计算机在生物医学中的治疗应用

1.2　计算机辅助治疗

医生往往只能在具有各种不肯定性的条件下作出治疗决策。这时，单凭自身的经验和直觉是不够的，需要对决策过程进行科学的分析。利用计算机来帮助医生拟定治疗方案的系统称为计算机辅助治疗系统（ComPuter Aided Treatment System，CATS）。在已研制出来的计算机辅助医学决策系统中，一部分只是用于辅助诊断，另一些系统辅助诊断又辅助治疗，可以称为计算机辅助诊疗系统（CADTS），还有一部分系统只是开处方、下医嘱的工具，类似于办公室自动化中的方法，计算机辅助治疗的某些一般问题已在前面做了叙述。以下介绍一些计算机辅助治疗的具体方式。

1.2.1　计算机辅助治疗决策

可供计算机辅助治疗决策的数学模型有多种，这里只介绍“代价—效益”分析（Cost-Benfit Analysis，可简称为“价—效”分析）中一种简单但临床上有实用意义的模型。“价—效”分析通常首先要构造决策树——把医生选取的行动与各种随机发生的结果清晰地表示出来，定量的“价—效”分析，不仅需要知道各个结果的概率，而且要求对相应的代价和效益（包括健康、费用、劳动力的损失或恢复等方面）予以定量：

①只考虑一种疾病，一个病人或者患这种病或者不患这种病，二者必居其一。

②对于这种病，有一种效益显著的处理。

③医生在对病人是否患病尚不能完全肯定的情况下，就要决定是否给予上述处理。

④对于确患该病而未给预处理的病人，会造成一定的效益损失。

⑤对于非患病者而给与处理的病人，要付出一定的代价，对确患者给与处理，虽然也要付出同样代价，但同时处理中获得一定的效益。

根据上述假设，构作相应的决策树如图1.1所示。

图1.1　辅助治疗决策树示意图

□—决策节点；〇—机遇节点；p—病人患某病的概率；1-p—病人未患某种病的概率；U_{处理，有病}—对确实患有该病的患者给予处理所获得的利益（Utility）；U_{处理，无病}—对非该病患者而给予处理的所获得的利益（实际上是损失）

只有确患病者才给予处理。可是临床实践中有时在尚不能确诊的情况下，就得决策是否给予处理，为免于发生处理错误，处理的净效益（记作B）仅限于确是某患病者，其净效益值为给予和不给予处理的相应利益之差：

假定处理所带来的损失对于给予处理的任何病人（不论是否是某病患者）都一样，并且并入U_{处理，有病}和U_{处理，无病}之中，于是，仅对不患该病的病人来讨论处理的净代价（C），净代价（C）可表为该患者免于和给予处理的利益之差。

同时，图1.1所示处理和不处理两种方案的期望值（ExPected Value，EV）为：

应该按照最大期望值的原则来选择方案，当两个方案的期望值相等，即EV_处理=EV_不处理时，医生不应倾向于选择其中的任何一个方案。这时由式（1.20）和（1.21）两式获得：

或

我们把p_T称为中点（Indifference Point）的概率，如果一个病人患该病的概率大于中点的概率，就应给予处理，小于中点的概率，就不给予处理，所以p_T是一种阈概率（Threshold Probability）。由方程（1.25）可知，阈概率p_T与处理的净效值对净代价之比（B/C）呈双曲线关系，当效益对代价的比值很小时，只有病人患某病的概率很大，超过相应的p_T值时，才给予处理，当效益对代价的比值很大时，即使病人患某病的概率不大（但超过相应的小p_T值）也要给予处理。

例如一个15岁的男孩，右下腹疼痛持续两天呈进行性加重，厌食，但没有恶心或呕吐，每天大便两次，直肠体温30℃，腹部呈弥漫性肌紧张，右下腹尤为显著，但无肿块触及，尿检正常，白细胞15　000。

假定医生根据上述临床资料估计该男孩患急性阑尾炎的概率是0.3，患急性肠炎的概率是0.7。试问：该病应立即动手术还是进一步观察呢？为此，我们应用上述“价—效”分析模型来做决策分析。

在这个具体问题里，尽管要考虑做手术或不做手术可能会带来的种种利益和损失，但最主要的是要估计死亡的危险性，因此，应按存活率来衡量利益。假定剖腹术的死亡率是0.1%，从而手术存活率为99.9%，又假定耽误必要的手术所致死亡率为1%，存活率为99%，于是：

效益B=U_{处理，有病}-U_{不处理，有病}=99.9%-99%=0.9%

代价C=U_{不处理，无病}-U_{处理，无病}=100%-99.9%=0.1%

　　B/C=9

计算阈概率为：

由于该病孩患急性阑尾炎的概率为0.3，大于阈概率0.1，所以应立即进行手术。

1.2.2　计算机辅助处理方式

计算机辅助处理有多种形式，它可以是CAD的符合逻辑的下一步，即根据CAD的诊断结论，得出相应药物的剂量、用法、疗程等细节，也可以作为单纯的处方工具。这里介绍上述两种形式。

在CADTS中，可通知生成式规则（即IF…THEN…）把诊断结论跟处方和医嘱联系起来，调用处方药库和医嘱库中相应部分。有时，需要在基本方中作一些增减，也可以用生成式规则来完成。还可能遇到这种情况，一个病人合并两种疾病，两病都要用某一处方，若不对处方加以编辑，就会出现重复情况，为避免这种情况发生，以下是一段用PROLOG语言设计的小程序，它可以用来有效处理医嘱和处方。

455IF D（5）>=100 THEN 456

455GOTO 458

456C=1：GOSUB 1010

457B=3：GOSUB 1000

1000IF M（B）=0 THEN 1003

1022GOTO 1004(www.chuimin.cn)

1003　A=A+1：0（A）=B：M（B）=B 1004　RETURN

1010 IF N（C）=0 THEN 1014

1011　GOTO 1019

1014　F=F+1：C（F）=C：N（C）=C

1019 RETURN

其中，455行根据诊断结构D（5）>=100转向处方编辑段，456行转入处方编辑段，457行转向医嘱编辑段，处方和医嘱编辑完毕，即转向处方、医嘱输出程序段。

下面介绍利用计算机作为处方工具的方法。计算机可以帮助医生完成开处方的大部分工作，医生只要有一台小型打字终端就可以完成开处方的工作，终端通过电话线和医院的中央处理机联系或者与距离较远的计算机联系。如果写病历、开处方都不用医生操劳，那么医生的手抄书面工作可以大为减少了，用计算机辅助开处方的基本要求是：

①把处方输入计算机所花的时间要比手写的时间短。

②打印的处方最好不用拉丁文缩写。

③清晰易懂。

④处方应该作为病历的一部分存入计算机，资料能够被检索。

⑤系统能发现某些错误，并在处方打印出来以前得到纠正。

⑥如果不是使用计算机病历库，则处方要一式两份，一份交给病人，一份放入病历存档。

这些要求计算机都可以达到，当然，任何系统只要医生乐于使用，应该是很容易学会的。任何一个具有灵活性的系统，除了程序中已经包含的处方内容以外，还允许医生随时添加程序所不具备的内容，同时系统设计应该使医生不需要重写程序就可以对内容进行增删。

把处方输入计算机可以采用编码的方法，把一张处方变成尽可能是编码的符号，然后输入计算机。打印出来的处方则是不包含编码或拉丁文缩写的原文。这一方法比较灵活可行，但是要熟悉编码，适用于在用药数量较少的门诊部使用的处方系统。

药名可以用头两个字母代表，例如四环素（Tetracycline）用TE表示，青霉素（Penicillin）用PE代表，如果用的药品数目很多，两个字母显得不够就要增加字符个数。剂型编码可用首字母表示，如针剂、片剂分别用I，T表示。

剂量编码可以不用特殊编码而直接输入数字，但是，有的门诊部医生常用药物的剂量种类不多，也可以考虑编码，例如强的松（Prednisone）片5　mg和10 mg分别用5和1表示，20，30，…，100片可分别用2，3，…，100表示，因为剂量是由药品决定的，所以强的松10 mg的编码1和维生素C 100 mg的编码1不会混淆。

编码可以从拉丁文缩写稍加变化而形成，如每天3次（t.i.d）可以用T表示，饭前（a. c）可用AC表示。

对处方的主要构成部分进行编码以后，就可以按照编制程序的要求把处方的编码形式输入计算机，例如医生开出这样一张处方：四环素胶囊丸250 mg，给60丸，每日4次，每次1丸，可重配3次，这个处方可用下面这样一个编码来代表：TET261QR3，TE表示四环素，T代表胶囊，2代表250 mg，6代表60丸，1代表1丸，Q代表每天服4次，R3表示可以重配3次，在键盘上输入这一个字母串，再打一个符号“/”（斜杠）表示编码结束，计算机立即输出一张处方，如图1.2所示。处方编码字母数字串的次序不能颠倒，因为计算机程序只能处理次序严格的字符信息。

图1.2　计算机输出的处方

由于以上编码是医生手写处方的一种缩写或速写方式，不难记忆。在医院中药名众多，为了帮助医生方便地使用计算机处方系统，在终端的电视屏幕上可选择显示医生常用药名编码等信息，供医生用光笔进行选择。

日本鹿儿岛大学医院综合情报系统中有个“处方有序化系统”，能将处方笺打印输出给药剂科，同时存入会计系统数据库，自动结账，以费用结算书形式打印到收费窗口；它还能提供很多药物信息，如药物的作用、效果、用法、用量、禁忌，以及妊娠给药、保存方法等；并对处方有自动检查功能，处方的用量过大时，显示屏上便显示出“药物超过常用量”。这个系统已应用多年，已成为不可缺少的工具。

1.2.3　治疗的控制

控制（Control）是调节过程或数据，使其在预定范围之内。控制论（Cybernetics）是研究生物机器的通信、控制和调整的科学。治病也是对人体系统的一种控制，即在体外施加作用（药物或其他治疗措施），使偏离正常状态的机体恢复到正常生理状态。把控制论用于临床治疗的研究分为两大步，首先是研究过程的各部分的人工控制。然后研究全过程的自动控制。在前一步，相当于一个人工操作闭环控制系统；在后一步，可以是一个计算机闭环控制系统，一种自动的反馈系统，以下分别举例说明。

1）输液控制模型

输液是临床经常使用的一种方法，疾病引起体内环境的破坏，输液有助于调整体内环境。体内的体液调节机制主要由肾脏控制，但由于肾脏排出电解质及水分有一定限制，而且注入液的组分及数量依病情及检查结果而异，不容易恰当掌握。用计算机模拟方法，对体液、电解质、酸碱平衡及输液治疗的过程进行研究，用于评价现行的输液治疗方法，有益于寻求适合的输液治疗方式。

佐藤登志郎报道的模型考虑了呼吸系统、循环系统、泌尿系统以及细胞内外的体液调节机制，采用了小型计算机，内存为32kB，另外加2.4　MB磁盘两台，用CRT显示器。应用这个模型可以对体液调节系统在各种情况下的反应以及临床治疗过程进行模拟，系统的输入为患者症状，血浆蛋白、血清中Na浓度，尿量、尿中Na量，水及电解质的出纳量，而输出的数据可能为任意时段后细胞外液量，细胞内液量，血浆中Na，K，Cl浓度，尿中Na，K，Cl量，动静脉压，水及Na的估计欠缺量。在模拟基础上，可以确定最优输液治疗方式，即在不使循环系统负担过重、体液各成分过分“过调”的情况下，最快补足各种欠缺量。

已进行了各种情况下输液系统的反应的模拟，下面介绍脱水症的模拟。把在10 h内失水6　L的数据输入到模型中，可以计算出其后体液量、尿等随时间变化的规律。并且可以计算出不同的输液方式、不同的变化规律，而这样的计算结果可用于评价输液方式的好坏。若在失水10 h之后，以正常的摄取水量输液，则再过48h，只有2L的回升，仍缺3.6　L水分。但若用维持量加欠缺量在24　h内连续输液，则细胞内液不足，而细胞外液略超过正常；若改变输液速度，在48h内，用1/2欠缺量维持量输液，则这种不正常情况可以改善，取得较好的结果，同时在模型中，还可以得知血及尿中各种电解质的浓度。当然，模拟的结果要进一步与动物实验和临床观察进行比较，然后改进模型，使之更符合实际情况。

2）血糖水平的自适应控制

人的血糖水平，在正常情况下，由于体内有血糖调节系统存在，能保持相对稳定状态，这一调节系统，主要包括机体组织、肝脏和胰腺β细胞。机体组织对葡萄糖的需要与肝脏对糖原的存储和分解之间处于相对平衡状态，而血糖的变化可为胰脏β细胞所感知，并相应地分泌胰岛素，以调节血糖的利用，增加了肝脏糖的存储，抵制糖原异生作用，使血糖下降；反之，血糖降低时，胰岛素分泌减少，使血糖回升，这是一种负反馈控制。但由于有干扰存在，如进食等，实际上，人的血糖值是在一定范围内随时间而波动。有人用电子计算机对血糖水平进行了自适应控制的研究，受试者在医院里用泵自动注入葡萄糖。血糖水平每隔25　s由自动分析仪测定一次，测量的结果由传输线送到几km外设置的电子计算机中。计算机利用血糖系统的数学模型参数，选择合适的控制命令，由传输线送到医院，控制泵入葡萄糖量。实验证明了血糖水平能自动控制在给定水平。

随着控制论在诊断治疗中的应用和发展，必然要建立特殊的综合医疗控制系统，这种系统可以对特定的疾病进行实时的控制。在这方面，比较简单但有一定的典型意义的可能是人工胰腺β细胞，该细胞是控制胰岛素的注入、代替糖尿病人功能失常的β细胞，它使病人有与正常人大致相同的血糖控制模式的人工装置。该装置并不复杂，原理也很简单，但已包含有计量医学的主要因素。首先要有连续的测定糖值的仪器，以取得机体状况的信息；其次，要建立与血糖值成正比例关系和微分关系的两种成分，用计算机来模拟这种关系，可以控制胰岛素的注入，这里还需要微型泵作为执行注入的元件。目前已有病床前用的大型人工胰岛腺。1978年，日本报道了重3kg可推带的人工胰腺，并打算进一步将其减轻到400 g，小型的人工型计算机程序可以引入参数估计方法及最优控制，以实现比较理想的控制效果。这样的人工胰岛素不久即可成为植入人体的器官代偿装置，而其他各种人工有脏器官也将随着医学的发展而逐渐接近人体固有的相应脏器的功能。在这方面的工作，还仅仅开始起步，但前途是不可限量的。

1.2.4　临床用药监督

医生开处方，有可能忘记了一些药物，特别是各种中西药物之间的相互作用，这样，便可能造成医源性疾病。合理用药关系到千家万户的切身利益，关系到人民的健康。因此，有必要对临床用药进行监督，计算机在这方面有很大的用处。JHY-Ⅱ临床用药监护仪就是一例，它是一种便携式、普及型电脑医药信息系统。其中有一个药物知识库，吸收了国内外临床药学专家的知识，包括各种药物的药理资料，即：350种常用西药的潜在性能超群相互作用，20种常用注射液的值及理化治疗学配伍变化，常用西药的禁忌症与剂量折算，118种常用药的禁忌症与药量慎用症，常用药物按药理作用分类时各类（共31类）药物之间主要的潜在性相互作用。药物的不良作用，这部分知识能正向或反向检索，从药物查其不良作用或从不良作用查其相关的药物。硬件方面，配置了带中西文标记的标准键盘，以类选方法，用人机对话方式输入信息，备有大型点式液晶显示器及微型打印机，以中西文显示并打印监护结果。使用这类仪器，在用药前快速检索，既能防止不合理用药，又可做回顾性医疗质量检查分析，以减少和避免药源性疾病和死亡，防止药物滥用及浪费，提高合理用药水平。