实现人工智能辅助医疗翻译:促进医疗国际化
作者:禅与计算机程序设计艺术
1.简介
随着人类对世界的了解越来越多、科技水平的飞速提升、全球化进程加快等因素的影响,人类的生活也越来越成为一个国际化过程。医疗保健事业也逐渐走向国际化进程,并形成了一个多元化的社会,涵盖了广泛的人群,包括国家之间的医疗保健合作,不同语言之间的病例交流,海外的医疗保健服务机构、医生等等。 虽然现代医疗保健技术可以有效降低患者身体损伤、延缓死亡,但其经济价值仍然难以忽视。一项研究表明,在医疗保健信息系统不畅通、流程滞后、准确率差距扩大的情况下,医疗资源利用效率较低且价格昂贵。 为了解决这个问题,需要构建一个能够集中管理和有效利用全球医疗信息的生物医疗信息系统(Biomedical Information System)。医疗信息系统应具备如下功能:
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数据汇总 -从各个国家的医疗机构收集医疗数据,并将其整合为统一的数据格式;
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文本翻译 -把医疗数据中的医学术语及术语翻译成普通人容易理解的形式,并将其翻译后的文本导入医疗数据库;
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知识抽取 -自动从医疗文本中提取知识并存储到知识库中;
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问答机制 -为患者提供快速而准确的医疗咨询和建议,支持远程医疗服务;
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临床路径规划 -为患者设计最适合自身病情或其它特殊需求的医疗方案,并通过远程视频会诊的方式进行实时配合;
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健康管理 -通过综合评估及治疗,帮助患者及时获得良好的医疗生活方式。
 
目前,国内已有多个民族国家相继率先建立起医疗信息系统,但是这些系统都存在以下短板:
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数据缺乏规范化和可比性 -系统采用各自内部数据格式导致数据分析困难、存储数据重复率高;
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知识和术语库不足 -大量不同语言及文化背景的医疗人员和医生不断涌入医疗信息系统,而相关知识和术语库却很少;
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基础设施建设成本高 -随着医疗机构数量的增加,医疗信息系统所需的基础设施建设也变得愈发复杂;
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技术发展落后 -由于信息技术能力的不断提升,医疗信息系统的功能迭代速度显著下降。
 
因此,为了更好地实现医疗国际化,建立起全面、结构化的医疗信息系统具有重要意义。
本文将分享我国医疗信息系统技术的一些创新,主要包括:
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数据共享模型 -基于区块链技术构建分布式医疗记录,将各个机构和个人的医疗数据进行加密保存;
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知识图谱构建 -结合大量的医学文献和学术论文,利用现有的知识图谱构建工具构建知识图谱,提供从医疗术语到术语解释、实体关系等多维信息;
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语料整理与标注 -借鉴机器学习技术,利用电子病历数据库、新闻报道及其他多媒体资料等开放资源进行训练,对公共数据的分析和标注,以生成有意义的医疗文本数据;
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医疗路径规划算法 -结合医学路径学、智能计算、优化算法等领域的最新技术,研制出一种基于医疗路径图的智能路径规划算法,为患者提供精准的医疗服务;
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语音助手与医生直播 -利用微信、支付宝等主流商业应用平台的语音API,开发出语音助手应用,用户可以通过语音对话的方式查询医疗记录、就诊,及进行远程治疗;
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AI药物发现与推荐系统 -通过生物信息学、机器学习等技术,探索基于医学知识的药物发现与推荐系统,为患者提供高效和智能的药物治疗建议。
 
2.基本概念术语说明
2.1 数据共享模型
数据共享模型 是指医疗信息系统架构设计中采用的一种数据共享模式。该模式分为联邦模型 和 去中心化模型 。
(1)联邦模型
联邦模型 是指由多个国家或组织共同拥有的医疗信息共享模型。联邦模型中的各个国家或组织通过建立自己的医疗信息系统来收集、存储、处理和使用医疗数据。联邦模型使得每个国家或组织的专业人员都可以使用相同的医疗数据集来做出决策,同时也使得医疗机构之间可以相互协作。联邦模型中的各个国家或组织还可以与其他国家或组织共享信息,促进全球医疗服务的发展。

联邦模型的优点是:
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方便统一管理数据,解决数据的可用性和可靠性问题;
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提供数据共享服务,促进信息共享,降低成本;
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可以使各个成员享受到共享数据带来的便利,如快速响应客户请求,减少重复劳动,提升竞争力;
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能够充分利用各方面的资源,提高效率和生产力。
 
联邦模型的缺点是:
- 
由于各方数据质量参差不齐,可能导致数据的不一致,导致数据的准确性不高;
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需要投入大量的人力、物力、财力用于数据共享;
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单个系统的故障可能会影响整个系统,比如某个医院的信息被篡改,所有国家的数据都会受到影响。
 
(2)去中心化模型
去中心化模型 是指由多个设备相互连接组成的无中心化医疗信息共享模型。去中心化模型中的设备收集、存储、处理和使用医疗数据。每个节点只能访问自己的数据,没有任何权限和访问控制。由于每个节点都只能看到自己的数据,所以无法协调数据共享,没有办法知道某个国家或组织的数据。

去中心化模型的优点是:
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分布式数据存储可以保证数据的安全和可用性;
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没有任何中心服务器,保证了数据私密性;
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由于每个节点只掌握自己的数据,所以不会出现数据孤岛的问题,所以在数据共享上比联邦模型更加敏感。
 
去中心化模型的缺点是:
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数据依赖于网络,会存在数据延迟和网络拥塞问题;
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由于没有中心服务器,所以无法进行数据的整合、共享、管理,无法统一管理数据;
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如果一个节点发生故障,那么整个系统的所有节点都可能受到影响。
 
3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学公式讲解
3.1 数据共享模型
基于区块链技术构建分布式医疗记录,将各个机构和个人的医疗数据进行加密保存。在此过程中,每条记录将包含各条信息的哈希值。区块链记录除了可以防止数据篡改外,还可以实现数据可追溯、可信任、可验证等特征。
具体操作步骤如下:
- 
上传:患者或医生上传个人医疗记录,每个记录都将被加密保存在区块链上,同时,每条记录会有一个哈希值作为其唯一标识。
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记录查找:如果有人想查找自己的个人医疗记录,就可以查询对应患者或医生的哈希值,然后搜索相应的区块链记录即可获得完整的医疗记录。
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数据共享:由于各个机构或个人的病历数据都是保存在区块链上的,因此,系统中的任意两个机构都可以相互访问和共享病历数据,即使某些数据被篡改,也没有人有权力改变全部数据的真实性。
 
3.2 知识图谱构建
结合大量的医学文献和学术论文,利用现有的知识图谱构建工具构建知识图谱,提供从医疗术语到术语解释、实体关系等多维信息。具体操作步骤如下:
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数据爬取:利用数据爬虫工具,可以抓取医学期刊和论文,下载论文中的相关文本,构建实体关系图谱。
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实体识别:利用命名实体识别算法,识别实体,并生成对应的知识库。
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实体链接:利用知识库,将实体连接到另一个知识库,得到更多的实体关系信息。
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数据清洗:利用统计方法,筛选出有用的实体关系信息,构建最终的知识图谱。
 
3.3 语料整理与标注
借鉴机器学习技术,利用电子病历数据库、新闻报道及其他多媒体资料等开放资源进行训练,对公共数据的分析和标注,以生成有意义的医疗文本数据。具体操作步骤如下:
- 
数据清洗:利用文本清洗工具,清洗原始文本,删除无用字符、停用词、歧义词等。
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数据聚类:利用文本聚类算法,根据文本相似度,对原始文本进行聚类,得到主题文档。
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数据标签:利用医学领域的相关词典、标准,对聚类结果进行标记,得到医学领域的文本语料库。
 
3.4 医疗路径规划算法
结合医学路径学、智能计算、优化算法等领域的最新技术,研制出一种基于医疗路径图的智能路径规划算法,为患者提供精准的医疗服务。具体操作步骤如下:
- 
生成路径图:基于医学知识和患者症状,由医生编写医疗路径图。
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对称性分析:对路径图进行对称性分析,找出特异性最强的部位。
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路径规划:利用数学优化算法,求解不同目标函数下的最佳路径。
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路径反馈:根据病人的实际情况,通过路径规划算法反馈病人的变化。
 
3.5 语音助手与医生直播
利用微信、支付宝等主流商业应用平台的语音API,开发出语音助手应用,用户可以通过语音对话的方式查询医疗记录、就诊,及进行远程治疗。具体操作步骤如下:
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用户注册:用户注册账号后,通过麦克风输入自己的指令,手机端助手发送给医生。
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查询指令:医生收到指令后,解析出指令内容并返回对应消息。
 - 
查询记录:如果用户想查询自己的个人医疗记录,则可以在手机端助手上通过语音输入关键字查询,助手将返回相关医疗记录。
 - 
远程治疗:医生接受到来自患者的远程治疗请求后,通过手机端助手进行视频会诊,将患者与医生远程会诊。
 
3.6 AI药物发现与推荐系统
通过生物信息学、机器学习等技术,探索基于医学知识的药物发现与推荐系统,为患者提供高效和智能的药物治疗建议。具体操作步骤如下:
- 
药物检索:对大量的药物数据进行预处理,整理成标准化的药品描述语言。
 - 
药物相似度计算:利用向量空间模型计算药品的相似度,判断哪种药品是相近的。
 - 
个性化推荐:利用用户的偏好设置、病症因素、历史记录等信息,推荐适合用户使用的药品。
 
4.具体代码实例和解释说明
4.1 数据共享模型示例代码
    from hashlib import sha256
    
    class Block:
    def __init__(self, index, timestamp, data, previous_hash):
        self.index = index
        self.timestamp = timestamp
        self.data = data
        self.previous_hash = previous_hash
        self.hash = self._calc_hash()
    
    def _calc_hash(self):
        block_str = str(self.index) + str(self.timestamp) + str(self.data) + str(self.previous_hash)
        return sha256(block_str.encode()).hexdigest()
    
    class MedicalRecord:
    def __init__(self):
        self.chain = [Block(0, datetime.datetime.now(), "Genesis Block", "0")]
    
    def add_record(self, record):
        new_block = Block(len(self.chain), datetime.datetime.now(), record, self.last_block().hash)
        self.chain.append(new_block)
    
    def last_block(self):
        return self.chain[-1]
    
    def get_block(self, hash):
        for block in self.chain:
            if block.hash == hash:
                return block
    
        return None
    
    @property
    def size(self):
        return len(self.chain)
    
    mr = MedicalRecord()
    print("Before adding records:", mr.size)
    mr.add_record("Patient's personal medical history") # or patient ID could be used as the key to access their records 
    mr.add_record("Doctor's prescription list")
    mr.add_record("Diagnostic images of patient's illness and symptoms")
    print("After adding records:", mr.size)
    
    # Lookup a record based on its SHA256 value (which is unique per record)
    lookup_key = "..." # assume this is retrieved from the user
    found_block = mr.get_block(sha256(lookup_key.encode()).hexdigest())
    if found_block:
    print("Found record at index {} with data {}".format(found_block.index, found_block.data))
    else:
    print("No matching record was found.")
        4.2 知识图谱构建示例代码
    import spacy
    
    nlp = spacy.load('en_core_web_sm')
    
    def extract_entities(text):
    doc = nlp(text)
    entities = []
    for ent in doc.ents:
        entity_dict = {
            'entity': ent.text, 
            'label': ent.label_,
           'start': ent.start_char,
            'end': ent.end_char}
        entities.append(entity_dict)
    
    return entities
    
    text = """"In contrast to other nuclear power plants, American Thor conveys heat and electricity directly to consumers, making it the cleanest and most environmentally responsible energy source available today." -Wikipedia"""
    extracted_entities = extract_entities(text)
    for e in extracted_entities:
    print(e)
        4.3 语料整理与标注示例代码
    import re
    from sklearn.cluster import KMeans
    
    def tokenize(doc):
    doc = re.sub(r'\(|\)|\:|\-|\;|"|\/|\.|,|\?|\!|\'|\`', '', doc)   # remove special characters
    tokens = doc.lower().split()                                # convert to lowercase and split into words
    return tokens
    
    def cluster(docs):
    tokenized_docs = [tokenize(doc) for doc in docs]              # tokenize each document
    kmeans = KMeans(n_clusters=num_clusters).fit(tokenized_docs)    # perform clustering using K-Means algorithm
    centroids = kmeans.cluster_centers_.tolist()                 # retrieve clusters' centroids
    labels = kmeans.labels_.tolist()                              # retrieve documents' cluster labels
    topic_docs = defaultdict(list)                                 # create dictionary to store topics and corresponding documents
    for i in range(num_clusters):                                 
        topic_words = set([word for word in centroids[i]])          # select only those words that are part of the current topic
        for j in range(len(docs)):                                  
            if labels[j] == i:                                     
                topic_docs[i].append((j, [word for word in tokenized_docs[j] if word in topic_words]))
    
    return dict(topic_docs)                                         # convert dictionary back to regular format 
    
    num_clusters = 3                                                  # number of clusters to generate
    corpus = ["This is an example document.", 
         "Another sample document about coronavirus.",
         "A third document discussing policies related to social distancing."]
    
    topic_docs = cluster(corpus)                                       # generate topics and assign documents accordingly
    for t, d in topic_docs.items():
    print("Topic {}:".format(t+1))
    for doc in d:
        print("- Document {} contains keywords: ".format(doc[0]+1)+ ",".join(doc[1]))
        4.4 医疗路径规划算法示例代码
    import networkx as nx
    
    def build_path_graph(symptom_to_condition_map):
    G = nx.DiGraph()
    root = 0
    for condition, symptoms in symptom_to_condition_map.items():
        node = max(G.nodes) + 1
        G.add_node(node, label=condition)
        parent_node = root
        for s in symptoms:
            child_node = min(G.nodes) - 1
            G.add_edge(parent_node, child_node, weight=1, label="has symptom")
            G.add_node(child_node, label=s)
            parent_node = child_node
    
    return G
    
    def calculate_path(G, target_symptom):
    nodes = [(node, attr['weight']) for node, attr in G.degree()]
    symptom_node = next(node for node, degree in nodes if attr['label'] == target_symptom)
    
    path = nx.shortest_path(G, source=root, target=symptom_node, weight='weight')
    weighted_edges = [(u, v, attr['weight'], attr['label']) for u, v, attr in G.edges(data=True)]
    total_cost = sum([w for u, v, w, l in weighted_edges])
    
    return {'path': path, 'total_cost': total_cost}
    
    # Example usage
    symptom_to_condition_map = {"Fever": ["Cough"],
                            "Headache": ["Sore throat"]}
    G = build_path_graph(symptom_to_condition_map)
    result = calculate_path(G, "Headache")
    print("Path:", result['path'])
    print("Total cost:", result['total_cost'])
        4.5 语音助手与医生直播示例代码
    import os
    import time
    from wechatpy import parse_message
    from wechatpy.client.api import WeChatClient
    from wechatpy.crypto import WeChatCrypto
    
    def handle_message(msg):
    try:
        text = msg.content.strip().lower()
        if text == 'help me':
            client.send_text(msg.source, "What can I do for you?")
        elif text == 'check my records':
            results = check_records(msg.source)
            client.send_text(msg.source, results)
        else:
            client.send_text(msg.source, "Sorry, I don't understand your request.")
    except Exception as e:
        print("Error handling message:", e)
    
    def check_records(user_id):
    pass  # code to query database and return results
    
    # Set up encryption parameters
    encoding_aes_key = os.environ["WECHATPY_ENCODING_AES_KEY"]
    token = os.environ["WECHATPY_TOKEN"]
    app_id = os.environ["WECHATPY_APPID"]
    
    # Create crypto object
    crypto = WeChatCrypto(token, encoding_aes_key, app_id)
    
    # Initialize client with credentials
    client = WeChatClient("YOUR_WECHAT_ACCOUNT_OPENID", "YOUR_WECHAT_ACCOUNT_SECRET")
    
    # Start listening to messages
    while True:
    time.sleep(1)
    try:
        message = client.fetch_messages()
        if not message:
            continue
    
        encrypt_xml = message.encrypt_xml
        plaintext, nonce, msg_signature = crypto.decrypt_message(encrypt_xml)
        xml_obj = parse_message(plaintext)
        handle_message(xml_obj)
    except Exception as e:
        print("Error while fetching message:", e)
        