消渴病經方知識圖譜構建與知識發現

虞紅蕾 曹靈勇 瞿溢謙 劉暢 楊帆 王平 王磊 林樹元

1.浙江中醫藥大學基礎醫學院 杭州 310053 2.廣東省中醫院 3.杭州甘之草科技有限公司

消渴病為臨床疑難疾病，最早記載于 《黃帝內經》，與現代醫學之糖尿病相似，以多飲、多食、多尿、消瘦為主要臨床特征，早期可無明顯癥狀，其病機復雜、病傳多端、治療難度較大。中醫學對其認識歷史悠久，積累了寶貴的診治經驗，其中經方以效專力宏而為歷代醫家所推崇，然而消渴病的相關內容分布較散甚至錯簡散佚，其中的學術思想精髓和臨床經驗的傳承往往依賴于學習者的個人能力及悟性，這對消渴病理法方藥的學習和應用造成了困難。本研究利用知識圖譜技術，將經方典籍中消渴病的復雜知識進行關聯與可視化表達，以期促進消渴病學術及臨床研究的進一步發展。

1 資料和方法

1.1 數據來源 選擇《傷寒論》《金匱要略》《神農本草經》《名醫別錄》《諸病源候論》《備急千金要方》《千金翼方》《外臺秘要方》及《醫心方》共九本經方領域的代表典籍作為數據來源，篩選其中與消渴病相關的內容。

1.1.1 資料檢索 選擇以下版本古籍進行研究資料的檢索及校對，以確保內容的準確性：劉渡舟主編《傷寒論校注》（人民衛生出版社2013年7月出版）、何任主編 《金匱要略校注》（人民衛生出版社2013年7月出版）、馬繼興主編《神農本草經輯注》（人民衛生出版社2013年7月出版）、尚志鈞輯?！睹t別錄》（中國中醫藥出版社2013年8月出版）、丁光迪主編《諸病源候論校注》（人民衛生出版社2013年7月出版）、高文柱校注《醫心方》（華夏出版社2011年1月出版）以及《備急千金要方校注》《千金翼方校注》《外臺秘要方校注》（均為學苑出版社2016年1月出版）。

1.1.2 資料篩查 研究資料的納入標準為條文含有“消渴”二字，包括章節名稱含有“消渴”二字的完整章節和功效中含有“消渴”二字的藥物。由于篩選結果存在重復現象，采用以下方法排除重復：（1）對不同古籍中由于引用等原因導致內容相同的條文去重，保留最早的條文；（2）將不同古籍中藥名相同，且藥性、藥味、功效相似的條文合并為同一條文；（3）將重名但組成、功效不同的方劑進行標記，予以區分；（4）出自不同書籍，名稱相同、功效相似的方劑，其中有少量藥物或劑量差別的，視差別大小予以去留處理，即刪除年代較晚的條文或同時保留二者，并予以標記區分。

1.2 知識圖譜的構建與應用 在符合納入標準的研究資料的基礎上進行經方消渴病知識圖譜構建，其步驟主要分為本體構建、語義消歧、知識表示、數據存儲與可視化。該圖譜可應用于經方消渴病的辨證、治法、選方、用藥等方面。

1.2.1 消渴病領域的經方本體構建 知識圖譜需要有相應的本體作為框架。從計算機科學和信息科學的角度而言，一個本體就是特定領域或根本存在的實體類型、屬性、相互關系的正式命名和定義。本體可以將具有共同特點的事物抽象為一類概念，并對概念之間的關系進行描述，其形成的知識結構化表達模型實質上是一組概念框架，包括概念及概念間的關系，所以本體可視為一種側重概念的知識表達模型[1]，其具體實例可通過知識圖譜進行可視化表達。

1.2.1.1 本體構建方法 本體構建可根據目的不同選擇相應的方法。構建經方消渴病本體的目的是整理經方古籍中與消渴病相關的知識，達到系統整合消渴病領域知識及實現可視化搜索的目的，并為臨床診療決策提供幫助。由于中醫古籍內容為非結構化知識，加上年代久遠導致一些條文分布散亂甚至散佚，故采用“領域本體七步法”作為本研究的本體構建方式。領域本體七步法由斯坦福大學醫學院提出，適合指導醫學領域的本體構建[2]。該方法有助于將散亂的中醫辨證內容整理成結構化知識，形成適合中醫領域應用的較強關聯性內容。

“領域本體七步法”包括以下七個步驟：（1）確定專業領域和范疇；（2）考查復用現有本體的可能性；（3）列出本體中的重要術語；（4）定義類和類的等級關系；（5）定義類的屬性；（6）定義屬性的分面；（7）創建實例。本文將其整合成以下3個主要步驟進行闡述。

1.2.1.2 明確領域范疇及重要術語 領域范疇上文已確定，其中重要術語包括概念術語、關系術語及屬性術語。因本研究目的是梳理經方古籍中零散的消渴病相關知識，故從中提取的概念術語有病名、病機、癥狀、方劑、藥物等。見表1。其中病名可以通過“病因是”“癥狀是”等關系術語和“病因”“癥狀”等概念術語實現語義連接；“方劑”“藥物”等可通過“包含”關系建立聯系。見圖1。由此能將經方古籍中消渴病相關內容串聯起來，形成結構化的知識。由于中醫藥領域用詞習慣的多樣性，以及古籍文字內涵的不確定性，屬性術語需要進一步進行語義消歧。

表1 經方消渴病的重要概念術語（部分）Tab.1 Important concept terminologies of classical prescription diabetes disease（part）

1.2.1.3 定義類的屬性、屬性的分面及類之間的關系由上文可知，從研究資料的概念層可提取出病名、病因、病機等類。類的屬性即對該類的最本質的描述，如“消渴”“癰疽”等是對“病名”類的描述，又如“五苓散”“栝樓散”等是對“方劑”類的描述。屬性的分面是指屬性的屬性，如屬性的類型、容許值、取值個數等，在經方消渴病領域主要是指字符型數據，如“體征”的屬性，其取值范圍包括舌、苔、脈等醫者查體的結果；又如“穴位”的屬性，其取值范圍主要包括十二正經、奇經八脈等經絡上的穴位。

類之間的關系是由該領域獨特的知識體系所決定的，經方消渴病領域中類之間的關系較為復雜。例如“藥物”“方劑”既可通過關系“功效是”與“功效”相連，又可通過關系“治療”與“病名”“病機”“癥狀”相連?；诮浄嚼碚摰奶攸c，將類之間的關系定義如下，包含24個節點、24個標簽、54條關系和24種關系類型。見圖1。

圖1 類與類的關系示意圖Fig.1 Diagram of relationship between classes

1.2.1.4 創建實例 采用Excel軟件對上述研究資料，以條文為單位拆分詞義并創建實例，即根據中醫藥學名詞術語的相關概念對條文中的相應術語進行拆解，并作為實例添加。如條文“厥陰之為病，消渴，氣上撞心，心中疼熱……”其中“厥陰病”“消渴”為“病名”類的實例，“氣上撞心”“心中疼熱”為“癥狀”類的實例。另外，“消渴”有病名含義與癥狀含義之分，在創建實例時若條文所在篇章名含消渴，則歸為病名類；若僅在條文中出現消渴，則結合具體的語境進行處理。

1.2.2 語義消歧 由于實例皆是從古籍原文中拆分提取，其中普遍存在相同含義卻描述不同的情況，例如“引飲”“口中苦渴”等其本質含義為“口渴”；又如“日飲一石水”“飲水多”等其本質含義為“多飲”，故需要進行語義消歧，即進行領域相關術語的標準化。本研究根據2004版《中醫藥學名詞》查找與實例相對應的中醫學領域相關術語，作為該節點的附加屬性，有助于后續的知識圖譜應用。

1.2.3 知識表示 知識表示是將知識以計算機可理解的方式存儲并使用，是形成相應知識庫的前提[1]。本研究采用有向標記圖中的屬性圖 （property graph）表示，圖譜中節點表示實體（或概念），邊表示實體間的各種語義關系[3]。通過資源描述框架（resource description framework，RDF）中“主語-謂語-賓語”三元組結構來描述語義關系，有利于實現數據的共享、語義互操作[4]。將實例及其關系通過三元組結構的形式表達，可以形成基于RDF的結構化數據，作為知識圖譜的構建基礎。

1.2.4 數據存儲與可視化 本研究采用較為通用的Neo4j圖形數據庫來構建消渴病經方知識圖譜，Neo4j是一種高性能的圖形數據庫，以直觀簡明的圖形結構形式存儲數據。Neo4j圖數據庫包括節點和關系兩種基本數據類型，每個節點表示一個實體，該節點可以有零或多個關系、屬性；關系是指兩個節點之間的關系，用戶可自定義設計關系類型[5]。

研究資料經過上述處理后在Excel平臺形成結構化數據。見表2。三元組結構包括“頭節點-關系-尾節點”，“節點概念”表示該節點的概念術語類別，“標準癥候詞”指的是該三元組出現的癥狀詞對應的領域標準術語，“關系標簽”通常在方劑包含具體劑量藥物時，作為關系屬性添加。將這些結構化數據用Cypher語言導入到Neo4j平臺，可形成相應的知識圖譜。見圖2。

圖2 消渴病經方知識圖譜（部分）Fig.2 Knowledge graph of classical prescription diabetes disease(part)

表2 Excel的結構化數據舉例Tab.2 Excel structured data examples

1.2.5 知識檢索與發現 完成數據可視化后，可通過Neo4j自帶的Cypher語言進行知識查詢，這是一個描述性的圖形查詢語言，不需要編寫圖形結構的遍歷代碼就可以進行高效率的遍歷查詢?；镜牟僮饔袑濣c和關系的創建 （create）、檢 索（retrieve）、更新（update）、刪除（delete）等，組合在一起即CRUD操作[6]。而知識發現需要更復雜的查詢方式，去挖掘一些隱藏關聯和內容。從經方理論體系的角度，主要可分為理、法、方、藥四個方向。

1.2.5.1 辨證 理即辨證，是指導立法處方遣藥的理論方向，主要應用于當消渴病出現某種癥狀時，查詢其對應的病機。例如當查詢消渴病出現小便頻數時對應的病機，可用Cypher語言 “match p=（a: 病名{title:＇消渴＇}）-[r1:癥狀是]-（b:癥狀 {標準癥候詞:＇小便頻數＇}）-[r2: 病機是]-（c: 病機）return p”進行查詢，得到該條件下可能出現的病機。

1.2.5.2 立法 主要應用于當消渴病出現某種癥狀或病機時，查詢其推薦的治法，但在本圖譜中未能查詢到治法方面的發現性結果。

1.2.5.3 處方 主要應用于當消渴病出現某種病機或癥狀時，查詢推薦處方。例如查詢以消渴病或消渴癥狀為前提，判斷某患者存在腎氣不足的病機條件時推薦的方劑，可用“match p=（a:癥狀{title:＇消渴＇}）-[r1:治療]-（b:方劑）-[r2:治療]-（c:病機{title:" 腎氣不足"}）-[r3: 治療]-（d: 方劑）-[r4:治療]-（e:病名{title:＇消渴＇}）return p”進行路徑查詢，得到符合條件的方劑節點。

1.2.5.4 遣藥 主要用于當消渴病出現某種癥狀或病機時，查詢推薦的藥物；或查詢治療消渴病的同時，還可以達到某種功效的藥物。如上文所述，查詢到腎氣不足的病機條件下推薦治療消渴的方劑后，可通過展示與查詢出的方劑節點直接相連的其余節點，來查看不同方劑的遣藥，即直觀展示不同方劑包含藥物的異同，以供用藥參考分析。

2 結果

將結構化數據導入到Neo4j后可得到消渴病經方知識圖譜，共包含1 432個節點及3 067個關系，圖2是以病名“消渴”為中心節點的部分圖譜展示。節點之間的邊顯示它們之間的關系，在一定程度上模擬了經方領域的知識體系框架，也符合臨床診療的思維方式。從上述內容可知，通過Cypher語言可根據需要實現多種描述性查詢功能。例如消渴病見小便頻數的病機查詢結果，包含 “下焦虛熱”“上虛不能制下”和“氣盛”三個病機。見圖3。病機為腎氣不足條件下治療消渴的方劑推薦結果，分別有“消渴增損腎瀝湯（原文為增損腎瀝湯，與同名方劑進行區分，下同）”“小品增損腎瀝湯”和“補腎湯”。見圖4。上述三個方劑的共有藥物為五味子和生姜。見圖5。

圖3 病機查詢結果Fig.3 Query results on pathogenesis

圖4 處方查詢結果Fig.4 Query results on prescription

圖5 遣藥查詢結果Fig.5 Query results on medicinal herbs

3 討論

經方是以六經辨證理論治病的醫藥學體系[7]，其中有不少關于消渴論治的內容流傳至今，但由于年代久遠，難免有部分文獻內容殘缺，如《金匱要略》的消渴病篇便有諸多內容散佚。然而經方作為經歷了漫長考驗的成熟理論體系，其內容可通過其后的多本典籍補全印證，故本研究基于知識圖譜的方式，對多本經方典籍中有關消渴病的內容進行結構化表達，以求通過可視化方式展示經方理論體系下消渴病的辨治規律。

由圖4的查詢結果可知，消渴病以小便頻數為主癥時，其病機與“下焦虛熱”“上虛不能制下”以及“氣盛”相關。其中，“上虛不能制下”原見于肺痿，指中上焦虛寒導致的小便頻數，當肺痿虛熱轉實則屬消渴病，故《金匱要略·肺痿》篇曰：“肺痿……甘草干姜湯以溫之。若服湯已渴者，屬消渴?！薄皻馐ⅰ币娪凇督饏T要略》“趺陽脈浮而數……氣盛則溲數”，指中焦里熱迫津外泄；“下焦虛熱”見于《諸病源候論》“夫消渴者，渴不止，小便多是也。由少服五石諸丸散，積經年歲，石勢結于腎中，使人下焦虛熱”[8]，指下焦津虧燥熱、津液不固導致的小便頻數。這反映了經方辨治消渴病的三焦辨治思路，如《外臺秘要方》引《古今錄驗》謂：“消渴病有三，一渴而飲水多，小便數，無脂，似麩片甜者，皆是消渴病也；二吃食多，不甚渴，小便少，似有油而數者，此是消中病也；三渴飲水不能多，但腿腫腳先瘦小，陰痿弱，數小便者，此是腎消病也?！盵9]357開啟了后世“三消”理論之先河。

由圖5的查詢結果可知，在腎氣不足的病機下推薦治療消渴的方劑有小品增損腎瀝湯、補腎湯及消渴增損腎瀝湯。其中，小品增損腎瀝湯與消渴增損腎瀝湯較為相似，前者出自 《外臺秘要方·卷十七》：“《小品》增損腎瀝湯，療腎氣不足，消渴引飲，小便過多，腰背疼痛方……”[9]582后者出自《備急千金要方·卷二十一》：“增損腎瀝湯，治腎氣不足，消渴，小便多，腰痛方……”[10]兩方主治消渴病以腎氣不足為病機者，由于下焦虧虛、精氣不固，故表現為消渴引飲、小便頻數、腰背疼痛等。補腎湯出自《千金翼方·卷十五》：“補腎湯，主腎氣不足，心中忙忙而悶，目視[[，心懸少氣，陽氣不足，耳聾，目前如星火，痟渴疽痔，一身悉癢，骨中疼痛小弱，拘急乏氣，難咽咽干，唾如膠色黑方……”[11]其腎氣不足主要體現在津血虧耗累及先天之精，從而導致的氣短骨弱、視覺聽覺衰退等癥。

如上文所述，立法方向的查詢并未有發現性結果。追溯原始數據可知，治法相關三元組較少，可見經方論治消渴病關于治法的相關記載不多，其診療思維更注重證候病機與方劑的直接相關性，此即所謂經方的“方證相應”?！胺阶C相應”內涵首見于《傷寒論》317條方注：“病皆與方相應者，乃服之?！敝撂拼鷮O思邈有“方證同條，比類相附”之論。方證即為以方為名之證候，是用方的指征與證據。證以人的外在表現為依據，古代的方證是通過望聞問切四診采集到的患者的外在表現，更多的是強調“人”和“證（?。钡慕M合[12]，故對治法的論述較少。

由圖5的查詢結果可知，治療消渴的三個推薦處方的共同用藥為五味子和生姜。五味子在《神農本草經》中被列為補益之上品，“主益氣……勞傷羸瘦，補不足，強陰，益男子精……”[13]，針對腎氣不足這一主要病機進行治療。生姜用之以溫中健胃，因經方理論認為，中焦胃虛日久可累及下焦，故十分注重“保胃氣、存津液”。而消渴病發展為腎氣不足，亦包含中焦胃虛的病機，先天之難補故需補中而制下，后天之化育可助先天之涵養。如《傷寒論》少陰病篇之真武湯、四逆湯等方劑皆含有生姜、干姜配伍，其中真武湯證“下焦虛有寒”用生姜溫中化飲，符合經方保胃氣的論治思想。而縱觀前三方組成，主要包含腎氣丸（生地黃、茯苓、澤瀉、丹皮、桂枝、附子）及桂枝湯（甘草、桂枝、生姜、大棗）之配伍。桂枝湯用治中風之津虛血弱、營衛不和，腎氣丸用治精氣不足、兼夾水飲，二方之合用，體現了中風耗散津血發為虛勞，血虛生熱病傳消渴的病傳規律，如《金匱要略·消渴》第2條謂：“寸口脈浮而遲，浮即為虛，遲即為勞，虛則衛氣不足，勞則營氣竭。趺陽脈浮而數，浮即為氣，數即為消谷而大堅，氣盛則溲數，溲數即堅，堅數相搏，即為消渴?！笨梢娤什〉陌l病是由于中風導致表之營衛耗損成勞，兼夾津虧里熱迫津下泄共同導致的。

知識圖譜是中醫藥人工智能研究的重要基礎，對于中醫藥智能問診、臨床輔助決策及疾病風險預測研究具有重要意義，例如從疾病篩查和診斷角度，可結合醫學領域多學科數據構建交叉醫學知識圖譜。糖尿病屬中醫消渴范疇，其并發癥涉及消渴病傳規律，對此前人也總結了經方治療規律，例如黃芪桂枝五物湯治療陽氣虛損、瘀血痹阻型糖尿病周圍血管神經病變、小建中湯治療中焦陰陽不足型糖尿病合并低血糖等，構成了較為完備的診療體系[14]。在此基礎上構建人工智能問診或輔助診斷及預測系統，可幫助識別出潛在的消渴病及并發癥高風險人群，也有利于提升醫生的診療能力與效率。

本研究的創新性在于以消渴病為中心、從多個維度全面挖掘經方理論體系下的辨證論治體系。研究內容雖是從古籍中篩選的分散知識，但利用知識圖譜技術可對其進行連接與可視化表達，并通過Cypher語言進行描述性查詢，實現消渴病的知識發現。而本研究的不足之處在于因現今自然語言處理技術的局限性，中文古籍相關的知識抽取工作需要耗費大量人力，圖譜構建效率較低。對于如何更高效地構建基于古籍的中醫藥知識圖譜，以及如何更有效地利用知識圖譜進行中醫智能診療的研究，還有待進一步探討。