儿童运动技能障碍诊断专家系统模型的设计

儿童运动技能障碍诊断专家系统模型的设计目次摘要引言简单地说,儿童运动技能障碍诊断问题就是通过儿童外部的症状表现来确定其所属运动技能障碍类型的问题，这一诊断工作目前还只是由该领域的专家来完成。诊断问题的广泛存在,就需要更多的诊断专家。然而,在许多领域,真正经验丰富、精通各种诊断系统的专家并不常见，这样，就很难满足实际生活的需要。在这种情况下,把诊断专家所掌握的知识，以及多年积累的经验，整合到一起,并把其抽象出来概念化、规则化、程序化，建立具有人工智能的诊断专家系统,就显得意义重大。研究诊断问题专家系统的构建方法和研究设计诊断专家系统中的诊断推理模式、模型也就自然显得很有意义。本文就是以此为研究目标,并重点研究儿童运动技能障碍诊断治疗专家系统中的诊断推理模型的设计和构建，试图设计出一种具体的结构模型。1儿童运动技能障碍选题的意义及研究现状1.1儿童运动技能障碍选题的意义障碍诊断广泛存在于生活中，如机械诊断、系统故障分析等，这些都属于诊断问题。在临床工作中，如何诊断和治疗运动技能障碍已成为一个重要的研究课题。对运动技能障碍的诊断问题的研究，到目前为止仍然没有形成较完善的方法和理论体系。但是由于人类的不断努力，和人类对儿童运动技能障碍的极大关注，致使人们不停对这个领域进行学习和研究，为患有运动技能障碍的儿童提供更多的帮助，使他们能和正常的人一样过快乐的学习生活。不过目前我国还没有专门的儿童运动技能障碍诊断系统，在这种情况下,建立具有专家水平的诊断专家系统,就显得尤为关键，研究诊断推理模式、模型也就自然显得很有意义。1.2儿童运动技能障碍及其分类1.2.1儿童运动技能障碍概念定义“运动技能障碍又称发育性运动协调障碍，曾称为“笨拙儿童综合症”，它是一种特殊发育障碍，其主要特征是运动在协调性方面的明显损害，采用标准化运动技能测验评定其技能低于其年龄期望值达2个标准差以上；大量研究表明，运动技能障碍的儿童常表现为多种障碍并存，即DAMP综合征。”麦坚凝.儿童运动技能障碍[J].中国实用儿科杂志2004.(12)(760-762)麦坚凝.儿童运动技能障碍[J].中国实用儿科杂志2004.(12)(760-762)1.2.2儿童运动技能障碍的分类(1)动作笨拙型(clumsiness)：动作笨拙的儿童，对于一些较为复杂的连贯性又较强的动作很难完成；做事瞻前顾后；此外，动作笨拙的儿童，运动时动作幅度一般相对较大，总是显得笨手笨脚。动作笨拙的儿童常伴有多动症，很难让其长时间静止，在做一些幅度相对较大，很难保持自身的平衡。另外，动作笨拙的儿童，一般手眼协调能力也较差，如在学驾驶时，很难一边目视前方，一边进行正确的驾驶操作。除此之外，还有很多其他表现：容易打翻东西；体育课表现差，如做老师指定的动作时有困难；走路不稳，经常跌倒或磕磕碰碰；立体平衡感差，无法倒着上楼梯；不能在支点较宽的平衡板上站立，目视前方从1数到10；平行平衡感差，无法倒着行走；手工活做不好，动手能力差；手中的东西常滑落；字体结构不匀称，常写出界；完成抄写任务比其他学生花费更长的时间。(2)偶然动作型(adventitiousmovement)：指患者在进行一个动作时常伴有一些其他不经意的动作，我们称这些伴随发生的动作为联带动作；除此之外，偶然动作患儿，也表现为身体不由自主的震颤、肌肉抽搐、舞蹈动作等，如有些男生走路姿势很像女生，正常行走时，常伴有一些舞蹈动作，这些就属于运动技能障碍里的偶然动作。在这些偶然动作中，联带动作最为常见，例如：和别人说话时，总是不停地眨眼；和别人交谈时，总是不自觉地撇嘴；动作过多，不停从一个动作转向另一个动作；书写时过多涂改；在画图、填色时常出界。(3)运用障碍型(dyspraxia)在日常生活中，可以完成一些较为简易的动作，但是不能完成几个连续性的复杂动作。具体表现有：不能把积木一块块地往上搭。(4)特殊技能运用障碍(material-specificdyspraxia)：在一些技巧方面，例如绘画、书写等，特殊技能运用障碍患儿往往伴有运动性技巧障碍和物理模型建构障碍。例如：写字总是倒着写，速度也比正常人慢很多；只能平面作图，不能立体建模。(5)神经软体征(neurologicsoftsigns)：神经系统软体征在生物学中是一种异源现象，一般出现在幼儿时期，幼儿达到一定年龄段，就会自然消失不见。如果幼儿超过一定年龄（一般为9～10岁）仍出现此异源现象，就不正常了，这时就该去医院做相关的医学检测，提早检测，提早治疗。1.3儿童运动技能障碍诊断推理模型的研究现状及对现行诊断方法的评析1.3.1儿童运动技能障碍诊断推理模型的研究现状到目前为止，诊断推理模型的运用主要用在故障诊断领域，而且主要是在机械故障、车辆故障，建筑领域和医学等相关领域。而在运动技能障碍的诊断领域，目前还没有引入诊断推理模型的相关概念。目前，国外统计的发病率显示在学龄期的儿童大约占患者总数的1.6～6%，患者之中男性多于女性，约2.3:1，由于国内互联网产业发展相对较晚，对儿童运动技能障碍诊断的研究相对于发达国家还较落后，到目前为止，我国还没有完善的儿童运动技能障碍的诊断量表，统计数据也很有限，有关儿童运动技能障碍的发病率报道也千差万别。因此，早期对婴幼儿做到细心观察就显得尤为重要。小儿临床心理医师也应重视婴幼儿的运动功能异常问题，这样有助于父母提前做好儿童运动技能障碍的预防和干预。虽然我国对儿童运动技能障碍诊断问题的研究，还不是太深入，到目前为止还没有形成较完善的研究方法和理论体系。但是由于我们的不断努力，和社会对儿童运动技能障碍的极大关注，以及社会对研究者的大力支持，使得各领域的专家不停地再对这个领域进行学习和研究。在国际上，人类对运动技能障碍的诊断主要由该领域的领域专家进行，通过领域专家的诊断，可以确认儿童是否患有运动技能障碍以及所属运动技能障碍的类型。1.3.2对现行诊断方法的评析长期以来，对运动技能障碍的诊断主要是由相关领域的专家来完成。这些专家大都是来自于教育学、心理学以及医学领域比较有名望的专家。从某种方面来说，这虽然解决了不少生活中的实际问题，也帮助了不少运动技能患儿摆脱了多年的困扰，走出疾病的阴影，重新踏上人生的康庄大道，但这并不能排除运动技能障碍的诊断过程中所存在的一些人为的或非人为的影响因素。从主观方面来说，由于所使用的诊断方法主要由该领域的专家来完成，也就说在整个诊断过程中，操作者都是人，从诊断到分析评价并最终诊断得出结果都离不开人，因此人的人生观、世界观、价值观以及个人处事时的态度、情感等都有可能给诊断添加不少的人为因素，这就会影响到我们诊断结果的准确性，从而给诊断带来不利影响。从客观方面来说，一、由于运动技能障碍的诊断主要是由该领域的专家来完成。可是，众所周知，无论是哪一领域的专家，他们的数量都是有限的，不可能满足社会的需求，而且领域专家本身也是有差别的，不可能一个人来完成诊断过程，那样诊断效果肯定不佳。即使每个诊断专家都一样，也不可能把一个专家指派到每一个需要他的地方给运动技能障碍患儿治疗，因为这样不现实。这就会出现一个诊断领域专家紧缺的问题。二、大家都知道，在我们的整个诊断过程中，主要是通过观察受试者的表现，以及对受试者进行答问结合的方式对受试者进行分析，最终判断其是否患有运动技能障碍。这些需要我们查阅大量的参考文献，了解儿童运动技能障碍患者的具体表现；除此之外，我们还要对运动技能障碍患儿发问卷，通过问卷调查了解更多运动技能障碍患儿的具体表现和治疗方法；最后，我们还要定期去患儿家中做访谈，了解患儿的恢复情况。这样就需要大量的人力、物力和财力，不仅会造成浪费现象的发生，而且效率低下。三、由于问卷调查很难达到我们预期的效果。在调查过程中，我们发的问卷，都是比较生硬的、死板的，所以在测试中，很多受试者就会对填问卷产生厌烦的心态，有的甚至直接把问卷撕了扔掉，这些主要是因为我们和那些填问卷的人之间缺少一个互动的平台，这不只是儿童运动技能障碍问卷调查所面临的问题，也是所有问卷调查所犯的通病。在实际生活中，我们发的问卷发的多收回来的就会少很多，而且回收回来的那部分问卷大多又都是为了应付随意勾填的，很少有人会认认真真地看完填完，这些就会对我们的统计结果造成很大的影响。所以我们知道了问题所在，就应该尽量解决，从而避免对后期的诊断造成一些不必要的影响。2将诊断专家系统用于儿童运动技能障碍诊断2.1人工智能及专家系统概述2.1.1人工智能定义人工智能（artificialintelligence）是研究理解和模拟人类智能、智能行为及其规律的一门学科。其主要任务是建立智能信息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统。“人工智能有几次大的飞跃，第一次是智能系统替代人类可以完成部分逻辑推理，如机械定理证明和专家系统；第二次是智能系统能够和环境交互。”《人工智能》贲可荣、张彦铎.编著.陈志刚主审.清华大学出版社（1-3）2.1.2专家系统概述专家系统(ExpertSystem)实际上就相当于计算机软件系统，只是这个系统是智能的，不需要专家本人参与。它使用了人类某些特定领域的专家知识，并将这些知识通过计算机可以识别的语言嵌入到计算机内部；计算机会把这些知识存储起来，并虚拟一个交流的平台。计算机就可以利用这个平台，通过设定的用户界面和用户进行信息交流，简单说来，专家系统就是通过模拟特定领域的专家所掌握的知识推理并解决该领域所存在的问题的一个计算机系统，其核心就是知识和推理，因此人们常把专家系统描述为：专家系统=知识+推理。（1）、数据库（DateBase）数据库就相当于一个计算机的存储器，存储的都是客观事实，各领域专家所掌握的知识就存放在知识库里。（2）、知识库（KnowledgeBase）知识库也相当于一个计算机的存储器，只是里面存储的是用户所要涉及的问题，并不一定是既成事实。（3）、推理机（InferenceMachine）用于选择控制和确定系统所使用的规则。2.2诊断专家系统2.2.1诊断专家系统概述诊断专家系统是一种大型的计算机程序，它集合了多位专家在诊断方面的经验知识和推理等，它可以解决的复杂问题是只能用语言描述和思维推理。通过利用计算机系统，可以拓展原有的工作范围，虚拟出一个人机交互的平台，从而对用户作出相应的判断。长期以来，专家系统一直被广泛应用于诊断领域，如机械诊断、医疗诊断等大都采用了专家系统。为了使各类诊断更好地服务人类，并提高诊断的效率和诊断结果的可靠性，人类就把专家系统与诊断二者结合到一起，这对提高诊断的效率和准确度有很大的帮助。诊断专家系统有很多种类，由于我所设计的诊断模型，主要采用了基于规则的专家系统，所以这里，我将对基于规则的专家系统做一下简单的介绍。基于规则的专家系统是以产生式系统为基础，技术相对比较成熟，可用的工具也很多。基于规则的专家系统已经成功的应用到了许多领域，并在应用中不断地得到发展。2.2.2为什么要把诊断专家系统用于儿童运动技能障碍诊断（1）儿童运动技能障碍诊断领域需要专家系统研究表明大约有近10%的儿童存在不同程度的运动技能障碍，并表现出不同的类型。在实际生活中，只有通过专家诊断，才能判断儿童是否患有运动技能障碍以及患有何种类型的运动技能障碍。然而，目前儿童运动技能障碍诊断方面的专家所具备的知识水平参差不齐。专家系统的开发将会解决儿童运动技能障碍得诊断问题。除此之外，儿童运动技能障碍患者的治疗需要人类对儿童运动技能障碍诊断专家系统不断进行研究。（2）儿童运动技能障碍诊断问题适用于专家系统来解决专家在对儿童进行运动技能障碍的诊断时，一般是会先对其进行观察，看其是否具有儿童运动技能障碍的一些临床表现，并对其进行一些测验。如果此时可以判断被试者是某种运动技能障碍，那么就可以直接诊断出被试者所患运动技能障碍类型。实际上，这一过程就是利用专家头脑中所掌握的有关儿童运动技能的外部特征与表现等相关的知识。因此，从理论上来讲，将专家系统用于儿童运动技能障碍的诊断是切实可行的。（3）现有的专家系统开发技术可以实现随着科技的发展，专家系统不断地被应用到实际生活中，并在实践中不断得到发展，而且已经克服了很多以前遇到的技术上的问题。另外，医学上也有很多在儿童运动技能障碍诊断方面有经验的医学工作者；教育上，对儿童运动技能障碍诊断的基础理论知识和实践知识也有了较为系统的研究，这些使得儿童运动技能专家系统的成功开发成为可能。将专家系统运用到儿童运动技能障碍的诊断，不仅大大提高了儿童运动技能障碍诊断的效率，也有利于诊断方法的改进和完善，为运动技能障碍的后期治疗提供依据。最重要的是它能使运动技能障碍治疗领域的医学工作者能够更好的了解、掌握、分析运动技能障碍的症状，发现更好的治疗办法。3儿童运动技能障碍诊断专家系统规则的匹配3.1匹配的定义匹配就是将知识库中的信息与计算机数据库里存储的信息进行比较，将其中相似或相近的信息提取出来，并与诊断系统进行深层次的交流的过程。3.2匹配的过程和方法儿童运动技能障碍诊断推理模型中的规则匹配是整个诊断系统推理并诊断的一个最为关键的操作，也是整个诊断系统最为复杂的操作步骤。它主要是针对上一步的“提问症状现象”用户输入的被存放在综合数据库的数据与整个诊断专家系统中规则库中的知识进行匹配。因为在整个运动技能障碍诊断的模型设计中，主要使用了人工智能所使用的正向推理法，所以在规则匹配时，系统会自动默认为正向匹配，这就是我们所说的正向匹配法。3.3推理模型整体结构剖析通过上面的介绍，我们大概了解了一些简单的规则和生产系统，接下来，为方便大家更深入的了解我的设计思路，我将对我个人所设计的运动技能障碍诊断模型的作用，做个简单的介绍。事实上，通过前面的介绍，大家也应该看出了我的设计只是在“专家系统推理机模块”，也就是说，我所设计的模型的应用和最终的诊断都取决于专家系统。从上面的介绍中，我们可以看到，分别跟知识库和数据库相连接的部分，那就是我的诊断推理模型，也就是说我所设计的诊断推理模型所要做的工作，就是数据库与知识库内容的交互过程的工作，它所担当的任务就是我设计的诊断推理模型。诊断推理模型的设计是用户输入的数据，与系统数据库中所储存的数据库中的大量数据的使用，以及使用规则。首先，如果第一步匹配成功，那么系统将自动跳到下一步继续进行匹配，如果匹配不成功，那么系统将按照指示选择重新匹配，或者结束匹配工作。。虽然像诊断模型这样的匹配并不是很少见到，但是，这却是儿童运动技能障碍的诊断和治疗专家系统中最重要部分，因此，在设计质量上，会要求很高。运动技能障碍诊断推理模型的设计看起来很简单，其实，设计起来是很复杂的。通过上面的介绍，我们对有关规则、诊断系统和基于规则的诊断专家系统有了初步的了解和认识，在这里我将通过上文所学的相关知识对我设计的运动技能障碍诊断推理模型的作用做下解释。实际上，通过对前面知识的理解，大家不难看出，我所设计的运动技能障碍诊断推理模型实际上就是专家系统中的“推理引擎”模块，也是整个诊断系统的核心和关键，同时，也是推理引擎里面的结构和反应系统。换句话讲，我们的诊断模型的应用和实现最终还是要依赖于整个专家系统的。从上面我们所介绍的基于规则的专家系统中大家不难看出，连接数据库和知识库的部分就是我们所谓的“推理引擎”，也就是说它所要做的其实是用知识库和数据库里的内容来共同作用的，这个作用的过程就是我所设计的诊断推理模型运行的过程。我设计的诊断推理模型主要就是运用用户输入数据库中的数据内容与专家系统规则库中所存储的数据，首先进行匹配，若第一步匹配成功系统就接着继续进行下面的匹配工作，若未能成功匹配就再次返回重新进行匹配工作，直到最后诊断推理出结果，告知患儿所属的运动技能障碍类型。虽然诊断系统只是进行虚拟的匹配，虚拟诊断推理。但是，它却是我们的整个“儿童运动技能障碍诊断系统”中最为关键的，最为核心的部分，它设计的好坏，将会影响到系统的诊断效率。这些看似简单的诊断推理模型，但是实际上在我们的整个推理诊断系统中却是一个非常复杂的工作系统。4儿童运动技能障碍诊断专家系统模型的设计4.1儿童运动技能障碍诊断规则库R1：IF被试者走路不稳，经常跌倒或磕磕碰碰TRUETHEN该用户在运动方面有问题 TRUER2：IF被试者容易打翻东西，弄脏或损坏衣物TRUETHEN该用户在运动方面有问题TRUER3：IF被试者写字总是倒着写，速度也比正常人慢很多TRUEAND只能平面作图，不能立体建模TRUETHEN该患儿在书写方面有问题TRUER4：IF身体不由自主的震颤、肌肉抽搐、舞蹈动作等TRUEAND正常行走时，常伴有一些舞蹈动作TRUETHEN该患儿运动时伴有偶然动作TRUER5：IF被试者不爱写字，握笔姿势很怪TRUEAND写不了几笔就喊累TRUETHEN该患儿在特殊技能运用方面有问题TRUER6：IF被试者平时好动，但运动技巧不佳TRUEAND不能完成一系列或几个连贯性的动作TRUEAND，也很难完成一些技巧性动作，特别是关于学习或运动的技巧性动作TRUETHEN该患者在技能运用方面有问题TRUER7：IF被试者动作不灵巧TRUEAND举止笨拙，总是反应迟钝TRUEAND手脚不灵活、动作难看TRUETHEN该患者动作灵活性方面有问题TRUER8：IF被试者动作技能差，总是比同龄儿童慢半拍THEN患者在运动技能方面不佳TRUER9：IR被试者不能在支点较宽的平衡板上站立，目视前方从1数到10；TRUEAND平行平衡感差，无法倒着行走TRUETHEN患儿在保持自身平衡方面有问题TRUER10：IF被试者在学驾驶时，很难一边目视前方，一边进行正确的驾驶操作TRUETHEN该患儿在动作协调方面有困难TRUE4.2模型设计的理论基础因为儿童运动技能障碍诊断推理模型的设计在国内外尚属首例，网上暂时还没有这系列的诊断模型，所以，我就从其他一些相关的诊断模型出发，研究别人的诊断模型的设计经验，综合各种诊断模型的设计理念和思想，结合领域专家对儿童进行运动技能障碍诊断的相关思想，以及诊断专家系统的运行原理和思想，人工智能的理论思想和运用原理，最终设计出一个完整的儿童运动技能障碍诊断模型。如，在儿童运动技能障碍诊断方面，我主要是把医学方面的领域专家，在医学方面所使用的诊断推理原理和思想运用到我的设计模型中，通过诊断推理各种儿童运动技能障碍所表现出的各种症状、特征（其中部分患者的表现特征和症状是通过问卷调查和访谈所搜集整理得到的）来鉴定儿童运动技能障碍的原理思想运用于我的推理模型设计的根本思想之中，整个模型的推理诊断都是基于这意思想来展开的（即，根据对相关症状特征的诊断推理来得到最终的结果）。在人工智能领域内,主要运用了理解及模拟人类智能，智能信息处理,在各种各样的环境中独立或者交互式地执行各种任务的化身思维原则。可以说,整个设计、开发和利用的推理模型,整个支持系统都是基于人工智能技术。人工智能的使用,，给我们带来了解决困难的方法,在我们的许多领域做出了巨大的贡献。诊断推理模型的设计及开发,主要是通过分析,研究人类的领域，专家诊断推理儿童运动技能障碍的思想、方法、方式及概念化和测序,抽象和提取相应的规则,以使用一个树结构的数据结构或层次结构可视化。这种想法的使用,实际上是使用间接诊断专家系统的人工智能专家系统的思想原则。诊断专家系统是人类领域的专家诊断的功能知识,经验,推理,整合成一个大型的计算机程序,它可以利用计算机系统来帮助人们解决复杂问题，扩大原来的工作范围的计算机系统。诊断专家系统适用于复杂的大型动态系统规范,知识来源。诊断专家系统的推理方法,知识表示的思想在我的诊断推理模型。4.3模型设计的技术基础计算机的飞速发展,和其在当今社会的地位及广泛使用，是我们的诊断推理设计模型的开发和使用的基础和最重要的支柱,它能支撑我们的整个系统及整个框架。人工智能专家系统的发展,为诊断提供了更多的方式方法,方便专家系统的开发工具,使用的实现设计的诊断推理模型为我们提供了保障。迄今为止,许多有用的设计和开发,一般可以用来开发混凝土专家系统的专家系统工具。它最后的使用仍然是实现基于一个完整的儿童运动技能障碍诊断专家系统。c++程序设计语言的出现为我们提供了很好的帮助,c++语言开发了基于C语言,C语言的优点,完全支持面向对象的c++语言设计;也支持传统的编程,其优点是:可以执行低级编程,程序更灵活,容易定位,简单的数据抽象,封装,使系统具有继承性和多态性,使系统易于模块化、本地化和结构是明确的;可以改善安全，提高系统的可靠性等。c++语言的力量对我们诊断系统的实现提供了有力的技术支持。数据结构知识的工具,诊断推理和计划的执行也需要大量的技术支持。一是,互联网的普及,促进现代多媒体技术的使用,我们的知识获取在设计开发和相关技术援助不了低估的力量,我们越是模型及其系统的推广使用提供了帮助。这些技术和工具都是我们在设计和开发模型过程中，都是不可取的,也是我们整个系统程序的实现力量。4.4模型设计通过整合前面做的问卷调查所收集的运动技能患儿的具体表现，以及在详细了解过人工智能、专家系统之后，再借助于相关诊断模型设计的理念，设计出了一个系统性的、较完善的儿童运动技能诊断模型，通过这个模型，我们不仅可以诊断出被试者是否患有运动技能障碍，还可以直接判断出被试者所患儿童运动技能障碍的类型。除此之外，这也避免了很多主观和客观的影响因素，因为这个模型根本不需要那么多的领域专家，被试者自己就可以独立完成，既节省资源，也节约了时间。下图是综合所收集的信息及对相关领域的研究而设计出来的用于诊断儿童运动技能障碍的推理模型。如图：用户输入个人症状用户输入个人症状NN结束Y其他选择N深度交流模式匹配和置信度计算判断YYNN判断4判断3YYYN判断2判断1NN结束Y其他选择N深度交流模式匹配和置信度计算判断YYNN判断4判断3YYYN判断2判断1图4.4（儿童运动技能障碍诊断专家系统模型的设计）4.5模型分析儿童运动技能障碍诊断专家系统模型主要有九个部分组成，可将其简单的大致分为三个部分，即入口、诊断推理系统、出口。（1）、用户输入个人症状。这里是整个系统的入口，这只是一个开始，也可以说是为后面的诊断推理做铺垫。后面的一切主要就是以此为依据来完成的。用户输入完自己的个人信息后，系统会直接把用户的信息与系统数据库里的知识进行匹配，从而确定一个较小的范围，匹配过程主要是一个筛选过程，此过程可以大大说短系统诊断的时间。（2）、深度交流。深度交流是整个诊断系统的核心部分，在这一过程中，系统会根据用户输入的症状表现以及匹配所确定的症状范围，自动对被试者进行症状提问。早在用户结束上一个操作时，系统就在初步确立的范围内对用户进行有关症状的提问，这点有点像是在做访谈，只是访谈者改成了计算机系统而已。通过系统的自动