生物医学知识整合论

1、生物医学知识整合论（The Theory of Biomedical Knowledge Integration, BMKI）(part2),包含飞 上海中医药大学 中医信息化标准化研究室 201203,物 数 学,能设计一个能捉住山坡上奔跑的野兔的可操作数学模型（或机器人）吗？,如果把野兔放在规定在一个管道中呢？,开放系统对人类理性或智能提出了极大的挑战。,经典的数学属纯意识系统或形式系统，独立于物理世界。但机体的数学与经典的数学大相径庭，为物理世界和意识世界的结合体，经典的数学原理在机体中受到形形色色的异质物理空间的轨道式或结构式制导。,生物机体则是极开放系统（假设开放性是可以度量的话），

2、在那里“自然的意志”几乎可以随心所欲。因此有人说生物学是数学的沙漠。,基本哲学观点体系(1)：,形式空间概念:所谓空间是事物的一种理性背景：它必须是某种(低阶的，高阶的，单纯的，复合的)均匀性。 物理性异质空间:生物机体是形形色色的物理性异质空间通过“硬的”即非理性物理原理整合。 超复杂性:生物医学的异质空间的整合的复杂性与一般系统理论对象的复杂性不可同日而语，依靠单纯形式化的系统研究试图得到对生物系统整合机制的理解犹如杯水车薪。,物理源性:物数学中任何形式空间都依赖于某种具体的物质基础或运动形态。 数学的存在:生物医学物数学在高紧密性，高异质性，高交互性的物理实体中寻求形形色色的(低阶的，高

3、阶的，单纯的，复合的)均匀性。,基本哲学观点体系(2)：,量子力学中发生的重大事件,玻尔理论,原子结构之父玻尔对原子结构提出了如下理论：“原子中的电子绕着某些特定的轨道以一定的频率运行，并时不时从一个轨道跃迁到另一个轨道上去。每个电子轨道都代表一个特定的能级，因此当这种跃迁发生的时候，电子就按照量子化的方式吸收或者发射能量，其大小等于两个轨道之间的能量差。”19“玻尔模型的建立有着氢原子光谱的支持。每一条光谱线都有一种特定的频率。,玻尔理论,玻尔模型的建立有着氢原子光谱的支持。每一条光谱线都有一种特定的频率。从量子公式E1-E2 = h（其中E是能量，h是普朗克常数，是频率），我们知道这是电子

4、在两个能级之间跃迁的结果。光谱中的每一条光谱线，代表了两个“能级”之间的“能量差”，并不代表能级本身。,量子力学,假设某原子的某电子有能级E1，E2，,En，那么各能级的能量是多少？假如一个电子跃迁途径为：E1E5E8，另一个跃迁途径为：E1E5E8，那么二个途径的所吸收或释放的能量是否相等？,量子力学,我们知道，第一个问题的答案必须借助物理实验，但第二个问题似乎是很简单的逻辑问题，答案应该是肯定的。,但物理学家海森堡坚持必须由实验观察和数据来回答这些问题。他后来“独立发明”了矩阵的数学概念处理这一问题(实验数据+矩阵, 可以ABBA)。其形状如下： 阵中A，B，C，aa，ab，ac,可分别表

5、示电子的能级轨道和跃迁所吸收或释放的能量。,在生物医学领域，海森堡的必须由实验观察和数据来回答问题的主张受到广泛的支持(例如ABBA随处可见)，“一棵树氧化燃烧成灰并放出能量”和“一堆灰加能量变成一棵树”不仅是不对称，而且是不可逆的,从小波分析看“结构数”,很多人看到了傅立叶变换和小波分析的技术意义，似乎很少人联想到傅立叶变换和小波分析的哲学意义。,通常我们用一个函数y = f(x)表示一个函数或信号波。所得到的图像是有(x,y)点（我们可称其为“理想粒子”）组成的轨迹。对于心电图，这样的轨迹是相对规则的，但对大部分生物医学信号如脑电图，肌电图来说。这种轨迹是非常不规则的，有些甚至是杂乱无章的

6、。,傅立叶变换的基本原理是认为任何信号是有一系列正弦波和余弦波组成。这里信号波的基本成分已不再是一个“理想粒子”，而是一种波，一种“理想粒子的理想运动”或函数。傅立叶变换告诉我们，对任何信号波，最基本的”粒子”不是“理想粒子”而是其运动模式或结构。（我们可以提取其频谱。后者是各种频率的波成分的强度或贡献。这里频率已是一种运动属性或关系。）,傅立叶变换的基本单元波是正弦波和余弦波，因为二者在时间上（或广义地说在参考维度上）是无限延伸的，因此还是一种“理想的单元”。而现实世界中很多信号仅在参考维度有限的值域内存在，对此傅立叶变换就会遇到困难。,与傅立叶变换的基本原理一样，小波分析也认为“信号是由基

7、本函数（即小波）组成”*, 但小波与正弦波和余弦波不同，它存在于“参考维度有限值域内”，“有限值域”外被忽略不记。因而小波是比正弦波和余弦波更为实际或现实的波。,我们是否可以跳出传统基于欧氏空间（或“理想粒子”组成的空间），而进到一个由更现实的“结构粒子”或“形态粒子”组成的新空间。在这些新空间中，组成单元为有形态或有特征或有结构的单元。我们甚至可以把它们称为“形态数”，“结构数”或“复合数”。,“小波分析的过程是这样的，选择一个适当的小波原型函数（即母版小波或分析小波），必须满足某种限制。所有的构成函数来自母版小波的时间和幅度的延伸、缩放。通过小波变换，信号分解成许多母版小波的缩放版。实际上

8、，傅立叶分析中使用的构成余弦可以认为是母版余弦的延伸、缩放。”,从小波分析：形态判断导出的广义数,形态模拟数例子：,下文从Internet提供的例子看这种“形态数”如何参与一个信号波的分解和复合*： （feathersky：小波分析系列讲座，/Article_Class.asp?ClassID=25）,小波分析的（泛）共性-个性原理在图象或信号压缩中的应用（为医学背景的读者起见，笔者补充了矩阵运算的过程）一例： 可以用“和平均”表示“低频部分”，用“差平均”表示“高频部分”。,设有信号或图象x0,x1,x2,x3=90,70,100,70。为压缩信号或

9、图象，取(x0+x1)/2和(x0-x1)/2分别代表 x0,x1(即和平均和差平均)。这样90,70被表示为 80,10，80为信号或图象振幅或频率的平均数； 10是小范围波动数。同理100,70被表示为85,15。因此90,70,100,70 被表示为80,85,10,15。,接着，经同一操作，80,85 又被表示为82.5, -2.5。至此，原始图象90,70,100,70 最终被表示为82.5, -2.5, 10, 15，达到了压缩的目的（数字范围小了）。,在小波变换是通过小波系数运算进行的。小波系数取矩阵形式。上述图象处理属于Haar小波处理，其具体矩阵运算过程如下：,90,70到8

10、0,10的转化可通过以下运算实现： 90,70 * 1/2,1/2 1/2 ,-1/2= 90*1/2+70*1/2 90*1/2-70*1/2 = 80,10,如果是90,70,100,70第一步就可写成矩阵M1 (#A14*B44 = C14） =90*1/2+70*1/2+100*0+70*0 90*0+70*0+100*1/2+70*1/2 90*1/2-70*1/2+100*0+70*0 90*0+70*0+100*1/2-70*1/2 =80 85 10 15,第二步 只对低频 L操作 高频不变（#只用低频的列相乘） 故可写成M2(#A14*B44 = C14) 80 85 10

11、15* = 80*(1/2)+85*(1/2)+10*0+15*0 80*(1/2)+85*(-1/2)+10*0+15*0 80*0+85*0+10*1+15*0 80*0+85*0+10*0+15*1 = 82.5 -2.5 10 15 ,第一步把信号的高频和低频部分分开，第二步只选择低频率部分，进一步把它的高频和低频部分分开。 矩阵的运算操作信号形态，矩阵就是某种形式的“形态数”。,BMKI空间关系论,（A）BMKI拓扑静态空间(比邻空间)：（1）集合：机体内的所有物理实体（不计物理质的差异）集合；（2）定义一个映射（邻接关系）：f(x,y)1，0：先定义邻接关系如欧氏空间，但最小正量r

12、 的选定是（r 0但不致物理实体改变），如果物理实体x和物理实体y是连续的，那么x与y是邻接的。 自反性：f(x,y) = 1； 对称性：f(x,y) = f(y,x)。 邻接关系是联通关系及Input-output关系的基础，没有邻接关系就没有联通关系。 （B）BMKI人体outside-inside空间; （C） （Undergoing）,维度论（万维看世界）,（）抽象维度：,（A）一般认知维度： （B）一般抽象维度： （1）时间维度；(2)欧氏空间维度；(3)非欧氏空间或抽象空间维度；(4)计量维度；(5)运算维度。 （C）非结构层次：统计学维度。 （D）结构层次：信息维度(关系维度)或

13、（动态或静态）结构层次。,（1）一般系统结构性：有序性（无序性），信息，熵，序参量，组织程度（研究结构的一般性），热力学规律,混沌性（起始域，轨道束，值域）（运动形式），分形性（结构或运动形式），突变性（态变形式），超循环性； （2）系统结构进化性：耗散结构理论性，自组织性（研究进化的一般机制）。,（）数据与知识库：,语义学，逻辑学，教科书，统计学关系数据，规则库，本体学库，对象库，过程库，个体描述性数据库。(一种广义的关系、运动、结构形式),（）物理（或物质）机制维度(实体维度) ：,（按组织程度分）整体生理学机制层次器官生理学机制层次组织生理学机制层次细胞生理学机制层次分子网络（如蛋白质网

14、络）生物学大分子生物学机制层次生物化学机制（或分子）层次：血糖浓度，血脂浓度，血压，血色素浓度亚分子层次：化学键，离子键基本物质维度层次：力场，能量转化，磁场等。,图6 为以两大元维度：概念的结构程度或抽象程度（概念的还原和复合）和.物理的结构程度或组织程度（物质的还原和复合）构成的参照空间的（带有某些随意性的）学术群投影图。,*金中正编：最新人体正常值，北京：海潮出版社，56-57，2002,生理学角度：等价(有径)线 临床学角度：异势(有径)线 (undergoing),知识框架论,知识框架是领域本体的基础，因此知识框架论是领域本体论的基础。,定义:知识的框架部分反映了（历时的或共时的）群

15、体的共性部分。所谓知识框架是同类事物或同类过程中以较高频率重复出现的事件的相对不变的概念组合，这种组合可以是结构性，功能性，也可以是过程性的。,框架层次论,生物医学的物性知识框架,关于正常机体的知识框架举例：,（1）正常生命框架 （2）标准解剖学结构框架。 （3）生理功能性框架 （4）生化代谢性框架,疾病的知识框架举例：,如急性阑尾炎症状框架,知识框架，存在频率及其在认知行为中的核心地位,可分性和连续性,广义数字虚拟人体论,Generalized Digital Virtual Human Body(GDVHB）为人体数据(及其关系)的数字化,无须限制在形象层次来谈论GDVHB。,建立所谓标准

16、人体，即某人群的平均人体。,GDVHB的类型：,（）静态GDVHB （）时间性动态GDVHB （）关系性动态GDVHB,概念形式化,医学认知发动机开放模型（An open model of the launcher of medical cognition）,知 识 整 合 论,知识转化,个体知识与群体知识的转化： 在人类的认知过程中，我们常常进行上述二种知识的转化。,抽象化和具体化,同样地，命题的一般性和具体性也存在这种关系。,知识框架或模式的一般性和具体性转化,信息单元成分之间的其他运算：,我们可以依据信息单元及其组分之间的-is a-关系，-a part of-关系，代数关系，函数关系，

17、映射关系及各种物理语义之间的关系对信息单元进行操作或运算，也可通过加上必要的约束使事物由相对一般、相对粗粒度、相对不确定向相对具体、相对细粒度、相对确定的方向转化。,框架的整合 求供覆盖整合的一种基本原则,现在我们用求供覆盖原则来观察心脏泵血循环中多关系整合的实现。 意识性“大或”空间（Big-Or Space），只能允许联想，不能保证推导。 （S=S1S2S3）,概念性本体、实验性本体和罗盘-灯塔式本体,本体的重要特性是共享性和重复应用性，那么本体首先必须是关于标准的（典型的、共性的、群体的）概念性知识。被BMKI称为概念性（或典型性）本体（Conceptual Ontology，CO）。,

18、即使有一天所有的CO都运转起来，那我们的医学信息学的知识工程领域体来讲也是个“独脚领域”（当然她在限定的认知目标内还是威力巨大的），因为她缺失了只有实验证据,但经过统计学检验因而与CO一样具有公认性的实验性本体（EO,BMKI这样称呼它）。,这是一片巨大的荒芜的处女地，大脑与电脑都几乎对它无能为力。但是一个函数表示的连续关系，如果确定某种需要的精度，是可以离解为一系列的陈述来表示。因而也可以实现本体Web化。这么一片巨大荒原被开发，对医学信息学的贡献无论如何评价都不会太过。是前无古人的伟大事业。,定义：概念性知识本体为意识性或理性模型化项目，即某领域的概念结构模型。 定义：实验性知识本体为物理性或映射性模型化，包括实验性数字映射或函数关系等。 定义：罗盘-灯塔式