生物醫(yī)學知識整合論

生物醫(yī)學知識整合論第1頁/共89頁物數(shù)學

能設(shè)計一個能捉住山坡上奔跑的野兔的可操作數(shù)學模型（或機器人）嗎？

第2頁/共89頁如果把野兔放在規(guī)定在一個管道中呢？

第3頁/共89頁開放系統(tǒng)對人類理性或智能提出了極大的挑戰(zhàn)。第4頁/共89頁經(jīng)典的數(shù)學屬純意識系統(tǒng)或形式系統(tǒng)，獨立于物理世界。但機體的數(shù)學與經(jīng)典的數(shù)學大相徑庭，為物理世界和意識世界的結(jié)合體，經(jīng)典的數(shù)學原理在機體中受到形形色色的異質(zhì)物理空間的軌道式或結(jié)構(gòu)式制導(dǎo)。第5頁/共89頁生物機體則是極開放系統(tǒng)（假設(shè)開放性是可以度量的話），在那里“自然的意志”幾乎可以隨心所欲。因此有人說生物學是數(shù)學的沙漠。

第6頁/共89頁基本哲學觀點體系(1)：

形式空間概念:所謂空間是事物的一種理性背景：它必須是某種(低階的，高階的，單純的，復(fù)合的)均勻性。物理性異質(zhì)空間:生物機體是形形色色的物理性異質(zhì)空間通過“硬的”即非理性物理原理整合。超復(fù)雜性:生物醫(yī)學的異質(zhì)空間的整合的復(fù)雜性與一般系統(tǒng)理論對象的復(fù)雜性不可同日而語，依靠單純形式化的系統(tǒng)研究試圖得到對生物系統(tǒng)整合機制的理解猶如杯水車薪。第7頁/共89頁物理源性:物數(shù)學中任何形式空間都依賴于某種具體的物質(zhì)基礎(chǔ)或運動形態(tài)。數(shù)學的存在:生物醫(yī)學物數(shù)學在高緊密性，高異質(zhì)性，高交互性的物理實體中尋求形形色色的(低階的，高階的，單純的，復(fù)合的)均勻性。

基本哲學觀點體系(2)：

第8頁/共89頁量子力學中發(fā)生的重大事件

第9頁/共89頁玻爾理論原子結(jié)構(gòu)之父玻爾對原子結(jié)構(gòu)提出了如下理論：“原子中的電子繞著某些特定的軌道以一定的頻率運行，并時不時從一個軌道躍遷到另一個軌道上去。每個電子軌道都代表一個特定的能級，因此當這種躍遷發(fā)生的時候，電子就按照量子化的方式吸收或者發(fā)射能量，其大小等于兩個軌道之間的能量差?！盵19]“玻爾模型的建立有著氫原子光譜的支持。每一條光譜線都有一種特定的頻率。

第10頁/共89頁玻爾理論玻爾模型的建立有著氫原子光譜的支持。每一條光譜線都有一種特定的頻率。從量子公式E1-E2=hν（其中E是能量，h是普朗克常數(shù)，ν是頻率），我們知道這是電子在兩個能級之間躍遷的結(jié)果。光譜中的每一條光譜線，代表了兩個“能級”之間的“能量差”，并不代表能級本身。第11頁/共89頁量子力學假設(shè)某原子的某電子有能級E1，E2，…,En，那么各能級的能量是多少？假如一個電子躍遷途徑為：E1→E5→E8，另一個躍遷途徑為：E1←E5←E8，那么二個途徑的所吸收或釋放的能量是否相等？第12頁/共89頁量子力學

我們知道，第一個問題的答案必須借助物理實驗，但第二個問題似乎是很簡單的邏輯問題，答案應(yīng)該是肯定的。第13頁/共89頁但物理學家海森堡堅持必須由實驗觀察和數(shù)據(jù)來回答這些問題。他后來“獨立發(fā)明”了矩陣的數(shù)學概念處理這一問題(實驗數(shù)據(jù)+矩陣,可以A·B≠B·A)。其形狀如下：陣中A，B，C，aa，ab，ac,…可分別表示電子的能級軌道和躍遷所吸收或釋放的能量。

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在生物醫(yī)學領(lǐng)域，海森堡的必須由實驗觀察和數(shù)據(jù)來回答問題的主張受到廣泛的支持(例如A·B≠B·A隨處可見)，“一棵樹氧化燃燒成灰并放出能量”和“一堆灰加能量變成一棵樹”不僅是不對稱，而且是不可逆的第15頁/共89頁從小波分析看“結(jié)構(gòu)數(shù)”

第16頁/共89頁很多人看到了傅立葉變換和小波分析的技術(shù)意義，似乎很少人聯(lián)想到傅立葉變換和小波分析的哲學意義。

第17頁/共89頁通常我們用一個函數(shù)y=f(x)表示一個函數(shù)或信號波。所得到的圖像是有(x,y)點（我們可稱其為“理想粒子”）組成的軌跡。對于心電圖，這樣的軌跡是相對規(guī)則的，但對大部分生物醫(yī)學信號如腦電圖，肌電圖來說。這種軌跡是非常不規(guī)則的，有些甚至是雜亂無章的。

第18頁/共89頁傅立葉變換的基本原理是認為任何信號是有一系列正弦波和余弦波組成。這里信號波的基本成分已不再是一個“理想粒子”，而是一種波，一種“理想粒子的理想運動”或函數(shù)。傅立葉變換告訴我們，對任何信號波，最基本的”粒子”不是“理想粒子”而是其運動模式或結(jié)構(gòu)。（我們可以提取其頻譜。后者是各種頻率的波成分的強度或貢獻。這里頻率已是一種運動屬性或關(guān)系。）

第19頁/共89頁傅立葉變換的基本單元波是正弦波和余弦波，因為二者在時間上（或廣義地說在參考維度上）是無限延伸的，因此還是一種“理想的單元”。而現(xiàn)實世界中很多信號僅在參考維度有限的值域內(nèi)存在，對此傅立葉變換就會遇到困難。第20頁/共89頁第21頁/共89頁與傅立葉變換的基本原理一樣，小波分析也認為“信號是由基本函數(shù)（即小波）組成”[***],

但小波與正弦波和余弦波不同，它存在于“參考維度有限值域內(nèi)”，“有限值域”外被忽略不記。因而小波是比正弦波和余弦波更為實際或現(xiàn)實的波。

第22頁/共89頁我們是否可以跳出傳統(tǒng)基于歐氏空間（或“理想粒子”組成的空間），而進到一個由更現(xiàn)實的“結(jié)構(gòu)粒子”或“形態(tài)粒子”組成的新空間。在這些新空間中，組成單元為有形態(tài)或有特征或有結(jié)構(gòu)的單元。我們甚至可以把它們稱為“形態(tài)數(shù)”，“結(jié)構(gòu)數(shù)”或“復(fù)合數(shù)”。

第23頁/共89頁“小波分析的過程是這樣的，選擇一個適當?shù)男〔ㄔ秃瘮?shù)（即母版小波或分析小波），必須滿足某種限制。所有的構(gòu)成函數(shù)來自母版小波的時間和幅度的延伸、縮放。通過小波變換，信號分解成許多母版小波的縮放版。實際上，傅立葉分析中使用的構(gòu)成余弦可以認為是母版余弦的延伸、縮放?！睆男〔ǚ治觯盒螒B(tài)判斷導(dǎo)出的廣義數(shù)

第24頁/共89頁形態(tài)模擬數(shù)例子：第25頁/共89頁“近似”基函數(shù)1-1000.510.50-0.5“反變換”的低頻濾波系數(shù)Haar小波01第26頁/共89頁0.50-0.5“反變換”的高頻濾波系數(shù)“細節(jié)”基函數(shù)1-1000.51Haar小波01第27頁/共89頁下文從Internet提供的例子看這種“形態(tài)數(shù)”如何參與一個信號波的分解和復(fù)合［***］：（feathersky

：小波分析系列講座，/Article_Class.asp?ClassID=25）

第28頁/共89頁小波分析的（泛）共性-個性原理在圖象或信號壓縮中的應(yīng)用（為醫(yī)學背景的讀者起見，筆者補充了矩陣運算的過程）一例：

可以用“和平均”表示“低頻部分”，用“差平均”表示“高頻部分”。

第29頁/共89頁設(shè)有信號或圖象[x0,x1,x2,x3]=[90,70,100,70]。為壓縮信號或圖象，取(x0+x1)/2和(x0-x1)/2分別代表x0,x1(即和平均和差平均)。這樣[90,70]被表示為[80,10]，80為信號或圖象振幅或頻率的平均數(shù)；10是小范圍波動數(shù)。同理[100,70]被表示為[85,15]。因此[90,70,100,70]被表示為[80,85,10,15]。

第30頁/共89頁接著，經(jīng)同一操作，[80,85]又被表示為[82.5,-2.5]。至此，原始圖象[90,70,100,70]最終被表示為[82.5,-2.5,10,15]，達到了壓縮的目的（數(shù)字范圍小了）。

第31頁/共89頁在小波變換是通過小波系數(shù)運算進行的。小波系數(shù)取矩陣形式。上述圖象處理屬于Haar小波處理，其具體矩陣運算過程如下：

第32頁/共89頁[90,70]到[80,10]的轉(zhuǎn)化可通過以下運算實現(xiàn)：

[90,70]*[1/2,

1/2]

[1/2,-1/2]

=[90*1/2+70*1/290*1/2-70*1/2]=[80,10]

第33頁/共89頁如果是[90,70,100,70]第一步就可寫成矩陣M1(#A14*B44=C14）

=[90*1/2+70*1/2+100*0+70*090*0+70*0+100*1/2+70*1/290*1/2-70*1/2+100*0+70*090*0+70*0+100*1/2-70*1/2]=[80851015]第34頁/共89頁第二步只對低頻L操作高頻不變（#只用低頻的列相乘）故可寫成M2(#A14*B44=C14)

[80851015]*

=[80*(1/2)+85*(1/2)+10*0+15*080*(1/2)+85*(-1/2)+10*0+15*080*0+85*0+10*1+15*080*0+85*0+10*0+15*1]=[82.5-2.51015]

第35頁/共89頁第一步把信號的高頻和低頻部分分開，第二步只選擇低頻率部分，進一步把它的高頻和低頻部分分開。矩陣的運算操作信號形態(tài)，矩陣就是某種形式的“形態(tài)數(shù)”。第36頁/共89頁BMKI空間關(guān)系論（A）BMKI拓撲靜態(tài)空間(比鄰空間)：（1）集合：機體內(nèi)的所有物理實體（不計物理質(zhì)的差異）集合；（2）定義一個映射（鄰接關(guān)系）：f(x,y)→[1，0]：先定義鄰接關(guān)系如歐氏空間，但最小正量r的選定是（r>0∧但不致物理實體改變），如果物理實體x和物理實體y是連續(xù)的，那么x與y是鄰接的。自反性：f(x,y)=1；對稱性：f(x,y)=f(y,x)。鄰接關(guān)系是聯(lián)通關(guān)系及Input-output關(guān)系的基礎(chǔ)，沒有鄰接關(guān)系就沒有聯(lián)通關(guān)系。（B）BMKI人體outside-inside空間;（C）………（Undergoing）第37頁/共89頁維度論（萬維看世界）

第38頁/共89頁（Ⅰ）抽象維度：

（A）一般認知維度：

（B）一般抽象維度：（1）時間維度；(2)歐氏空間維度；(3)非歐氏空間或抽象空間維度；(4)計量維度；(5)運算維度。（C）非結(jié)構(gòu)層次：統(tǒng)計學維度。

（D）結(jié)構(gòu)層次：信息維度(關(guān)系維度)或（動態(tài)或靜態(tài)）結(jié)構(gòu)層次。

第39頁/共89頁（1）一般系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性：有序性（無序性），信息，熵，序參量，組織程度（研究結(jié)構(gòu)的一般性），熱力學規(guī)律,混沌性（起始域，軌道束，值域）（運動形式），分形性（結(jié)構(gòu)或運動形式），突變性（態(tài)變形式），超循環(huán)性；（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進化性：耗散結(jié)構(gòu)理論性，自組織性（研究進化的一般機制）。

第40頁/共89頁（Ⅱ）數(shù)據(jù)與知識庫：

語義學，邏輯學，教科書，統(tǒng)計學關(guān)系數(shù)據(jù)，規(guī)則庫，本體學庫，對象庫，過程庫，個體描述性數(shù)據(jù)庫。(一種廣義的關(guān)系、運動、結(jié)構(gòu)形式)

第41頁/共89頁（Ⅲ）物理（或物質(zhì)）機制維度(實體維度)：

（按組織程度分）整體生理學機制層次→器官生理學機制層次→組織生理學機制層次→細胞生理學機制層次→分子網(wǎng)絡(luò)（如蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)）生物學→大分子生物學機制層次→生物化學機制（或分子）層次：血糖濃度，血脂濃度，血壓，血色素濃度→亞分子層次：化學鍵，離子鍵→基本物質(zhì)維度層次：力場，能量轉(zhuǎn)化，磁場等。第42頁/共89頁圖6為以兩大元維度：概念的結(jié)構(gòu)程度或抽象程度（概念的還原和復(fù)合）和.物理的結(jié)構(gòu)程度或組織程度（物質(zhì)的還原和復(fù)合）構(gòu)成的參照空間的（帶有某些隨意性的）學術(shù)群投影圖。

第43頁/共89頁***金中正編：《最新人體正常值》，北京：海潮出版社，56-57，2002

第44頁/共89頁生理學角度：等價(有徑)線臨床學角度：異勢(有徑)線

(undergoing)第45頁/共89頁知識框架論

第46頁/共89頁知識框架是領(lǐng)域本體的基礎(chǔ)，因此知識框架論是領(lǐng)域本體論的基礎(chǔ)。

第47頁/共89頁定義:知識的框架部分反映了（歷時的或共時的）群體的共性部分。所謂知識框架是同類事物或同類過程中以較高頻率重復(fù)出現(xiàn)的事件的相對不變的概念組合，這種組合可以是結(jié)構(gòu)性，功能性，也可以是過程性的。

第48頁/共89頁框架層次論

第49頁/共89頁生物醫(yī)學的物性知識框架

第50頁/共89頁關(guān)于正常機體的知識框架舉例：

（1）正常生命框架（2）標準解剖學結(jié)構(gòu)框架。（3）生理功能性框架（4）生化代謝性框架第51頁/共89頁疾病的知識框架舉例：

如急性闌尾炎癥狀框架第52頁/共89頁知識框架，存在頻率及其在認知行為中的核心地位

第53頁/共89頁可分性和連續(xù)性

第54頁/共89頁心靈的意志物質(zhì)的意志知識知識還原論的聯(lián)結(jié)論的形式屬性特征特征離散程度聯(lián)結(jié)程度圖5從心靈系統(tǒng)，經(jīng)過感受系統(tǒng)，到物理系統(tǒng)之間基于離散性、聯(lián)結(jié)性和連續(xù)性的演繹示意圖，提示了各種類型的知識表示的適用或覆蓋范圍。命題邏輯，謂詞邏輯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像，電影，錄像等框架真實事物心靈的，封閉的，離散的或聯(lián)結(jié)的系統(tǒng)；知識性整合感官的，連續(xù)的系統(tǒng)；數(shù)據(jù)整合物理的，開放的，連續(xù)的系統(tǒng)；物理性整合心靈的，封閉的,聯(lián)結(jié)的系統(tǒng)；知識或數(shù)據(jù)性性整合第55頁/共89頁廣義數(shù)字虛擬人體論

GeneralizedDigitalVirtualHumanBody(GDVHB）為人體數(shù)據(jù)(及其關(guān)系)的數(shù)字化

第56頁/共89頁無須限制在形象層次來談?wù)揋DVHB。

第57頁/共89頁建立所謂標準人體，即某人群的平均人體。

第58頁/共89頁GDVHB的類型：

（１）靜態(tài)GDVHB（２）時間性動態(tài)GDVHB（３）關(guān)系性動態(tài)GDVHB第59頁/共89頁概念形式化

Originalrelationshipsmeta-dimensionalcombinations

G-A236(Advanced)continuity-discontinuity*degree*motilityG-A336(Expanding),G-A337(Shrinking)Size*motilityG-A127(Afferent),G-A128(Efferent)Inside-outside*transportingG-A334(Endogenous),G-A335(Exogenous)Inside-outside*generationTable2TheexampleofrelationshipsofSNOMEDandtheirmeta-dimensionalcombinations.第60頁/共89頁醫(yī)學認知發(fā)動機開放模型

（Anopenmodelofthelauncherofmedicalcognition）

第61頁/共89頁Meta-dimension:cognitiveattributeAnopenmodelofthe1storderlaunchingengineofmedicalcognitionMeta-dimension:ObjectattributeMeta-dimension:AttributeofBSK(Meta)-1-dimension:Existenceattribute(Meta)-1-dimension:Inherentattribute(Meta)-1-dimension:Rlationshipattribute(Meta)-1-dimension:Timeattribute(Meta)-2-dimension:Inner-relattribute(Meta)-2-dimension:Outer-relattributeFig.8The1storderlaunchingengineorontologyofmedicalcognition，BSK：BackgroundSpaceofKnowledge.第62頁/共89頁Meta-dimension:cognitiveattributeAnopenmodelofthe2ndorderlaunchingengineofmedicalcognitionMeta-dimension:ObjectattributeMeta-dimension:AttributeofBSK(Meta)-2-dimension:CGD-wishes(Meta)-2-dimension:CGD-benifit(Meta)-2-dimension:CGD-fondness(Meta)-2-dimension:CGD-certainty(Meta)-2-dimension:CGD-granularity(Meta)-2-dimension:CGD-actionFig.9The2ndorderlaunchingengineorontologyofmedicalcognition，BSK：BackgroundSpaceofKnowledge,CGD:cognitivegoaldetermined.第63頁/共89頁Anopenmodelofthe3rdorderlaunchingengineofmedicalcognition。。?！?Meta)-3-dimension:Observation(Meta)-3-dimension:Comparision(Meta)-3-dimension:Judgement(Meta)-3-dimension:Abstraction(Meta)-3-dimension:Calculation(Meta)-3-dimension:Intervention(Meta)-3-dimension:DomainFig.10The3rdorderlaunchingengineorontologyofmedicalcognition.第64頁/共89頁知識整合論

第65頁/共89頁知識轉(zhuǎn)化

個體知識與群體知識的轉(zhuǎn)化：

在人類的認知過程中，我們常常進行上述二種知識的轉(zhuǎn)化。

第66頁/共89頁抽象化和具體化

第67頁/共89頁同樣地，命題的一般性和具體性也存在這種關(guān)系。

第68頁/共89頁知識框架或模式的一般性和具體性轉(zhuǎn)化第69頁/共89頁信息單元成分之間的其他運算：

第70頁/共89頁我們可以依據(jù)信息單元及其組分之間的-isa-關(guān)系，-apartof-關(guān)系，代數(shù)關(guān)系，函數(shù)關(guān)系，映射關(guān)系及各種物理語義之間的關(guān)系對信息單元進行操作或運算，也可通過加上必要的約束使事物由相對一般、相對粗粒度、相對不確定向相對具體、相對細粒度、相對確定的方向轉(zhuǎn)化。第71頁/共89頁框架的整合

求供覆蓋——整合的一種基本原則

現(xiàn)在我們用求供覆蓋原則來觀察心臟泵血循環(huán)中多關(guān)系整合的實現(xiàn)。意識性“大或”空間（Big-OrSpace），只能允許聯(lián)想，不能保證推導(dǎo)。（S=S1∪S2∪S3∪…）

第72頁/共89頁概念性本體、實驗性本體和羅盤-燈塔式本體第73頁/共89頁本體的重要特性是共享性和重復(fù)應(yīng)用性，那么本體首先必須是關(guān)于標準的（典型的、共性的、群體的）概念性知識。被BMKI稱為概念性（或典型性）本體（ConceptualOntology，CO）。

第74頁/共89頁即使有一天所有的CO都運轉(zhuǎn)起來，那我們的醫(yī)學信息學的知識工程領(lǐng)域體來講也是個“獨腳領(lǐng)域”（當然她在限定的認知目標內(nèi)還是威力巨大的），因為她缺失了只有實驗證據(jù),但經(jīng)過統(tǒng)計學檢驗因而與CO一樣具有公認性的實驗性本體（EO,BMKI這樣稱呼它）。第75頁/共89頁

這是一片巨大的荒蕪的處女地，大腦與電腦都幾乎對它無能為力。但是一個函數(shù)表示的連續(xù)關(guān)系，如果確定某種需要的精度，是可以離解為一系列的陳述來表示。因而也可以實現(xiàn)本體Web化。這么一片巨大荒原被開發(fā)，對醫(yī)學信息學的貢獻無論如何評價都不會太過。是前無古人的偉大事業(yè)。第76頁/共89頁定義：概念性知識本體為意識性或