CN102122325B - 一种中药方剂功效自动分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用计算机技术实现自动分析并推算中医方剂功效的方法,涉及计算机科学技术和中医方剂分析领域。向量是既有大小又有方向的量,新方法以功效作用向量量化方剂中各种药物的功效、方剂药物组合的功效和整个方剂的功效,运用计算机进行数据处理由方剂基本信息自动推算方剂的功效,其特点在于能够充分发掘药物-功效数据库和标准方剂库中的有用信息,合理整合不同药物或药物组合对方剂功效影响的权重差异因素,能以多种可选方式综合计算方剂中单味药物和不同药物组合对整个方剂功效的影响程度,使得计算和分析更灵活、推算结果更合理。相关技术可用于计算机辅助中医方剂设计与分析,或方剂主药判定等应用领域。
Description
技术领域
本发明属于中医药学方剂分析领域,具体是一种利用计算机科学技术实现的一种中药方剂功效自动分析方法。
背景技术
中医药学是中华民族五千年优秀文化和科学历史发展的智慧结晶,为提高人类健康和生存质量做出了极大贡献。几千年来,中医药领域积累了无数的临床实践与理论成果,包含了海量的科学知识,在中医药古籍、文献以及当前的临床研究文献中包含大量的有用信息。方剂是中医治疗疾病的主要手段,是中医独特思维方法与临床经验紧密结合的产物。方剂功效是组方药物在人体内作用的综合反映,通过药物的配伍实现。现存的古方中绝大多数只有简单的组成与主治,缺乏详细的功效描述,更加缺乏配伍药物组功效的描述。一首方剂往往由几味到十几味药物组成,每味药物都有自身特定的功效集合,方剂功效不等于组成药物的功效的简单总和,而会通过组方药物配伍使其扬长避短,并有“君臣佐使”之说,方剂组成模式不同、用量配比不同,都会大大影响药物配组的作用以及整个方剂的总体功效倾向。因此,对于丢失功能记录的古方和临床医师设计的新方剂,如果仅用简单的计算方法对方剂的功效进行推算,通常无法得到较好结果。
近几年关于方剂挖掘的研究逐渐增多,目前药物配伍的研究方法多利用频繁模式挖掘方法。如,文献“周忠眉.中药方剂数据挖掘模式和算法研究,浙江:浙江大学, 2006.12”中称其“将所有的方剂数据挖掘模式和算法集成,设计研发了方剂药物组配模式分析系统和/或相关药物的组配模式,探讨这些模式中药物组配后功效的变化情况,探讨与这些模式配伍的高频药物及这些高频药物的功效情况。还可以利用在模式中添加高频药物探讨模式药物变化后功效的变化情况及方剂因所含模式的药物变化而功效变化的情况。”再如,申请号为200710156365.3的题为“用于分析中药方剂药物组配规律的泛化关联规则挖掘方法”的中国发明专利说明书公开了一种用于分析中药方剂药物组配规律的泛化关联规则挖掘方法,该方法实质上是一种结合关联规则挖掘和领域知识表示的泛化关联规则挖掘方法,它使用语义万维网技术作为领域知识表示的主要手段,其主要研究的是药物组配规律。此外,文献“曾涛,向勇,包小源,刘胤田,蒋永光.中医古方挖掘:一种频繁药组发现与功效标注算法. 第二十五届中国数据库学术会议,2008,计算机科学,35(增刊) (10A):127-129” 设计并实现了可直接进行多表关联分析的基于逆索引的2阶段频繁模式挖掘方法,可发现方剂中的频繁药组,并对其进行功效标注。而文献“彭京 , 唐常杰, 曾涛, 乔少杰,雍小嘉 ,基于神经网络和属性距离矩阵的中药方剂功效归约算法,四川大学学报(工程科学版),Vol.38 No.1 ,2006.1, p92-97” 针对中药方剂功效归纳问题,提出了一种基于人工神经网络新的高维数据归约方法。
目前可以查到的方法要么主要针对方剂中药物组进行频繁模式分析而并不考虑整个方剂功效推算,要么直接对整个方剂功效进行推算或归约,但没有对于方剂的综合功效进行分析的方法。
发明内容
本发明是为了解决现有技术中存在的问题,提供一种包括以功效作用向量量化各种药物的功效、各种药物组合的功效和最终的方剂功效,以权重差异体现不同药物或药物组合对方剂功效的不同作用程度,以综合计算方剂中单味药物功效作用和不同药物组合功效作用的方式进行整个方剂功效进行分析的中药方剂功效自动分析方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:
本发明的中药方剂功效自动分析方法,通过以下步骤实现:
获取和输入方剂信息并设置系统参数:
方剂信息包括方剂名称、组成方剂的单味药物名及其剂量;系统参数包括方剂功效分析方法、多元关联方法选项和粗约简控制选项;
计算组成方剂的每味药物的功效作用向量:
对于每个需要推算的方剂,首先对其中的每味药物进行处理,依照“药-效数据库”确定该药物的功效及作用因子值信息,根据此信息构建该药物的功效作用向量,再对此向量做归一化处理使它的模为1成为一个单位向量,然后基于“药-效数据库”中该药物的常用剂量等信息和方剂中该药物的剂量等信息求出该药物对方剂功效的剂量作用系数,并对上一步算得的功效作用单位向量乘以该剂量作用系数从而计算得到方剂中每味药物的功效作用向量;
计算多种单一药物的药物组合的功效作用向量:
通过限定组合的规模或从限定的药物组合集合中筛选的方式来减少总的可能的药物组合数量,对于每个符合系统要求的药物组合,利用“标准方剂库”计算某一药物组合在标准方剂集合中出现的频次以及对应功效出现的频次,形成多条“药物组合-功效集合”的关联规则,利用规则的支持度公式和置信度公式对其进行度量,只选出符合系统要求的规则,对于每个符合条件的规则,用它包含的功效集合生成一个功效作用向量,向量中每个功效的作用因子均为100,进而对该向量归一化后乘以该规则的权重系数得出该药物组合的此条关联规则所对应的功效作用向量,将所有规则对应的功效作用向量求和、归一化、乘以该药物组合的总体权重系数从而算出该药物组合的功效作用向量,最终将所有符合系统要求的药物组合的功效作用向量全部计算出来;
综合计算方剂的总功效作用向量:
对前几步计算所得到的方剂中每味药物的功效作用向量和每个药物组合的功效作用向量进行加权求和,权重依不同类型的方剂和具体情况可以有所不同;
降序输出最重要的功效及作用因子序列:
将总功效作用向量中每个功效和对应的作用因子以(功效,作用因子)对进行表示,对它们按作用因子降序排列形成(功效,作用因子)对序列,然后按照用户在系统参数中设定的向量大小阈值和约简精度不断试探性地把排在序列最后的(功效,作用因子)对删除掉,使得约简后形成的新的功效作用向量的模恰好小于等于向量大小阈值,并保证计算时的精度符合要求,最后向用户降序输出约简后的最重要的(功效,作用因子)对作为方剂功效推算的最终结果。
本发明具有的优点和积极效果是:
本发明旨在利用计算机技术从中医药古方数据库中抽取隐含的、未知的、有意义的药物、功效组配模式,可为方剂配伍理论研究,为新的药物配伍发现和新型方剂设计与分析提供新方法和现代技术手段,有助于临床医师更快地设计出效果好的新方剂并保存好方剂。本发明提出的方法能够发掘药物-功效数据库和标准方剂库中的有用信息,计算时不仅充考虑了方剂中各味药物对方剂功效的影响,还充分考虑了药物组合对方剂功效的影响,在综合计算方剂功效时能够灵活设置各种权重系数,可以合理地调控各种因素对方剂整体功效的作用程度,能够对计算结果按需进行可控地约简,确保新技术考虑更周详,操作更灵活,结果更合理。
附图说明
图1是本发明的中药方剂功效自动分析方法的流程图;
图2是本发明的中药方剂功效自动分析方法的人机交互示意图;
图3是本发明的功效作用向量计算示意图。
具体实施方式
以下参照附图及实施例对本发明进行详细的说明。
向量是既有大小又有方向的量,能够表述多维空间中作用力的方向和大小,常用于物理学中作用力分析或数学理论分析等领域。向量的也可表述为:“向量= 基底×坐标”,在功效作用向量中基底由功效构成,基底的每个维度对应一种功效,而每个功效的作用因子值对应其坐标值,例如:药物“生地黄”的功效作用向量=(除蒸, 凉血, 清热, 生津, 退虚热, 养阴, 止渴, 止血)×(100, 100, 100, 100, 100, 100, 95, 100)T,或用序对集合的方式表述为{(除蒸,100), (凉血,100), (清热,100), (生津,100), (退虚热,100), (养阴,100), (止渴,95), (止血,100)},以“(凉血,100)”为例,其含意是药物“生地黄”的凉血的功效作用因子为100。
药物配伍和药物剂量配比是引起中医方剂功效差异的关键因素。不同于已有许多技术,充分药物组合与配伍因素,本发明公开一种新的方剂功效推算方法,该方法基于功效作用向量模型,在推算方剂功效时不仅考虑方剂中单味药物(简称为“单药”)对方剂功效影响,同时也将药物组合与配伍及其剂量因素计算在内,以提高计算的准确度,相关技术可以辅助中药专家进行快速方剂功效评估和中医方剂设计。
药物功效指单味药物的功效,方剂由药物按一定配比组成,方剂功效指整个一个方剂的总的功效。方剂功效与组成它的单个药物的功效有密切关系,但一般并不是药物功效按比例地简单加减。
对于输入计算机系统的需要推算的方剂,本发明的方法是,根据待算方剂的药物组成和剂量,基于药物功效数据库按照一定的计算方法将每味药物对整个方剂功效的贡献量用功效向量表示,再基于中医标准方剂库使用计算机处理已有的经典方剂及其功效数据算出方剂药物中不同药物组合后对整个方剂功效的贡献量也用功效向量表示,最后按规则综合考虑每味药物以及不同药物组合对方剂功效的影响,计算出整个方剂的总的功效作用向量,最后降序输出最重要的功效及作用因子序列作为推算出的结果。
本发明通过以下技术方案实现,主要步骤为:
1、设置系统参数并获取待推算的方剂信息:
利用人机交互界面由用户发出指令输入方剂基本信息并设置系统参数。方剂基本信息包括:方剂名称、组成方剂的单味药物名及其剂量,还可含有方剂序号、方剂名称、组成方剂的单味药物信息、剂型和备注信息等,其中组成方剂的单味药物信息包括每味药物的药物序号、药物名、剂型、剂量和备注信息等。用户可以在线地一个一个地输入方剂信息用于单个方剂的功效推算,也可以批量地导入多个方剂用于成批地功效推算。
2、计算组成方剂的每味药物的功效作用向量:
在获取方剂信息后,对于每个需要推算的方剂,首先对其中的每味药物进行处理,依照“药-效数据库”确定该药物的功效及作用因子值信息,根据此信息构建该药物的功效作用向量,再对此向量做归一化处理使它的模为1成为一个单位向量,然后基于“药-效数据库”中该药物的常用剂量等信息和方剂中该药物的剂量等信息求出该药物对方剂功效的剂量作用系数,并对上一步算得的功效作用单位向量乘以该剂量作用系数从而计算得到方剂中每味药物的功效作用向量。
3、计算多种单一药物的药物组合的功效作用向量:
此步骤主要计算多个单一药物所形成的药物组合对方剂功效的影响。考虑到随着组成方剂的单一药物种类增多时,由这些单一药物所构成的可能的药物组合的数量将成指数级递增,即产生所谓的组合爆炸,从计算理论角度讲,当组成方剂的单一药物种类过多时计算所有可能的药物组合的功效作用向量是不实现的,因此本发明公开的方法采用按需计算的方式解决。可以通过限定组合的规模或从限定的药物组合集合中筛选的方式来减少总的可能的药物组合数量。限定药物组合可以请专家人工限定需要用的药物组合的范围,也可以利用第一设计人已发表文献“曾涛,向勇,包小源,刘胤田,蒋永光.中医古方挖掘:一种频繁药组发现与功效标注算法. 第二十五届中国数据库学术会议, 2008,计算机科学, 35(增刊) (10A): 127-129”中的方法只在频繁药组中做计算来限定药物组合的数量。
对于每个符合系统要求的药物组合,计算其功效作用向量的基本步骤为:利用“标准方剂库”计算某一药物组合在标准方剂集合中出现的频次以及对应功效出现的频次,形成多条“药物组合-功效集合”的关联规则,利用关联规则的支持度公式和置信度公式对其进行度量,只选出符合系统要求的规则,对于每个符合条件的规则,用它包含的功效集合生成一个功效作用向量,向量中每个功效的作用因子均为100,进而对该向量归一化后乘以该规则的权重系数得出该药物组合的此条关联规则所对应的功效作用向量,将所有规则对应的功效作用向量求和、归一化、乘以该药物组合的总体权重系数从而算出该药物组合的功效作用向量。如此操作,最终将所有符合系统要求的药物组合的功效作用向量全部计算出来。
4、综合计算方剂的总功效作用向量:
对前几步计算所得到的方剂中每味药物的功效作用向量和每个符合系统要求的药物组合的功效作用向量进行加权求和,权重依不同类型的方剂和具体情况可以有所不同。具体求和方法为,对每个向量乘以其相应权值后将它们不断做向量加法累加起来得到综合后的总功效作用向量。
5、降序输出最重要的功效及作用因子序列:
在总功效作用向量中包含了整个方剂具有的所有功效和该功效的作用因子信息,但这些功效种类很多,有些功效作用非常小而且并没有什么实际意义,为此需要对推算出的功效进行约简。如前文所述,每个维度的取值由该功效的作用因子值确定,因此可以将总功效作用向量中每个功效和对应的作用因子以(功效,作用因子)对进行表示然后处理。具体操作方法是:对总功效作用向量对应的所有的(功效,作用因子)对按作用因子降序排列形成(功效,作用因子)对序列,然后按照用户在系统参数中设定的向量大小阈值和约简精度不断试探性地把排在序列最后的(功效,作用因子)对删除掉,使得约简后形成的新的功效作用向量的模恰好小于等于向量大小阈值,并保证计算时的精度符合要求,最后向用户降序输出约简后的最重要的(功效,作用因子)对作为方剂功效推算的最终结果。其中向量大小阈值涉及到约简的力度,会影响最后输出的功效数量,而约简精度涉及到计算和比较时的数值精度。具体操作步骤如图1所示。
图2是本发明的中药方剂功效自动分析方法的人机交互示意图。如图2所示,用户向计算机系统输入待推算的方剂基本信息和系统参数,经过运算后计算机向用户返回方剂功效的推算结果。
图1是本发明的中药方剂功效自动分析方法的流程图。其中102步骤的“设置系统参数”包括设置方剂功效分析方法、多元关联方法选项和粗约简控制选项。
方剂功效分析方法包括简单向量空间方法、简单多元关联方法、多粒度多元关联方法等多个选项。
如果选为“简单向量空间方法”,按照此项设定系统将不考虑药物组合对方剂的影响,而对方剂中每个药物分别处理,依照“药-效数据库”获取单一药物的功效及功效作用因子信息构成单一药物的功效作用向量进行计算,它是图1中方法的一种退化,相当于在整个运算过程中直接跳过了药物组合功效作用向量计算步骤,即执行过程中将会跳过图1中的114步骤至122步骤。
如果选为“简单多元关联方法”,则需要确定多元关联方法选项中的阶数和置信度。阶数选项限定了药物组合的阶数,例如“阶数”取3时应用软件将找到方剂中单一药物的所有3项的组合形成药物组合集然后进行计算,置信度选项是“药物组合-功效集合”规则的置信度过滤条件,例如“置信度”取70时则置信度小于70%的规则将被过滤而不被用于计算。选定阶数和置信度后,系统将根据设置对所有符合要求的药物组合直接依照“标准方剂库”用经典方剂中的药物组合与此药物组合做匹配操作,计算每个药物组合在各种经典方剂中出现的频次,以及所对应的功效集合出现的频次,形成多个“药物组合-功效集合”的关联规则,利用关联规则的支持度公式和置信度公式对其进行权重度量,依照置信度选项的取值选出置信度大于等于70%的规则,对于每个符合条件的规则,用它包含的功效集合生成一个功效作用向量,向量中每个功效的作用因子均为100,进而对该向量归一化后乘以其置信度得出该药物组合的此条关联规则的功效作用向量,将所有规则对应的功效作用向量求和后归一化并乘以该药物组合的权重系数算出该药物组合的功效作用向量用于方剂功效的计算。此过程在操作中也可以用到一部分本发明第1设计人的文献“曾涛,向勇,包小源,刘胤田,蒋永光.中医古方挖掘:一种频繁药组发现与功效标注算法. 第二十五届中国数据库学术会议, 2008,计算机科学, 35(增刊) (10A): 127-129”中的技术。此法也是图1中方法的一种退化,相当于过程中跳过了单一药物功效作用向量计算步骤,即在推算时会跳过图1中104步骤至112步骤,并且只计算整个方剂满足阶数选项要求的所有药物组的功效作用向量用于计算整个方剂的功效作用向量。
如果选为“多粒度多元关联方法”,也需多元关联方法选项中的阶数和置信度。此选项所采用的方法与简单多元关联方法本质非常相似,最关键的不同在于:对于阶数选项限定的组合的阶数n,不只考虑待推算方剂中所有单一药物的n元组合,还考虑小于等于n元且大于0元的所有可能的单一药物组合,例如阶数取3时,除了要计算3个单一药物构成的所有可能药物组合的功效作用向量,还要计算2个单一药物的和1个单一药物的所有药物组合的功效作用向量,需要注意的是,对于这里的由1个单一药物构成的药物组合,计算其功效作用向量时并不依照“药-效数据库”直接计算,而是利用“标准方剂库”采用药-效规则挖掘的方式计算。所以当阶数选项取值为1时的计算方法和选择简单向量空间方法的计算过程仍然完全不同。
还可以选择简单向量空间方法和简单多元关联方法的融合,或者简单向量空间方法和多粒度多元关联方法的融合,对单一药物功效作用和药物组合功效作用进行了综合考虑,并且提供了灵活的、多粒度计算解决方案,它们都是图1中方法的完整的实现实例,是本发明的最有特色的技术之一。
如果不对最终的方剂功效作用向量进行约简,那么最终结果中可能会同时将许多作用度很小、研究意义不大的功效都一并列出,这会对中药专家的分析构成干扰。系统参数中的粗约简控制选项用于控制是否对推算的方剂功效作用向量进行约简,如果选中约简,则 “覆盖量”参数限定了约简的力度,它与约简操作时所用到的向量大小阈值有关,又因为数值计算均有误差,所以由 “精度”参数限定约简的精度,例如 “覆盖量”=0.90的含意为对推算出的方剂功效作用向量归一化后输出的约简后的方剂功效作用向量的模,即向量的大小,应当小于等于0.90, “精度”=0.01的含意为约简时的正负误差不超过0.01。
通过人机交互界面用户可以向计算机输入需要推算的方剂的基本信息。基本信息至少包括方剂中的单味药物的“药名”和用于度量该药物的作用度的剂量作用系数或这里称的“权重”。并可界面中利用“加入”按钮、“清空”按钮和“删除”按钮按扭对方剂基本信息进行录入或修改,还可以点击“变换方法”按钮将界面切换至软件参数设置界面来修改系统参数。输入方剂信息并确认无误后,点击“开始推算”按键执行推算任务,推算的结果将显示在“推算结果”下方的编辑框内,除了可以查看结果,还可以点击“存到文件”按钮将结果存入文本文件中长期保存。
下面以黄连解毒汤方剂功效的分析过程为例具体说明综合考虑了药物组合功效作用的方剂功效分析方法。
图3是功效作用向量计算示意图。在实际计算中功效作用向量可能涉及n种功效,但为了便于理解此处以3种功效时的情况为例示意。图中随机列出了3种功效投影出的功效作用向量,其中功效“消痞”、“清心”、“燥湿”分别作为向量的基底形成3维的坐标空间,功效作用向量 1和功效作用向量 2通过加法运算可得向量 3。
表1 黄连解毒汤方剂信息表
黄连解毒汤的方剂信息如表1所示。基本信息包括方剂名,以及方剂中的单味药物的药名和该药物在方剂中的剂量。为了便于展示发明中的方法,直接将药物剂量作为度量该药物的作用度的“权重”来使用,但在其它具体案例中通常会利用药物数据库中该药的常用绝对剂量和常用相对剂量以及需要推算的方剂中该药物的实际剂量等信息按一定公式推算出药物的剂量作用系数“权重”。
黄连解毒汤中每个药物的功效作用向量如下。
其中用 “向量= 基底×坐标”方式描述了黄连解毒汤中各个药物的功效作用向量,其中单味药物的基本功效和作用因子值等信息均来自于“药-效数据库”。
将方剂基本信息输入并设置系统参数,选择简单向量空间方法和简单多元关联方法的融合,对黄连解毒汤进行方剂功效进行分析。阶数选项设定的阶数为3,将会要对黄连解毒汤中所有单味药物的3元组合构成的药物组合计算功效作用向量,而“黄连、栀子、黄芩药物组合”是其中的一个,因此以“黄连、栀子、黄芩药物组合”为例进行说明。具体方法可以如此操作:在对黄连、栀子、黄芩药物组合的功效作用向量计算时,利用“标准方剂库”用经典方剂中的药物组合与此药物组合做匹配操作,计算“黄连、栀子、黄芩”同时在各种经典方剂中出现的频次,以及所对应的功效集合出现的频次,形成多个“黄连、栀子、黄芩-功效集合”的规则,并按照置信度选项的限定选出置信度大于等于70%的规则,对于每个符合条件的规则,用它包含的功效集合生成一个功效作用向量,向量中每个功效的作用因子均为100,进而对该向量归一化后乘以其置信度得出该规则对应的“黄连、栀子、黄芩药物组合”功效作用向量,最后将所有规则对应的功效作用向量求和、归一化、乘以其药物组合的总体权重系数算出“黄连、栀子、黄芩药物组合”的功效作用向量,结果如下。
基于前面所述的具体实例,按照图1示意的方法和步骤,系统参数中的粗约简控制选项选中约简,可以推算出黄连解毒汤的方剂功效作用向量并进行相应约简,最终得出约简后黄连解毒汤方剂功效作用向量,结构如下。
Claims (1)
1.一种中药方剂功效自动分析方法,其特征在于通过以下步骤实现:
获取和输入方剂信息并设置系统参数:
方剂信息包括方剂名称、组成方剂的单味药物名及其剂量;系统参数包括方剂功效分析方法、多元关联方法选项和粗约简控制选项;
计算组成方剂的每味药物的功效作用向量:
对于每个需要推算的方剂,首先对其中的每味药物进行处理,依照“药-效数据库”确定该药物的功效及作用因子值信息,根据此信息构建该药物的功效作用向量,再对此向量做归一化处理使它的模为1成为一个单位向量,然后基于“药-效数据库”中该药物的常用剂量信息和方剂中该药物的剂量信息求出该药物对方剂功效的剂量作用系数,并对上一步算得的功效作用单位向量乘以该剂量作用系数从而计算得到方剂中每味药物的功效作用向量;
计算多种单一药物的药物组合的功效作用向量:
通过限定组合的规模或从限定的药物组合集合中筛选的方式来减少总的可能的药物组合数量,对于每个符合系统要求的药物组合,利用“标准方剂库”计算某一药物组合在标准方剂集合中出现的频次以及对应功效出现的频次,形成多条“药物组合à功效集合”的关联规则,利用规则的支持度公式和置信度公式对其进行度量,只选出符合系统要求的规则,对于每个符合条件的规则,用它包含的功效集合生成一个功效作用向量,向量中每个功效的作用因子均为100,进而对该向量归一化后乘以该规则的权重系数得出该药物组合的此条关联规则所对应的功效作用向量,将所有规则对应的功效作用向量求和、归一化、乘以该药物组合的总体权重系数从而算出该药物组合的功效作用向量,最终将所有符合系统要求的药物组合的功效作用向量全部计算出来;
综合计算方剂的总功效作用向量:
对前几步计算所得到的方剂中每味药物的功效作用向量和每个药物组合的功效作用向量进行加权求和,权重依不同类型的方剂和具体情况可以有所不同;
降序输出最重要的功效及作用因子序列:
将总功效作用向量中每个功效和对应的作用因子以(功效,作用因子)对进行表示,对它们按作用因子降序排列形成(功效,作用因子)对序列,然后按照用户在系统参数中设定的向量大小阈值和约简精度,把排在序列最后的(功效,作用因子)对删除掉,使得约简后形成的新的功效作用向量的模恰好小于等于向量大小阈值,并保证计算时的精度符合要求,最后向用户降序输出约简后的最重要的(功效,作用因子)对作为方剂功效推算的最终结果。
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