基于知识图谱的医疗知识问答系统

一、项目概述

本项目基于医疗方面知识的问答，通过搭建一个医疗领域知识图谱，并以该知识图谱完成自动问答与分析服务。本项目以neo4j作为存储，基于传统规则的方式完成了知识问答，并最终以关键词执行cypher查询，并返回相应结果查询语句作为问答。
问答系统完全基于规则匹配实现，通过关键词匹配，对问句进行分类，医疗问题本身属于封闭域类场景，对领域问题进行穷举并分类，然后使用cypher的match去匹配查找neo4j，根据返回数据组装问句回答，最后返回结果。

二、实现知识图谱的医疗知识问答系统基本流程

1、Node4j软件的安装和使用。
2、数据预处理方法。
3、Python处理数据方法。
4、能够实现一个知识图谱问答系统。

三、项目工具所用的版本号

Node4j-4.4.5，Python，JDK1.8

四、Node4j实验环境的安装配置

(一)安装JAVA
1.下载java安装包：
官网下载链接：https://www.oracle.com/java/technologies/javase-downloads.html
在这里插入图片描述
本人下载的版本为JDK-1.8,JDK版本的选择一定要恰当，版本太高或者太低都可能导致后续的neo4j无法使用。

安装好JDK之后就要开始配置环境变量了。配置环境变量的步骤如下：
右键单击此电脑—点击属性—点击高级系统设置—点击环境变量
在这里插入图片描述
在下方的系统变量区域，新建环境变量，命名为JAVA_HOME，变量值设置为刚才JAVA的安装路径，我这里是C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_211

编辑系统变量区的Path，点击新建，然后输入 %JAVA_HOME%\bin

打开命令提示符CMD（WIN+R,输入cmd)，输入 java -version，若提示Java的版本信息，则证明环境变量配置成功。
在这里插入图片描述
2.安装好JDK之后，就可以安装neo4j了
2.1 下载neo4j
官方下载链接：https://neo4j.com/download-center/#community
也可以直接下载我上传到云盘链接：
Neo4j Desktop Setup 1.4.15.exe
https://www.aliyundrive.com/s/huXS4HXMn9V
提取码: 36vf

打开之后会有一个自己设置默认路径，可以根据自己电脑情况自行设置，然后等待启动就行了
在这里插入图片描述
打开之后我们新建一个数据库，名字叫做：“基于医疗领域的问答系统”
详细信息看下图:
数据库所用的是4.4.5版本，其他数据库参数信息如下：

项目结构整体目录:
├── pycache \编译结果保存目录
│ ├── answer_search.cpython-39.pyc
│ ├── question_classifier.cpython-39.pyc
│ └── question_parser.cpython-39.pyc
├── answer_search.py
├── build_medicalgraph.py \知识图谱数据入库脚本
├── chatbot_graph.py \问答程序脚本
├── data
│ └── medical.json \本项目的数据，通过build_medicalgraph.py导neo4j
│ └── medical2.json\本项目的部分数据，通过build_medicalgraph.py导neo4j
├── dict
│ ├── check.txt \诊断检查项目实体库
│ ├── deny.txt \否定词词库
│ ├── department.txt \医疗科目实体库
│ ├── disease.txt \疾病实体库
│ ├── drug.txt \药品实体库
│ ├── food.txt \食物实体库
│ ├── producer.txt \在售药品库
│ └── symptom.txt \疾病症状实体库
├── prepare_data
│ ├──__pycache__
│ ├── build_data.py \数据库操作脚本
│ ├── data_spider.py \网络资讯采集脚本
│ └── max_cut.py \基于词典的最大向前/向后脚本
│ ├── 处理后的medical数据.xlsx
│ ├── MongoDB数据转为json格式数据文件.py
│ ├──从MongoDB导出的medical.csv
│ ├──data.json #从MongoDB导出的json格式数据
├── question_classifier.py \问句类型分类脚本
├── answer_search.py \基于问题答复脚本
├── build_medicalgraph.py \构建医疗图谱脚本
├── chatbot_graph.py \小艺问答系统机器人脚本
├── question_parser.py \基于问句解析脚本
├── 删除所有关系.py
├── 删除关系链.py
├── 两节点新加关系.py
├── 交互匹配所有节点.py
├── 更新节点.py

这里chatbot_graph.py脚本首先从需要运行的chatbot_graph.py文件开始分析。
该脚本构造了一个问答类ChatBotGraph，定义了QuestionClassifier类型的成员变量classifier、QuestionPase类型的成员变量parser和AnswerSearcher类型的成员变量searcher。

question_classifier.py脚本构造了一个问题分类的类QuestionClassifier，定义了特征词路径、特征词、领域actree、词典、问句疑问词等成员变量。
question_parser.py问句分类后需要对问句进行解析。
该脚本创建一个QuestionPaser类，该类包含三个成员函数。
answer_search.py问句解析之后需要对解析后的结果进行查询。
该脚本创建了一个AnswerSearcher类。与build_medicalgraph.py类似，该类定义了Graph类的成员变量g和返回答案列举的最大个数num_list。
该类的成员函数有两个，一个查询主函数一个回复模块。

问答系统框架的构建是通过chatbot_graph.py、answer_search.py、question_classifier.py、question_parser.py等脚本实现。

五、系统实现具体步骤

1）数据来源，爬取数据来源。
安装MongoDB数据库：
MongoDB官方下载地址：
https://www.mongodb.com/try
在这里插入图片描述

安装完成：

进行MongoDB环境配置：
在变量Path里加入E:\MongoDB\bin

打开终端（cmd）输入mongod --dbpath E:\MongoDB\data\db

在浏览器输入

127.0.0.1:27017

查看MongoDB服务是否启动成功：

在这里插入图片描述
安装好MongoDB之后开始爬取数据：
数据来源于寻医问药网：http://jib.xywy.com/

具体的疾病详情页面如下：
首先对网址上的疾病链接进行分析，以感冒为例：
感冒的链接：http://jib.xywy.com/il_sii_38.htm

可以看到，上面包含了疾病的简介、病因、预防、症状、检查、治疗、并发症、饮食保健等详情页的内容。下面我们要使用爬虫把信息收集起来。
通过观察可以看出，链接部分 http://jib.xywy.com/il_sii_ 都是相同的，是通过数字的叠加来组成不同的病例。通过string类型的拼接进行循环后可以得到我们需要的内容。
数据收集模块放在/prepare_data文件夹下面。
要收集 url 下面对应的数据，具体爬虫代码如下：在这里插入图片描述

需要爬取的信息包括疾病名、所属目录、症状、治疗方案等等，都可以从页面上获取。

在MongoDB中查看爬取到的疾病链接和解析出的网页内容：

2）原始数据的处理。
定义一个max_cut.py文件来进行词语的切分，其中包含了最大向前匹配，最大向后匹配，双向最大向前匹配。在这里插入图片描述

然后通过collect_medical函数完成数据的收集整理工作。
再将整理好的数据重新存入数据库中。
在init文件里配置数据库连接，找到当前文件所在的目录，指定连接的数据库及其下面的collection。

再利用python脚本导出爬出的医疗数据并设置格式为data.json格式文件：
在这里插入图片描述

处理数据后对应的图谱系统数据关键词：

在这里插入图片描述

将从MongoDB导出的data.json数据格式处理之后保存为medical.json和medical2.json文件，其中medical2.json为medical.json中的部分数据。
考虑到构建全部知识图谱需要很久，所以取出一部分数据（medical2.json）先进行构建图谱。
在这里插入图片描述

处理后结构化的数据保存到excel文件: 在这里插入图片描述

3）所搭建的系统框架，包括知识图谱实体类型，实体关系类型，知识图谱属性类型等。
知识图谱实体类型:

departments = [] #科室diseases = []  # 疾病drugs = []  # 药品foods = []  # 食物producers = [] #药品大类symptoms = []#症状

在这里插入图片描述

实体关系类型:
在这里插入图片描述

# 构建节点实体关系，共11类，medical2做出来的只有10类，因为数据量少rels_department = []rels_noteat = [] # 疾病－忌吃食物关系rels_doeat = [] # 疾病－宜吃食物关系rels_recommandeat = [] # 疾病－推荐吃食物关系rels_commonddrug = [] # 疾病－通用药品关系rels_recommanddrug = [] # 疾病－热门药品关系rels_check = [] # 疾病－检查关系rels_drug_producer = [] # 厂商－药物关系rels_symptom = [] #疾病症状关系rels_acompany = [] # 疾病并发关系rels_category = [] #　疾病与科室之间的关系

知识图谱属性类型：

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

4）导入Neo4j数据库，生成图谱。
新建一个数据库：基于医疗领域的问答系统
开启Node4j数据库:

连接我们所建的neo4j数据库：
知识图谱数据入库：
根据字典形式的数据创建结点，以疾病为中心定义关系形成三元组表示的知识，将结点和关系导入neo4j数据库形成知识图谱，通过运行build_medicalgraph.py脚本构建图谱：在这里插入图片描述
建立实体关系类型：

该脚本构建了一个MedicalGraph类，定义了Graph类的成员变量g和json数据路径成员变量data_path。

建立的图谱实体关系和属性类型数量有点多，需要等待一会。在这里插入图片描述
脚本运行完之后查看neo4j数据库中构建的知识图谱：

 match (n) return n

在这里插入图片描述

提示：Not all return nodes are being displayed due to Initial Node Display setting. Only 3000 of 44112 nodes are being displayed
由于“初始节点显示”设置，并非所有返回节点都显示。44112个节点中仅显示3000个
这里因为我设置的参数只显示前3000个，4万多个节点只显示了一部分。

对于单个节点分析是先建一个label为disease、name为疾病名称的node，property方面包括prevent、cure_way、cause等等，另外，对于症状、科室、检查方法等信息都建立单独的node，同时通过has_symptom、belongs_to、need_check等关联把它们和疾病名称关联起来，因为疾病之间存在并发关系，疾病之间也可以通过症状串联起来，所以最后我们利用大量的
医疗数据，就能构建一个大型的医疗知识图谱：
在这里插入图片描述

提示：Started streaming 44112 records in less than 1 ms and completed in less than 1 ms.
在不到1毫秒内开始流式传输44112条记录，并在不到1秒内完成。

5）Python 与Neo4j的交互实现。
连接Node4j数据库：

from py2neo import Graph
class AnswerSearcher:def __init__(self):#调用数据库进行查询# self.g = Graph("bolt://localhost:7687", username="neo4j", password="123456")#老版本neo4jself.g = Graph("bolt://localhost:7687", auth=("neo4j", "123456"))#输入自己修改的用户名，密码self.num_limit = 20#最多显示字符数量

在这里插入图片描述

创建图对象：

class MedicalGraph:def __init__(self):cur_dir = '/'.join(os.path.abspath(__file__).split('/')[:-1])self.data_path = os.path.join(cur_dir, 'data/medical.json')# self.g = Graph("http://localhost:7474", username="neo4j", password="123456")self.g = Graph("bolt://localhost:7687", auth=("neo4j", "123456"))

在这里插入图片描述
增加node节点:

 def create_node(self, label, nodes):count = 0for node_name in nodes:node = Node(label, name=node_name)self.g.create(node)count += 1print(count, len(nodes))return

在这里插入图片描述

创建实体关系：

  def create_graphrels(self):Drugs, Foods, Checks, Departments, Producers, Symptoms, Diseases, disease_infos, rels_check, rels_recommandeat, rels_noteat, rels_doeat, rels_department, rels_commonddrug, rels_drug_producer, rels_recommanddrug,rels_symptom, rels_acompany, rels_category = self.read_nodes()self.create_relationship('Disease', 'Food', rels_recommandeat, 'recommand_eat', '推荐食谱')#调用下面的关系边创建函数self.create_relationship('Disease', 'Food', rels_noteat, 'no_eat', '忌吃')self.create_relationship('Disease', 'Food', rels_doeat, 'do_eat', '宜吃')self.create_relationship('Department', 'Department', rels_department, 'belongs_to', '属于')self.create_relationship('Disease', 'Drug', rels_commonddrug, 'common_drug', '常用药品')self.create_relationship('Producer', 'Drug', rels_drug_producer, 'drugs_of', '生产药品')self.create_relationship('Disease', 'Drug', rels_recommanddrug, 'recommand_drug', '好评药品')self.create_relationship('Disease', 'Check', rels_check, 'need_check', '诊断检查')self.create_relationship('Disease', 'Symptom', rels_symptom, 'has_symptom', '症状')self.create_relationship('Disease', 'Disease', rels_acompany, 'acompany_with', '并发症')self.create_relationship('Disease', 'Department', rels_category, 'belongs_to', '所属科室')

在这里插入图片描述
更新节点：
更新先要找出Nodes，再使用事务的push更新

from py2neo import Graph, Node, Relationship, NodeMatcher, Subgraphg = Graph('http://localhost:7687', auth=("neo4j", "123456"))from py2neo import Graph, NodeMatchertx = g.begin()# 找到要找的Nodes
matcher = NodeMatcher(g)init_node = matcher.match("Person", name="节点名称")
new_node = init_node.first()
new_node['name'] = "新的节点名称"
sub = Subgraph(nodes=[new_node])
tx.push(sub)
g.commit(tx)from py2neo import Graph, Node, Relationship, NodeMatcher, Subgraphg = Graph('http://localhost:7687', auth=("neo4j", "123456"))from py2neo import Graph, NodeMatchertx = g.begin() # 找到要找的Nodes
matcher = NodeMatcher(g)init_node = matcher.match("Person", name="节点名称")
new_node = init_node.first()
new_node['name'] = "新的节点名称"
sub = Subgraph(nodes=[new_node])
tx.push(sub)
g.commit(tx)

在这里插入图片描述
删除关系链(节点也会删除)：

from py2neo import Graph, Node, Relationship, NodeMatcher, Subgraph, RelationshipMatcherg = Graph('http://localhost:7687', auth=("neo4j", "123456"))matcher = NodeMatcher(g)
r_matcher = RelationshipMatcher(g)
fugui = matcher.match('Person', name='name1').first()
youqian = matcher.match('Person', name='name2').first()relation = r_matcher.match(nodes=[fugui, youqian]).first() #也可以是none,表示任意节点
print(relation)
g.delete(relation)

在这里插入图片描述
两个节点新加关系：

from py2neo import Graph, Node, Relationship, NodeMatcher, Subgraphg = Graph('http://localhost:7687', auth=("neo4j", "123456"))matcher = NodeMatcher(g)fugui = matcher.match('Person', name='节点名称1').first()
youqian = matcher.match('Person', name='节点名称2').first()relation = Relationship(节点名称1, '所要建立的关系', 节点名称2)g.create(relation)

在这里插入图片描述
6）问答系统的实现与测试，包括问答系统·支持的问答类型，实现方法与步骤。
本项目问答对话系统的分析思路，整体上接近一个基于规则的对话系统，首先我们需要对用户输入进行分类，其实就是分析用户输入涉及到的实体及问题类型，也就是Neo4j中的node、property、relationship，然后我们利用分析出的信息，转化成Neo4j的查询语句，最后再把查询的结果返回给用户，就完成了一次问答。
本项目问答系统支持的问答类型：在这里插入图片描述
问答系统整体上涉及到三个模块，问题的分类、问题的解析以及回答的搜索。

对于property和relationship，我们先预设定一系列的问句疑问词，从而对问句的每个词进行对比分析，判断出问句的类型在这里插入图片描述
然后，根据问句的类型和之前识别出来的实体，基于规则推断出property和relationship：
把问题转化为Neo4j的Cypher语句，其实也是预先写好Cypher语句的模板，根据实际的情况把之前分析得到的node、property、relationship填入Cypher语句中进行查询。在这里插入图片描述
得到了Cypher语句，我们就能连接Neo4j数据库进行查询，得到结果之后，还需要对语句进行一点微调，根据对应的qustion_type，调用相应的回复模板：
问答框架包含问句分类、问句解析、查询结果三个步骤，具体一步步分析。
首先是问句分类，是通过question_classifier.py脚本实现的。
再通过question_parser.py脚本进行问句分类后对问句进行解析。
然后通过answer_search.py脚本对解析后的结果进行查询
最后通过chatbot_graph.py脚本进行问答实测。

执行chatbot_graph.py脚本后出现：
“请输入您所要咨询的问题小艺会帮您解决:” 在这里插入图片描述我们输入一个简单的问题：感冒应该怎么治疗？
问答系统返回的结果如下：

再试试其它的问题：比如什么是苯中毒等等
问答系统返回结果如下：
经过测试本问答系统能回答的问题有很多，基于问句中存在的关键词回答效果表现很好。做出来的基于知识图谱的医疗知识问答系统能够根据用户提出的问题很好的进行解答。

在这里插入图片描述
做出来的问答系统还是很Nice的。本项目问答系统的主要特征是知识图谱，系统依赖一个或多个领域的实体，并基于图谱进行推理或演绎，深度回答用户的问题，更擅长回答知识性问题，与基于模板的聊天机器人有所不同的是它更直接、直观的给用户答案。本项目问答系统没有复杂的算法，一般采用模板匹配的方式寻找匹配度最高的答案，可以直接给出答案。