背景与意义

在当今的医疗保健中，电子健康记录（EHRs）和日常文档记录对患者的护理至关重要。EHRs提供了患者的全面健康信息，包括病史、诊断和治疗。然而，由于EHR叙述内容繁多且复杂，容易导致医疗人员信息过载，进而增加诊断错误的风险。近年来，生成式大型语言模型（LLMs）在各类语言任务中的表现令人瞩目，但在医疗领域的应用面临诸多挑战，尤其是在减少诊断错误和避免对患者造成伤害方面。

为了应对这些挑战，研究者们提出了一种创新方法，通过引入医学知识图谱（KG），结合一种名为“DR.KNOWS”的图模型，来增强LLMs在自动生成诊断的准确性。该模型基于临床诊断推理过程，旨在帮助LLMs更好地解释和总结复杂的医疗概念，提供一个更准确和可解释的诊断路径。

方法

1. 医学知识图谱构建与来源

医学知识图谱（KG）的构建基于美国国家医学图书馆的统一医学语言系统（UMLS）。UMLS 是一个包含了大量生物医学知识的数据库，它整合了多种医学词汇表，形成了概念和语义关系的知识图谱。UMLS 的概念库包含超过 450 万个概念和 1500 万个关系，这些数据提供了丰富的知识支持。本研究从 UMLS 中提取了医疗概念，并主要使用了系统化医学术语（SNOMED-CT），这一医学词汇标准广泛用于电子健康记录（EHRs）中。

UMLS 的概念词汇包括多个语义类型和网络，帮助有效探索和支持语义理解。研究者们从这些概念和语义关系中构建了一个知识图谱，其节点表示医疗概念，边表示概念间的语义关系。在该图谱上，通过多跳（multi-hop）推理，可以从输入的病人病历信息推断出潜在的诊断结果。

图：根据病人的医疗描述，从 UMLS 知识图谱推断的可能诊断。用彩色方框突出显示 UMLS 医学概念（“女性”、“败血症 ”等）。每个概念都有自己的子图，其中概念是顶点，语义关系是边（由于篇幅限制，在此图中忽略了 “女性 ”的子图）。通过第一跳转，我们可以识别出与输入描述最相关的邻近概念。顶点的颜色越深，说明它们与输入的描述越相关。根据最相关的节点，可以进一步进行第二跳，最终得出 “肺炎和流感 ”和 “呼吸窘迫综合症 ”的诊断结果。

2. DR.KNOWS模型架构设计

2.1 输入与处理

DR.KNOWS 模型接收的输入是来自病人的医疗描述文本，该文本通过医学概念提取工具（如 cTAKES 或 QuickUMLS）解析出相关的 UMLS 概念。这些概念作为知识图谱的输入节点，经过多跳推理生成诊断结果。为了确保推理的高效性，每个 UMLS 概念都分配了唯一的 SNOMED 概念标识符（CUI）。最终形成知识图谱。

2.2 图模型设计

知识图谱中的节点表示医学概念，边则表示概念之间的语义关系。对于每一个输入概念（如病人症状或病史），系统首先进行 1 跳推理，识别该概念的直接邻居节点（与该概念有直接关联的其他概念），这些邻居节点根据与输入描述的相关性进行排序。模型会选出前 N 个最相关的邻居节点，然后继续执行下一跳推理，直到找到最合适的诊断节点。

2.3 模型结构与层次

• 概念编码器（Contextualized Node Representation）：对于每个医学概念，使用 SapBERT 编码器（针对 UMLS 进行训练的生物医学概念表示模型）生成概念的上下文表示。首先对每个概念的名称进行编码，然后通过图同构网络（Graph Isomorphism Network, GIN）对概念的邻居节点信息进行迭代聚合。
• 路径选择与排序（Path Reasoning and Ranking）：对于每个候选路径，使用注意力机制（MultiHead 或 Trilinear attention）计算路径与输入文本及输入概念的逻辑关联性。该过程会生成一个打分矩阵，最终根据得分选出最相关的 N 个路径。
• 多跳推理（Multi-hop Reasoning）：为了在图中寻找诊断路径，DR.KNOWS 使用多跳推理机制，从病人输入信息的初始节点开始，逐步通过图谱上的相关概念进行推理。每一跳中，DR.KNOWS 都会选择前 N 个最相关的节点继续推理，直到最终找到潜在的诊断节点。

3. 路径推理与排序

接下来，模型为每个1跳关系生成路径表示，并通过两种注意力机制进行路径排序——多头注意力机制（MultiHead Attention，MultiAttn）或三线性注意力机制（Trilinear Attention，TriAttn）。这些机制评估路径与输入文本的相关性，并根据得分确定是否继续进行更多跳数的探索，直到找到合适的诊断结点为止，或选择终止探索。

模型使用AdamW优化器进行训练，通过跨多个跳数追踪与诊断相关的概念。使用CUI预测损失函数来提升模型的准确性，通过将预测的CUI与真实值进行对比，不断优化模型性能。

结果

DR.KNOWS模型的性能通过多种指标进行评估，并与基线模型（如T5和QuickUMLS）进行了比较。

1. 诊断生成性能的提升

DR.KNOWS模型通过知识路径生成显著提高了诊断预测的准确性。特别是在CUI（概念唯一标识符）的预测任务中，DR.KNOWS相比于基线模型表现出更高的准确性（Precision）和召回率（Recall），尤其是在多跳路径上的表现更为突出。例如，MultiAttn模型在MIMIC-III数据集上达到的最佳F1得分为24.77，而基线模型的F1得分仅为9.61 。

2. 路径提示的作用

通过将知识路径作为提示输入到大型语言模型（如T5和GPT-3.5）中，模型在生成诊断摘要时表现出更高的性能。无论是在微调还是零样本设置下，路径提示都提高了模型的CUI召回率和准确性。例如，微调后的VanillaT5模型使用路径提示后的CUI F1得分从26.19提升至27.78 。

3. 跨模型的比较

在比较不同模型时，发现ClinicalT5模型对于医学领域数据集（如MIMIC-III）的敏感性较高，尽管其CUI F1得分低于其他版本的T5模型（如VanillaT5和FlanT5），但其使用路径提示后的F1得分依然有所提升 。

结论

本研究提出了一个新颖的基于图谱的模型——DR.KNOWS，用于从患者的进展记录中识别可能的诊断。DR.KNOWS模型通过多跳路径选择出前N个最有可能的诊断，优于传统的概念提取和T5基线模型。通过使用这些路径作为提示对T5模型进行微调，并结合路径驱动的零样本提示对ChatGPT进行诊断预测，结果显示利用知识路径能显著提高诊断预测的准确性。手动分析还表明，ChatGPT在推理和解释诊断结论时有效地利用了这些路径。

该研究展示了将知识图谱与语言模型结合，能够有效提高诊断生成的准确性和可解释性，并为未来在医疗诊断生成领域的进一步研究提供了方向。

文章来自于微信公众号“朱导小组会”