操作記錄層中各個節點的實現情況對電子病歷的更新和生成產生影響,具體不再描述。

4.3 模型的形式化推理

4.3.1 推理步驟

采用式(2)所示的圍道矩陣[F(a)×F(A)]可以實現對EMRM-PS層次結構模型中節點之間的遞進與證明關系的形式化描述。EMRM-PS層次模型的推理算法流程圖如圖4所示,根據下面的步驟可以完成該模型中信息的單向自動推理和雙向自動推理。

圖4 EMRM-PS層次結構模型推理流程圖

1) 初始化模型設置當前層布爾矢量為Fk,并根據用戶需求確定初始推理條件,根據初始條件判斷推理類型為單向推理還是雙向推理。當k=1時,為自頂向下的單向推理;當k=n時,為自底向上的單向推理;當1

2) 搜索第k層(當前層)與第k+1層或k-1層(相鄰層)形成的圍道矩陣[Fk×Fk+1]或[Fk×Fk-1],獲得布爾矢量Fk+1或Fk-1,并令相鄰層為當前層,即Fk=Fk+1或Fk=Fk-1。

3) 每次執行1)和2)時都需要判斷第k層(當前層)是否為第n層(最底層)或第1層,如果是則輸出結果,如果不是則繼續執行2)。

4.3.2 推理過程

如圖5所示,采用式(2)所示的圍道矩陣[F(a)×F(A)]作為推理矩陣來對EMRM-PS層次結構模型中相鄰層節點之間的完成和實現關系作詳細的形式化描述,包括M1,2=[F1×F2]、M2,3=[F2×F3]和M3,4=[F3×F4]。也可以表示為M2,1=[F2×F1]、M3,2=[F3×F2]和M4,3=[F4×F3]。

圖5 EMRM-PS層次結構模型推理矩陣

結合圖5所示的推理矩陣來闡述EMRM-PS層次結構模型的單向和雙向自動推理過程如下:

1)自頂向下單向推理

2)自底向上單向推理

3)同時向下、向上雙向推理

假設初始條件為:現有一患者的就診記錄,要查出此患者完成的醫療活動以及該患者電子病歷的操作記錄,這是一個同時向下、向上的雙向推理問題。首先將初始條件用布爾矢量表示為F2=[0001000000],并令Fk=F2,即F2為當前層。然后分別向上、向下推理。

①向上推理

搜索圍道矩陣M1,2=[F1×F2]得到布爾矢量F1=[0001000000],并令Fk=F1,即F1為當前層。此時當前層為第1層,向上推理結束。綜上,就診記錄4證明該患者完成了醫療活動4。

②向下推理

綜上,就診記錄4證明了患者完成了醫療活動4,將其添加到電子病歷3中,生成了添加這一操作記錄并對該病歷進行了更新,對電子病歷層和操作記錄層都造成了影響。

5 結束語

本文構建EMRM-PS層次結構模型的主要任務是把對電子病歷的管理抽象成計算機可處理和表達的形式,這也為電子病歷管理系統的設計與實現奠定了基礎。本文基于多色集合理論,構建了EMRM-PS層次結構模型,在邏輯層實現了單向和雙向自動推理,并通過舉例推理驗證了所提模型和方法的有效性,相較使用構架式思維等方法實現的電子病歷管理,本文提出的EMRM-PS層次結構模型在問題的形式化描述、信息的高效處理和計算機編程等方面都具有明顯優勢。