THU THẬP TRI THỨC VÀ ỨNG DỤNG PROLOG XÂY DỰNG HỆ CHUẨN ĐOÁN BỆNH THƯỜNG GẶP Ở TRẺ EM

LỜI MỞ ĐẦUHệ chuyên gia là một trong những lĩnh vực của trí tuệ nhân tạo được nghiêncứu và phát triển từ giữa thập niên 60, góp phần tạo ra các hệ thống có khả năng trítuệ của con người,

Mục lục:

Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ CHUYÊN GIA VÀ BIỂU DIỄN TRI THỨC 3

1.1 Hệ chuyên gia 3

1.2 Biểu diễn tri thức 4

Chương 2 : THU THẬP TRI THỨC VÀ ỨNG DỤNG PROLOG XÂY DỰNG HỆ CHUẨN ĐOÁN BỆNH THƯỜNG GẶP Ở TRẺ EM 12

2.1 Thu thập tri thức các bệnh thường gặp ở trẻ em 12

2.2 Xây dựng cơ sở tri thức dựa trên luật 15

2.3 Xây dựng ứng dụng hệ chuẩn đoán bệnh trẻ em bằng Prolog và C# 19

2.4 Chương trình và kết quả thực nghiệm 21

LỜI MỞ ĐẦU

Hệ chuyên gia là một trong những lĩnh vực của trí tuệ nhân tạo được nghiêncứu và phát triển từ giữa thập niên 60, góp phần tạo ra các hệ thống có khả năng trítuệ của con người, giải quyết các vấn đề dựa trên một tập luật phân tích thông tin vàđưa lời khuyên về trình tự các hành động cần thực hiện để giải quyết vấn đề

Nhiều hệ chuyên gia đã được thiết kế và xây dựng để phục vụ trong nhiềulĩnh vực y học, kế toán, điều khiển tiến trình (process control), dịch vụ tư vấn tàichính (financial service), tài nguyên con người (human resources), trong đó ykhoa là một trong những lĩnh vực được áp dụng đầu tiên, cung cấp các công cụ hữuhiệu cho những áp dụng chẩn đoán bệnh, với mục đích trợ giúp các bác sĩ trong việcchuẩn đoán và điều trị bệnh

Hiện nay có nhiều chương trình chuẩn đoán bệnh dành cho người lớn mà ít

có chương trình chuyên biệt phục vụ riêng cho trẻ em Chính vì lý do đó em chọn

đề tài xây dựng hệ chuyên gia chuẩn đoán và hướng dẫn điều trị những bệnh thườnggặp ở trẻ em như các bệnh: sởi, quai bị, rubella, thủy đậu, sốt xuất huyết,… Chươngtrình cho phép chẩn đoán, đưa ra kết luận bệnh, các triệu chứng, biến chứng và cholời khuyên chăm sóc bệnh của bé

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ CHUYÊN GIA VÀ BIỂU DIỄN TRI THỨC1.1 Hệ chuyên gia

1.1.1 Khái niệm cơ bản

Hệ chuyên gia là một chương trình máy tính mô hình hóa khả năng giải quyếtvấn đề của các chuyên gia, sử dụng các tri thức và các thủ tục suy diễn để giải quyếtcác bài toán khó khăn đòi hỏi chuyên gia mới giải quyết được, làm việc giống nhưmột chuyên gia thực thụ và cung cấp các ý kiến dựa trên kinh nghiệm của chuyêngia con người đã được đưa vào Hệ chuyên gia

Ví dụ: hệ chuyên gia trong y học: với mục đích trợ giúp các bác sĩ trong việcchuẩn đoán bệnh và điều trị, hệ chuyên gia chẩn đoán hỏng hóc đường dây điệnthoại,…

1.1.2 Cấu trúc Hệ chuyên gia

Hệ chuyên gia làm việc như một chuyên gia thực thụ và có thể cung cấp các ýkiến tư vấn hỏng hóc dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia đã được đưa vào hệchuyên gia Hệ chuyên gia có các thành phần cơ bản sau:

(1) Bộ giao tiếp ngôn ngữ tự nhiên

(2) Động cơ suy diển

suy diễn của hệ chuyên gia Câu hỏi HOW nhằm cung cấp các giải thích về conđường mà hệ chuyên gia sử dụng để mang lại kết quả.

Hình 1 Các thành phần của hệ chuyên gia

1.2 Biểu diễn tri thức

1.2.1 Khái niệm biểu diễn tri thức

Biểu diễn tri thức là cách thể hiện tri thức trong máy dưới dạng sao cho bài toán có thể được giải tốt nhất Biểu diễn tri thức trong máy phải :

+ Thể hiện được tất cả các thông tin cần thiết

+ Cho phép tri thức mới được suy diễn từ tập các sự kiện và luật suy diễn + Cho phép biểu diễn các nguyên lý tổng quát cũng như các tình huống đặc trưng

+ Bắt lấy được ý nghĩa ngữ nghĩa phức tạp

+ Cho phép lý giải ở mức tri thức cao hơn

1.2.2 Các loại tri thức

Dựa vào cách thức con người giải quyết vấn đề, các nhà nghiên cứu đã xâydựng các kỹ thuật để biểu diễn các dạng tri thức khác nhau trên máy tính Để giảiquyết vấn đề, chúng ta chỉ chọn dạng biễu diễn nào thích hợp nhất Sau đây là cácdạng biểu diễn tri thức thường gặp

• Tri thức thủ tục mô tả cách thức giải quyết một vấn đề Loại tri thức này

đưa ra giải pháp để thực hiện một công việc nào đó Các dạng tri thức thủ tụctiêu biểu thường là các luật, chiến lược, lịch trình, và thủ tục

• Tri thức khai báo cho biết một vấn đề được thấy như thế nào Loại tri thức

này bao gồm các phát biểu đơn giản, dưới dạng các khẳng định logic đúnghoặc sai Tri thức khai báo cũng có thề là một danh sách các khẳng địnhnhằm mô tả đầy đủ hơn về đối tượng hay một khái niệm khái niệm nào đó

• Siêu tri thức mô tả tri thức về tri thức Loại tri thức này giúp lựa chọn tri

thức thích hợp nhất trong số các tri thức khi giải quyết một vấn đề Cácchuyên gia sử dụng tri thức này để điều chỉnh hiệu quả giải quyết vấn đềbằng cách hướng các lập luận về miền tri thức có khả năng hơn cả

• Tri thức heuristic mô tả các "mẹo" để dẫn dắt tiến trình lập luận Tri thức

heuristic còn được gọi là tri thức nông cạn do không bảm đảm hoàn toànchính xác về kết quả giải quyết vấn đề Các chuyên thường dùng các tri thứckhoa học như sự kiện, luật, … sau đó chuyển chúng thành các tri thứcheuristic để thuận tiện hơn trong việc giải quyết một số bài toán

• Tri thức có cấu trúc mô tả tri thức theo cấu trúc Loại tri thức này mô tả mô

hình tổng quan hệ thống theo quan điểm của chuyên gia, bao gồm khái niệm,

khái niệm con, và các đối tượng; diễn tả chức năng và mối liên hệ giữa cáctri thức dựa theo cấu trúc xác định.

1.2.3 Biểu diễn tri thức bằng luật dẫn

"NẾU điều kiện xảy ra THÌ hành động sẽ được thi hành".

Chẳng hạn : NẾU đèn giao thông là đỏ THÌ bạn không được đi thẳng, NẾUmáy tính đã mở mà không khởi động được THÌ kiểm tra nguồn điện, v.v…

Một cách tổng quát luật dẫn có dạng như sau:

P 1∧ P 2∧ ∧ Pn  Q

Tùy vào các vấn đề đang quan tâm mà luật sinh có những ngữ nghĩa hay cấutạo khác nhau :

• Trong logic vị từ : P1, P2, , Pn, Q là những biểu thức logic

• Trong ngôn ngữ lập trình, mỗi một luật sinh là một câu lệnh

IF (P 1 AND P 2 AND AND Pn) THEN Q.

Để biểu diễn một tập luật dẫn, người ta phải chỉ rõ hai thành phần chính sau:

(1) Tập các sự kiện F (Facts):

F = { f1, f2, fn } (2) Tập các quy tắc R (Rules) áp dụng trên các sự kiện dạng như sau :

f1 ^ f2 ^ ^ fi  q

Trong đó, các fi, q đều thuộc F

1.2.3.2 Cơ chế suy luận trên các luật sinh

Suy diễn tiến : là quá trình suy luận xuất phát từ một số sự kiện ban đầu, xác

định các sự kiện có thể được "sinh" ra từ sự kiện này

Suy diễn lùi : là quá trình suy luận ngược xuất phát từ một số sự kiện ban

đầu, ta tìm kiếm các sự kiện đã "sinh" ra sự kiện này Một ví dụ thường gặp trongthực tế là xuất phát từ các tình trạng của máy tính, chẩn đoán xem máy tính đã bịhỏng hóc ở đâu

Ví dụ: Trình bày một vận dụng của phương pháp hệ luật dẫn trong việc biểudiễn tri thức cho một hệ cơ sở tri thức ứng dụng “Chẩn đoán các vấn đề gây ra lỗi

để sửa chửa máy tính”

• Không sử dụng được máy tính

• Điện vào máy tính "có" hay "không"

Hình 2 Cơ chế suy diễn của suy diễn lùi

Như vậy là để xác định được nguyên nhân gây ra hỏng hóc là do ổ cứnghỏng hay cáp màn hình lỏng, hệ thống phải lần lượt đi vào các nhánh để kiểm tracác điều kiện như điện vào máy "có", âm thanh ổ cứng "không".Tại một bước, nếugiá trị cần xác định không thể được suy ra từ bất kỳ một luật nào, hệ thống sẽ yêucầu người dùng trực tiếp nhập vào Chẳng hạn như để biết máy tính có điện không,

hệ thống sẽ hiện ra màn hình câu hỏi "Bạn kiểm tra xem có điện vào máy tính

không (kiểm tra đèn nguồn)? (C/K)" Để thực hiện được cơ chế suy luận lùi, người

ta thường sử dụng ngăn xếp (để ghi nhận lại những nhánh chưa kiểm tra)

1.2.3.3 Ưu điểm và nhược điểm của biểu diễn tri thức bằng luật dẫn

Ưu điểm:

Biểu diễn tri thức bằng luật đặc biệt hữu hiệu trong những tình huống hệthống cần đưa ra những hành động dựa vào những sự kiện có thể quan sát được Nó

có những ưu điểm chính yếu sau đây:

• Các luật rất dễ hiểu nên có thể dễ dàng dùng để trao đổi với người dùng(vì nó là một trong những dạng tự nhiên của ngôn ngữ)

• Có thể dễ dàng xây dựng được cơ chế suy luận và giải thích từ các luật

• Việc hiệu chỉnh và bảo trì hệ thống là tương đối dễ dàng

• Có thể cải tiến dễ dàng để tích hợp các luật mờ

• Các luật thường ít phụ thuộc vào nhau

• Cơ sở tri thức luật sinh lớn sẽ làm giới hạn khả năng tìm kiếm củachương trình điều khiển Nhiều hệ thống gặp khó khăn trong việc đánhgiá các hệ dựa trên luật sinh cũng như gặp khó khăn khi suy luận trên luậtsinh

Dạng biểu diễn tri thức cổ điển nhất trong máy tính là logic, với hai dạng phổbiến là logic mệnh đề và logic vị từ Cả hai kỹ thuật này đều dùng ký hiệu để thểhiện tri thức và các toán tử áp lên các ký hiệu để suy luận logic Logic đã cung cấpcho các nhà nghiên cứu một công cụ hình thức để biểu diễn và suy luận tri thức Emxin nói chi tiết về logic vị từ

Logic vị từ là sự mở rộng của logic mệnh đề nhằm cung cấp một cách biểudiễn rõ hơn về tri thức Logic vị từ dùng ký hiệu để biểu diễn tri thức

Logic vị từ, cũng giống như logic mệnh đề, dùng các ký hiệu để thể hiện trithức Những ký hiệu này gồm hằng số, vị từ, biến và hàm

Hằng số: Các hằng số dùng để đặt tên các đối tượng đặc biệt hay thuộc

tính Nhìn chung, các hằng số được ký hiệu bằng chữ viết thường, chẳng hạn

an, bình, nhiệt độ Hằng số an có thể được dùng để thể hiện đối tượng An,

một người đang xét

Vị từ: Một mệnh đề hay sự kiện trong logic vị từ được chia thành 2 phần

là vị từ và tham số Tham số thể hiện một hay nhiều đối tượng của mệnh đề;

còn mệnh đề dùng để khẳng định về đối tượng Chẳng hạn mệnh đề "Namthích Mai" viết theo vị từ sẽ có dạng:

thích(nam, mai)Với cách thể hiện này, người ta dùng từ đầu tiên, tức "thích", làm vị từ Vị từcho biết quan hệ giữa các đối số đặt trong ngoặc Đối số là các ký hiệu thaycho các đối tượng của bài toán Theo quy ước chuẩn, người ta dùng các chữthường để thể hiện các đối số

Biến: Các biến dùng để thể hiện các lớp tổng quát của các đối tượng hay

thuộc tính Biến được viết bằng các ký hiệu bắt đầu là chữ in hoa Như vậy,

có thể dùng vị từ có biến để thể hiện nhiều vị từ tương tự

Ví dụ:

Có hai mệnh đề tương tự "Nam thích Mai" và "Bắc thích Cúc" Hai

biến X, Y dùng trong mệnh đề thích(X, Y).

Các biến nhận giá trị sẽ được thể hiện qua X=Nam, Bắc; Y=Mai, Cúc.Trong phép toán vị từ người ta dùng biến như đối số của biểu thức vị

từ hay của hàm

Hàm: Logic vị từ cũng cho phép dùng ký hiệu để biểu diễn hàm Hàm mô

tả một ánh xạ từ các thực thể hay một tập hợp đến một phần tử duy nhất củatập hợp khác Ví dụ, các hàm sau đây được định nghĩa nhằm trả về một giátrị xác định:

cha(sơn) = Nam mẹ(sơn) = Mai

Phép toán: Logic vị từ cũng dùng các phép toán như logic mệnh đề

Ví dụ:

thích(X,Y) AND thích(Z,Y) -> thích(X,Z)

CHƯƠNG 2 : THU THẬP TRI THỨC VÀ ỨNG DỤNG PROLOG XÂY DỰNG

HỆ CHUẨN ĐOÁN BỆNH THƯỜNG GẶP Ở TRẺ EM

2.1 Thu thập tri thức các bệnh thường gặp ở trẻ em

2.1.1 Bệnh sởi

* Triệu chứng: sốt, phát ban lúc đầu ở mặt sau đó lan ra toàn thân, khi bansởi biến mất sẽ để lại những vết thâm da Ngoài ra trẻ còn có một số triệu chứngkèm theo gồm chảy mũi, ho và đỏ mắt

* Biến chứng: những biến chứng có thể gặp phải là viêm phổi, viêm não,viêm tai giữa, tiêu chảy, mờ giác mạc, viêm thanh quản, suy dinh dưỡng nặng

* Chăm sóc:

+ Cho bé uống thuốc hạ sốt khi nhiệt độ ≥ 38.5oC, liều lượng thuốcdùng được tính là 10 - 15 mg cho mỗi kí lô cân nặng của trẻ

+ Nếu bé ho có thể cho dùng thuốc giảm ho

+ Chế độ ăn uống phải đầy đủ chất dinh dưỡng và có thể chia nhỏ khẩuphần ăn làm nhiều lần trong ngày

+ Giữ vệ sinh tốt để tránh nhiễm thêm vi trùng

* Biến chứng: Trẻ nhiễm rubella thường có triệu chứng nhẹ và tự khỏi bệnh,

ít khi xảy ra biến chứng Nhưng đối với phụ nữ khi mang thai bị bệnh rubella, đứatrẻ sinh ra sẽ có nhiều nguy cơ mắc các dị tật bẩm sinh như điếc, mù, bệnh tim bẩmsinh hoặc kém phát triển

* Chăm sóc:

+ Cho dùng thuốc hạ sốt khi trẻ sốt

+ Nâng sức đề kháng: ăn uống hợp lý, dùng thêm nước trái cây nhưnước cam, nước chanh

+ Giữ gìn vệ sinh cho trẻ

+ Bóng nước gây ngứa dữ dội

+ Bóng nước xuất hiện ở thân mình, sau đó tiến đến vùng đầu mặt, taychân

+ Bóng nước xuất hiện ở niêm mạc miệng, cơ quan sinh dục

+ Sau khoảng 5 ngày, những bóng nước này vỡ ra và đóng mài

* Biến chứng:

+ Để lại những sẹo rỗ trên da

+ Viêm mô tế bào do nhiễm thêm vi trùng

+ Viêm phổi

+ Viêm não

* Chăm sóc:

+ Cho trẻ nghỉ ngơi, mặc quần áo thoáng mát

+ Dùng thuốc hạ sốt nhưng lưu ý tuyệt đối không dùng aspirine

+ Cho trẻ ngâm trong bồn nước ấm 1 – 3 lần mỗi ngày, lau nhẹ ngườibằng vải mềm, chú ý không làm vỡ bóng nước

+ Giữ gìn vệ sinh cá nhân để phòng ngừa nhiễm thêm vi trùng

+ Cắt ngắn móng tay cho trẻ, dạy trẻ không được gãi, trẻ nhỏ nên đượcđeo găng tay để không tự làm vỡ bóng nước

+ Cách ly trẻ bệnh khoảng 5 - 7 ngày để tránh lây lan

2.1.5 Bệnh sốt xuất huyết

* Triệu chứng: Sốt cao, có chấm xuất huyết dưới da thường gặp nhiều nhất ởhai chân; và dấu hiệu gan to Ngoài những dấu hiệu vừa kể, trẻ nhỏ bị SXH còn cócác dấu hiệu không đặc hiệu như ho, sổ mũi và tiêu chảy

* Biến chứng:

Những biến chứng do sốt kéo dài, bệnh nhân nhập viện muộn dễ dẫn tới tìnhtrạng sốc kéo dài, gây co giật, suy hô hấp Khi xuất huyết tiêu hóa nhiều kèm xuấthuyết não và tổn thương đa cơ quan (do sốc) rất dễ dẫn đến việc bệnh nhân tử vong

* Chăm sóc:

+ Cho trẻ uống thuốc hạ sốt Paracetamol, lau mát bằng nước ấm đểtránh biến chứng sốt cao co giật

+ Uống nhiều nước như nước cam, chanh, oresol, nước sôi để nguội,vẫn tiếp tục cho bú sữa, cho ăn cháo, bột

+ Theo dõi vào thời điểm khi trẻ hết sốt xem có biểu hiện trở nặng lại.Nếu trẻ vẫn có dấu hiệu trở nặng như ói mửa nhiều, bứt rứt, quấy khóc, bỏ bú, taychân lạnh, tím, vã mồ hôi, ói ra máu, đi tiêu ra máu phải đưa trẻ đến bệnh viện đểđược điều trị kịp thời

2.2 Xây dựng cơ sở tri thức dựa trên luật

2.2.1 Mô tả tri thức dữ liệu bệnh bằng tập luật

Giả thiết Kết luận

R1 IF Phát ban

AND Sốt AND Chảy mũi AND Ho

AND Đỏ mắt

THEN Bệnh sởi

R2 IF Sưng tuyến mang tai

AND Đau nhức khi nhai AND Sốt

AND Nhức đầu

THEN Bệnh quai bị

R3 IF Sưng hạch

AND Phát ban AND Sốt AND Đau khớp

THEN Bệnh rubella

R4 IF Hồng ban

AND Bóng nước AND Đau họng AND Nhức đầu AND Sốt

THEN Bệnh thủy đậu

R5 IF Có chấm xuất huyết

AND Gan to

THEN Bệnh sốt xuất huyết

2.2.2 Hình ảnh mô tả các triệu chứng của từng bệnh

2.2.3 Sơ đồ mô phỏng chương trình chẩn đoán bệnh

2.3 Xây dựng ứng dụng hệ chuẩn đoán bệnh trẻ em bằng Prolog và C#

2.3.1 Công cụ phát triển hệ cơ sở tri thức

Chọn ngôn ngữ lập trình trí tuệ nhân tạo Prolog (PROgramming in LOGic)

để phát triển tri thức, giải quyết các bài toán liên quan đến các đối tượng (object) và

mối quan hệ (relation) giữa chúng Đồng thời kết hợp với ngôn ngữ lập trình C#

trên môi trường Windows Forms để tạo giao diện thân thiện cho phép người dùng

có thể tương tác dễ dàng với hệ thống chuẩn đoán bệnh

2.3.2 Phát biểu dưới dạng logic vị từ về bệnh

X là các triệu chứng của bệnh sởi trieuchungsoi(X)

X là các triệu chứng của bệnh quai bị trieuchungquaibi(X)

X là các triệu chứng của bệnh rubella trieuchungrubella(X)

X là các triệu chứng của bệnh thủy đậu trieuchungthuydau(X)

X là các triệu chứng của bệnh sốt xuất

X là các triệu chứng của một loại bệnh trẻ

em Y

trieuchungbenhtreem(X,Y)

Trẻ mắc bệnh sởi khi có những triệu

chứng của bệnh sởi ∀X trieuchungsoi(X) →

trieuchungbenhtreem(X, soi)Trẻ mắc bệnh quai bị khi có những triệu

chứng của bệnh quai bị ∀X trieuchungquaibi(X) →

trieuchungbenhtreem(X, quaibi)Trẻ mắc bệnh rubella khi có những triệu

chứng của bệnh rubella ∀X trieuchungrubella(X) →

trieuchungbenhtreem(X, rubella)Trẻ mắc bệnh thủy đậu khi có những triệu

chứng của bệnh thủy đậu ∀Xtrieuchungthuydau(X) →

trieuchungbenhtreem(X, thuydau)Trẻ mắc bệnh sốt xuất huyết khi có những

triệu chứng của bệnh sốt xuất huyết

∀X trieuchungsotxuathuyet (X) → trieuchungbenhtreem(X, sotxuathuyet)