我们提出了一种从临床病例报告中提取描述生物医学概念文本的方案及相应的元数据模板。通过该方案生成的结构化文本数据可用于对数千份临床叙述进行深度分析。
我们提出了一种从临床病例报告中提取描述生物医学概念文本的方案及相应的元数据模板。通过该方案生成的结构化文本数据可用于对数千份临床叙述进行深度分析。
临床病例报告(CCRs)是医学领域分享观察结果和见解的重要方式。这类文档的形式各不相同,内容涵盖多种新颖的疾病表现和治疗方法的描述。迄今为止,CCRs 中的文本数据大多为非结构化形式,需要大量人力和计算资源才能将其转化为可用于深入分析的有效数据。在本方案中,我们描述了识别 CCRs 中常见特定生物医学概念对应元数据的方法。我们提供了一个元数据模板,用以指导文档标注,并认识到对 CCRs 施加结构化可结合人工与自动化手段共同实现。本文提出的方法适用于从大规模文献语料库(例如,数千份 CCRs)中组织与概念相关的文本,也可轻松调整以支持更聚焦的任务或少量报告的处理。所生成的结构化文本数据包含足够的语义上下文,可支持多种后续文本分析工作流程:通过荟萃分析确定如何最大化 CCR 的细节信息、开展罕见病的流行病学研究,以及构建医学语言模型等任务,均可借助结构化文本数据而变得更加可行和易于管理。
临床病例报告(CCRs)是医学领域分享观察结果和见解的基本方式。这些报告为临床医生和医学生提供了基础的交流与教育机制。历史上,临床病例报告还曾记录新兴疾病的发现、治疗方法及其遗传背景1,2,3,4。例如,路易·巴斯德(Louis Pasteur)于1885年首次治疗人类狂犬病5,6,以及青霉素在患者中的首次应用7,均通过临床病例报告发表。截至2018年4月,已有超过187万篇临床病例报告发表,其中过去十年内发表的超过50万篇;期刊仍在持续为这类报告提供新的发表平台8。尽管临床病例报告在形式和内容上具有独特性,但其所包含的文本数据大多为非结构化,词汇量庞大,且涉及相互关联的现象,限制了其作为结构化资源的利用。要从临床病例报告中提取详细的元数据(即 "关于数据的数据",在本语境下指对文档内容的描述),并将其建立为可发现、可访问、可互操作和可重用(FAIR)9的数据资源,需要投入大量努力。
本文描述了一种从已发表的临床病例报告(CCR)中提取文本和数值的方法,旨在标准化特定生物医学概念的描述。该方法包括一个用于指导标注工作的元数据模板;此流程的总体概述见图1。将该标注流程应用于大量报告(例如,数千份特定类型的疾病表现报告),可汇总形成一组结构清晰、易于管理的标注临床文本集合,从而实现对每份临床报告中嵌入的机器可读文档和生物医学现象的提取。尽管HL7提供的数据格式(例如,消息传递标准第3版10或快速医疗互操作性资源[FHIR]11)、LOINC12以及《国际疾病与相关健康问题统计分类》第10版(ICD-10)13为临床观察结果的描述与交换提供了标准,但这些标准并未涵盖围绕这些数据的原始文本内容,也并非为此目的而设计。本方法所得结果最适合用于在CCR中强加结构化格式,并促进后续分析、通过受控词汇表和编码系统(例如,ICD-10)进行规范化处理,和/或转换为上述临床数据格式。
在生物医学和临床信息学领域,临床病例报告(CCR)的挖掘是一个活跃的研究方向。尽管此前已有一些标准化病例报告结构的提议(例如,采用HL7 v2.514或标准化表型术语15),这些努力值得肯定,但可以预见的是,临床病例报告仍将继续沿用多种不同的自然语言形式和文档格式,正如过去一个世纪以来的情况一样。在理想情况下,新的病例报告作者会遵循CARE指南16,以确保报告内容全面。因此,能够同时敏感地处理自然语言及其与医学概念之间关系的方法,可能在处理新发表和存档的病例报告时最为有效。诸如CRAFT17以及由“整合生物学与临床信息学”(i2b2)项目18生成的资源等,虽可支持自然语言处理(NLP)方法的发展,但并未专门针对临床病例报告或临床叙述内容。类似地,已开发的医学自然语言处理工具如cTAKES19和CLAMP20,通常仅用于识别文档中的特定词语或短语(即实体),而非临床病例报告中常见的广泛医学概念。
我们设计了一个标准化的元数据模板,用于整合临床对照报告(CCR)中常见的特征。该模板定义了用于构建 CCR 结构的特征——这是对文档内容进行深入比较的基本前提,同时保留了足够的灵活性以维持语义上下文。尽管我们设计的此模板格式适用于人工标注和计算机辅助文本挖掘,但我们特别注重使其对人工标注者而言易于使用。我们的方法明显不同于更为复杂的框架(因此对未经训练的研究人员而言不够直观),例如 FHIR21。以下方案描述了如何提取与每个模板数据类型相对应的文档特征,其中一组值对应于单份 CCR 中的内容。
模板中的数据类型通常是用于描述临床病例报告(CCRs)及以患者为中心的医疗文档中最具有代表性的类型。对这些特征进行标注,主要通过赋予文本结构化特征,从而提升CCRs文本的可发现性、可访问性、互操作性和可重用性。这些数据类型分为四大类别:文档与标注标识、病例报告标识即, 文档级属性)、医学内容概念(主要是概念级属性)以及致谢(即, 提供资助证据的特征)。在此标注过程中,每份文档包含一份完整文本的CCR,省略与该案例无关的任何文档内容材料例如, 实验方案)。每篇CCR通常少于1000词;理想情况下,同一语料库应由同一书目数据库索引,且使用同一种书面语言。
将此处所述方法应用于临床对照报告(CCR)语料库时,所得结果为一组结构化的带注释临床文本。尽管该方法可完全由人工执行,且专为无需任何信息学背景的领域专家设计,但它亦可与上述自然语言处理方法相辅相成,提供适用于计算分析的数据。此类分析可能不仅对经常阅读CCR的研究人员具有意义,也对以下领域的科研人员具有参考价值:
对CCR施加结构有助于进一步理解医学语言和生物医学现象的多项后续研究。
1. 文档与注释识别
注意:本类别中的数值可支持注释过程。
2. 病例报告识别
注意:本类别中的数值提供文档级别的特征,有助于提升文档的可发现性。
3. 医学内容
注意:本类别中的数值用于标识文档级、概念级和文本级特征,旨在提升文档的可访问性、互操作性与可重用性。这些特征提供了观察文档内容之间概念和语义相似性的方法,重点关注生物医学主题和事件。本节大多数类别可包含多个文本陈述,每个陈述应使用分号隔开。
4. 致谢
说明:本类别中的数值用于标识文档级别的特征,但在不同出版物之间结构一致性较差。它们提供了有关支持临床研究(CCR)及相关工作的资助机构的详细信息。本类别还包括一篇文章所引用的参考文献总数字段:旨在提供一个粗略的指标,用以衡量该文档与其他任何类型的生物医学文献之间在概念上的关联程度。在本部分的四种数据类型中,请提供以下内容。
注释过程的一个示例如图2所示。本案例22描述了由细菌病原体Burkholderia thailandensis引起感染的表现。作为参考,本CCR的相关部分内容以纯文本格式提供在补充文件1中;本报告中还呈现了一些研究结果,供对比参考。在实际操作中,将HTML或PDF格式的报告转换为纯文本格式,可能有助于提高元数据提取的效率和便捷性。
提供了两组已完成的 CCR 元数据注释示例 表 2第一个示例为模拟数据,用于说明每个值的理想格式,而第二个示例则包含从已发表的关于罕见病肠病性肢端皮炎的临床病例报告(CCR)中提取的实际数值。23.

图1. 病例报告标注的工作流程。 本文所述方案提供了一种用于识别临床病例报告中常见文本特征的方法。该过程需要构建一个文档语料库。将标注过程的结果汇总为单个文件后,即可识别出与病例报告中医学概念及其描述相关的文本特征。请点击此处查看该图的放大版本。

图2. 临床病例报告中特定概念文本的识别。 从一份病例报告的文本开始,人工标注者可逐段阅读文档,识别出与元数据模板中每个组成部分相对应的文本片段。识别特征以蓝色高亮显示。对应医学概念的文本以红色标出,并标注其类型;第三列中所有高亮文本均属于病理学(Pathology)类型。请点击此处查看该图的放大版本。
| 类别 | 描述 | ICD-10 章节 | ICD-10 编码范围 |
| cancer | 任何类型的癌症或恶性肿瘤。 | II | C00-D49 |
| nervous | 脑、脊髓或神经系统的任何疾病。 | VI | G00-G99 |
| cardiovascular | 心脏或血管系统的任何疾病。不包括血液系统疾病。 | IX | I00-I99 |
| musculoskeletal and rheumatic | 肌肉、骨骼系统、关节和结缔组织的任何疾病。 | XIII | M00-M99 |
| digestive | 胃肠道及消化器官的任何疾病,包括肝脏和胰腺。 | XI | K00-K95 |
| obstetrical and gynecological | 与妊娠、分娩、女性生殖系统或乳房相关的任何疾病。 | XIV; XV | O00-O9A; N60-N98 |
| infectious | 由感染性微生物引起的任何疾病。 | I | A00-B99 |
| respiratory | 肺部和呼吸道的任何疾病。 | X | J00-J99 |
| hematologic | 血液、骨髓、淋巴结或脾脏的任何疾病。 | III | D50-D89 |
| kidney and urologic | 肾脏或膀胱的任何疾病,包括输尿管;以及男性生殖器官的任何疾病,包括前列腺。 | XIV | N00-N53; N99 |
| endocrine | 内分泌腺的任何疾病,以及代谢紊乱。 | IV | E00-E89 |
| oral and maxillofacial | 涉及口腔、颌骨、头部、面部或颈部的任何病症。 | XI; XIII | K00-K14; M26-M27 |
| eye | 涉及眼睛的任何病症,包括失明。 | VII | H00-H59 |
| otorhinolaryngologic | 耳、鼻和/或喉的任何病症。 | VIII | H60-H95; J30-J39 |
| skin | 皮肤的任何疾病。 | XII | L00-L99 |
| rare | 专用于罕见病报告的特殊类别,定义为在美国影响少于20万人的疾病(参见 https://rarediseases.info.nih.gov/diseases) | NA | NA |
表1. 文档标注的疾病分类。 此处列出的分类将用于文档元数据模板中的“疾病系统”数据类型。由于每种疾病表现可能涉及多个器官系统或病因,因此单个临床病例报告可能对应多个分类。这些分类主要参照《国际疾病分类第十次修订本》(ICD-10)编码系统中用于区分各章节的分类方式:文中提供了相应的ICD-10章节及编码范围。某些分类(如口腔与颌面疾病)对应ICD-10系统的多个部分。
| 数据类型 | 示例 #1 | 示例 #2 (Cameron 和 McClain 1986) |
| 文档与注释标识 | ||
| 内部编号 | CCR005 | CCR2000 |
| 注释日期 | 2018年3月2日 | 2018年3月1日 |
| 病例报告标识 | ||
| 标题 | 一例心内膜炎病例。 | 肠病性肢端皮炎的眼部组织病理学。 |
| 作者 | Grant AB;Chang CD | Cameron JD;McClain CJ |
| 年份 | 2017 | 1986 |
| 期刊 | World Journal of Medicine and Case Reports | British Journal of Ophthalmology |
| 机构 | 美国马萨诸塞州波士顿市第一综合医院医学部心脏病学分部 | 明尼苏达大学医学院眼科系,明尼苏达州明尼阿波利斯市,邮编55455 |
| 通讯作者 | Grant AB | Cameron JD |
| PMID | 25555555 | 3756122 |
| DOI | 10.1011/wjmcr.2017.11.001 | NA |
| 链接 | https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9555555/ | https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1040795/ |
| 语言 | 英语 | 英语 |
| 医学内容 | ||
| 关键词 | 布鲁氏菌病;心内膜炎;二尖瓣 | NA |
| 人口统计学 | 37岁男性 | 男性儿童 |
| 地理区域 | 佛罗里达州;巴西里约热内卢 | NA |
| 生活方式 | 吸烟;偶尔饮酒 | NA |
| 家族史 | 父母近亲结婚的五个孩子中的第三个;弟弟患有慢性湿疹 | NA |
| 社会史 | 建筑工人 | NA |
| 既往病史(内科/外科) | 有疲劳病史 | 足月妊娠,无并发症,出生体重8磅9盎司(3884 g);出生后1个月前健康状况良好,之后出现面部水疱样皮疹;皮疹扩散至眼周、鼻部及口周皮肤;腹部和四肢也出现皮肤病变;伴有腹泻及生长发育迟缓;当时皮肤活检显示典型的肠病性肢端皮炎角化不全;随后六年间间断接受广谱抗生素、母乳及二碘羟喹治疗,部分缓解;出现全秃、间歇性肢端皮炎及间歇性腹泻,体重增长不理想;8月龄时出现中枢神经系统受累所致的痉挛;11月龄时发生数次心肺骤停;声带协调障碍;行气管切开术;18月龄时患儿出现搜寻性眼球震颤,伴有双侧视神经萎缩、视网膜血管轻度变细,以及精神运动发育迟缓表现;双侧角结膜炎;皮肤皮疹;3岁时再次行皮肤活检,仍显示典型的肠病性肢端皮炎角化不全;严重皮肤皮疹及腹泻;可见双侧角膜前部明显混浊,但在5岁时复查时已完全消退;频繁感染,包括中耳炎、尿路感染及皮肤感染 |
| 疾病系统 | 心血管系统;感染性疾病 | 消化系统;皮肤;眼部;罕见病 |
| 体征与症状 | 前一周出现心悸和呼吸困难;就诊时表现为嗜睡、头痛和寒战 | 严重睑结膜炎及双侧角膜前部血管化;严重皮肤皮疹及腹泻;革兰氏阴性菌败血症;典型的肠病性肢端皮炎皮肤病变,胸腺组织缺失,视神经、视交叉及视束显著退变,小脑广泛退变 |
| 合并症 | 高血压;高脂血症 | NA |
| 诊断技术与操作 | 体格检查;心电图;血培养 | 眼部检查;尸体解剖 |
| 诊断 | 布鲁氏菌性心内膜炎 | 肠病性肢端皮炎 |
| 实验室指标 | C反应蛋白升高(9 mg/dl);碱性磷酸酶(250 u/l) | NA |
| 病理学 | 从血液样本中培养出马耳他布鲁氏菌(Brucella melitensis) | 双眼外观相似;角膜上皮在整个角膜表面变薄,仅剩1至3层扁平的鳞状上皮细胞;上皮细胞极性完全丧失。仅在右眼角膜周边可识别出鲍曼膜;左眼角膜未见鲍曼膜。双眼均未见变性性或炎症性胬肉;睫状体的环形肌和斜肌广泛萎缩;晶状体囊上皮部分向后迁移,并出现早期皮质变性改变;后极部视网膜色素上皮广泛退变;视网膜附着良好,整体显示轻度自溶改变;后极部部分保留视杆和视锥细胞外节结构,但赤道部前方这些结构完全丧失;双眼神经节细胞层和神经纤维层广泛缺失;视盘及邻近视神经几乎完全萎缩 |
| 药物治疗 | 静脉注射庆大霉素 240 mg/日 | NA |
| 介入治疗 | 人工瓣膜置换术 | NA |
| 患者结局评估 | 恢复顺利;已出院回家 | 1971年死亡(7岁) |
| 诊断成像/录像记录 | 2;1;0;1 | 7;0;0;0 |
| 与其他病例报告的关系 | 5555555 | 23430849 |
| 与临床试验的关系 | NCT05555123 | NA |
| 数据库交叉链接 | MedlinePlus 健康信息: https://medlineplus.gov/ency/article/000597.htm | HighWire - PDF: http://bjo.bmj.com/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=3756122; Europe PubMed Central: http://europepmc.org/abstract/MED/3756122; Genetic Alliance: http://www.diseaseinfosearch.org/result/143 |
| 致谢 | ||
| 资助来源 | 美国国立卫生研究院/国家心肺血液研究所 | 明尼苏达州狮子会;防盲研究基金会;退伍军人事务部;明尼苏达州酒精及其他药物滥用项目办公室 |
| 资助编号 | R01HL123123(授予 AG) | NA |
| 披露/利益冲突 | Grant 博士为 DrugCo 公司的付费代言人。 | NA |
| 参考文献数量 | 4 | 27 |
表2. 临床病例报告的标准化元数据模板及示例注释。 此处展示了一组临床病例报告中常见的特征,这些特征有助于对其进行概念层级的注释。该模板分为三个主要部分:识别信息、医学内容和致谢,以标明每类病例报告特征的目的及其附加价值。本表包含两组示例注释,一组来自虚构的病例报告,另一组源自关于肠病性肢端皮炎(acrodermatitis enteropathica)病例报告的注释23。
补充文件 1. 一份临床病例报告的文本(Chang et al. 2017)。请点击此处下载该文件。
实施标准化的CCR元数据模板可使其内容更具FAIR性(可发现、可访问、可互操作、可重用),扩大其受众范围,并拓展其应用领域。沿袭CCR在医学传播中作为教学工具的传统用途,医疗卫生培训人员(例如, 医学生、实习医生和进修医生)以及生物医学研究人员可能会发现,经过总结的病例报告内容有助于更快地理解信息。然而,CCR(结构化临床病例报告)在元数据标准化方面最大的优势在于,对这些数据进行索引能够将原本孤立的观察结果转化为可解释的模式。本文提供的方案可作为处理CCR工作流程的第一步,无论该流程旨在进行流行病学分析、上市后药物或治疗监测,还是对发病机制或治疗效果进行更广泛的调查。CCR中识别出的结构化特征可为专注于疾病表现和治疗的研究人员提供有价值的资源,尤其适用于罕见病研究。临床研究人员可利用既往治疗方案的数据,分析记录的症状或副作用,以及在既往护理标准下的改善程度。这些数据还可能推动对新疗法的更广泛分析,分析依据包括疗效、缺乏不良反应或毒性,或药物在性别、年龄组或遗传背景方面的靶向差异。
结构化元数据所带来的优势同样适用于设计用于解析或建模医学语言的计算工作流程。结构化的临床对照报告(CCR)特征还可为报告撰写者提供证据,表明其在哪些方面可提供更易于机器读取(在某些情况下也更易于人类理解)的内容。CCR 之间的差异可能源于未明确提供的观察结果。 例如, 患者的准确年龄可能未被明确指出。同样,如果临床医生认为某些检查或其结果无关紧要,则可能不会提及这些检测。通过提供深度分析所必需的信息缺失示例,对临床对照报告(CCRs)实施结构化可凸显潜在的改进空间。从更广泛的角度来看,医疗文档中结构化文本数据的进一步普及将支持自然语言处理(NLP)在医疗健康领域利用大数据开展学习与研究24,25.
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作部分得到了美国国家心肺血液研究所:R35 HL135772(资助对象:P. Ping);美国国家普通医学科学研究所:U54 GM114833(资助对象:P. Ping、K. Watson 和 W. Wang);美国国家生物医学影像与生物工程研究所:T32 EB016640(资助对象:A. Bui);Hoag基金会和S. Setty博士的捐赠;以及加州大学洛杉矶分校T.C. Laubisch基金(资助对象:P. Ping)的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 临床病例报告数据库 | n/a | n/a | 可通过 PubMed 获取病例报告的全文(例如,使用检索式 "Case Reports"[Filter]),也可通过其他引文数据库(如 Europe PMC,https://europepmc.org/)或直接通过出版商获取。 |
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