Онтология представления знаний о назначении персонифицированного лечения

В настоящее время актуальной задачей является создание систем поддержки принятия решений (СППР) в области медицины. Одним из важных классов задач в этой предметной области (ПрО) являются СППР по назначению лечения. На этом этапе совершается много ошибок, поскольку врачу необходимо учитывать большое количество различной информации ( жалобы больного, результаты его лабораторного и инструментального исследований, сопутствующие заболевания, аллергии, совместимость лекарственных препаратов, противопоказания и др.) [1]. Также необходимо принимать во внимание специфику различных видов терапий, таких как медикаментозное, восстановительное лечение, или же хирургическое вмешательство. Принимать решения при таких условиях становится всё сложнее. Для уменьшения ошибок используют различные СППР, которые обеспечивают обработку значительного количества клинических признаков и предлагают свои рекомендации.

Разработано большое количество СППР, помогающих врачу назначить медикаментозное лечение, помочь спланировать тактику хирургической операции или план реабилитации (как правило, объединяющий медикаментозное и восстановительное лечение). Обзор, представленный в работах [2-5] показывает, что такие системы предназначены для лечения только одного заболевания или для их небольшой группы. При этом каждый вид лечения осуществляется отдельной системой, а структура знаний, лежащая в её основе, является существенно упрощённой по сравнению c имеющимися знаниями в этой области [6].

Использование врачом различных систем на практике не представляется возможным. Их создание и сопровождение для разработчиков - дорогой и трудоёмкий процесс. Решением является создание универсальной информационной системы [7], ориентированной на решение класса задач планирования лечения, которое объединяет его различные виды (медикаментозное, восстановительное и хирургическое) и не зависит от заболевания или раздела медицины в целом. Для применения на практике от СППР требуются понятность процесса рассуждения с объяснением полученных результатов, а также возможность своевременно модифицировать использующиеся в системе знания. Выполнение таких требований обеспечивает онтологический подход [8, 9], на основе которого могут быть созданы понятные специалистам базы знаний ( БЗ) в привычных для них терминах и структуре ПрО.

Авторами создана онтологическая оболочка для СППР по назначению медикаментозного лечения [10]. Её использование различными исследовательскими группами показало удобство применения, простоту модификации БЗ экспертами без участия программистов. Существенным её недостатком является применимость только для медикаментозного лечения.

Целью работы является разработка обобщённой онтологии по комплексному назначению лечения пациента. Это позволит вне зависимости от заболевания и вида лечения формировать БЗ по назначению лечения, обеспечить быстрые (без перепрограммирования) их модификации и адаптацию к конкретным лечебным учреждениям.

1    Постановка задачи

Успешный опыт использования онтологий медикаментозного и восстановительного лечения [11] показал, что онтологические БЗ по соответствующим видам лечения могут формировать эксперты ПрО без посредников. Каждая такая онтология обеспечивает возможность формализации БЗ по соответствующему виду лечения в привычной, понятной экспертам-врачам терминологии и структуре, при этом соблюдаются правила порождения соответствующих элементов БЗ и онтологические ограничения.

Построение онтологий на основе двухуровневого подхода, поддерживаемого платформой IACPaaS [12], в соответствии с которым онтология явно отделена от БЗ и представлена семантической (графовой) структурой, даёт дополнительные преимущества: возможность формирования множества БЗ на основе одной онтологии и унифицированного решателя, управляемого онтологией. Так обеспечивается переход к созданию программных оболочек, которые не зависят от заболевания или раздела медицины, а модификация БЗ не влечёт изменение решателя (программного кода). Создание новой системы сводится к формированию её БЗ. Недостатком созданных систем является разобщённость разных видов лечения, поскольку они имеют разные онтологии и решатели с пользовательскими интерфейсами. Полученный опыт использования онтологий показал, что для всех возможных видов лечения можно выделить общие понятия и структуру, а врачебные манипуляции имеют сходный алгоритм применения.

В обобщённой онтологии по комплексному воздействию на пациента должны наследоваться все специализированные онтологии по конкретным видам лечения, должна быть воз- можность задания характеристик объекта или процесса, их свойств и ограничений (периодичность, дозировка, способ применения, длительность, условия применения и др.). Отдельной задачей является разработка метода адаптации обобщённой онтологии к специализированным онтологиям с привычной для данного вида лечения структурой и терминологией.

2    Обобщённая онтология

Обобщённая онтология включает описание различных видов лечения в рамках конкретной патологии с учётом персональных данных пациента. Структурное представление онтологии лечения показано на рисунке 1 1 .

Для каждого заболевания формируется модель лечения (или несколько моделей), которая может включать либо восстановительное, либо медикаментозное, либо хирургическое лечения, а также их комбинацию.

Модель лечения – совокупность медицинских мероприятий с доказанным клиническим эффектом по отношению к определённому патологическому процессу. Модель содержит описание состава, последовательности х модель лечения {СПИСОК} х Ссылка на документ описывающий модель терапии ([=] 'сор х Условие модели терапии ([=] "copymm') (ref-new)

х Схема лечения (СПИСОК)

► х Условия для назначения данной схемы терапии * ([=] 'сор)

х Цель лечения (СПИСОК)

► х Условия для выбора цели терапии ([=] 'copymm’) (ref-nev

▼ х Этап воздействия (СПИСОК)

etmm' i (ref-new)

* Продолжительность этапа воздействия ([=) 'copymm') <

• - Комплекс воздействий * {СПИСОК)

* х Воздействие (СПИСОК)

► х Условие на воздействие ([=] 'copymm') (ref-new)

► х Характеристика ( = "copy ) (ref-new)

► х Блок характеристик ( = ’сору*) (ref-new) описать элемент списка © ф ф ф ф ф и объёма терапевтической практики, направленное на восстановление здоровья. Для каждого заболевания возможно текстовое описание рекомендаций – перечня мер или действий для врача или пациента для достижения наилучших результатов лечения и/или профилактики заболевания.

Основным структурным элементом онтологии является схема лечения, которая объеди- няет программы оказания врачебной помощи с множеством целей лечения, сгруппированных согласно варианту протекания заболевания. Каждая цель лечения содержит комплекс клинических мероприятий, направленный на конкретный аспект проводимого лечения (см. рисунок 2).

V Симтоматическая терапия [Схема терапии]

> Терапия антикоагулянтами [Цель терапии]

> Подавление кашлевого рефлекса при сухом кашле [Цепь терапии]

> Разжижение и выведение вязкой слизи [Цель терапии]

► Противовирусная терапия [Цель терапии]

> Условия для назначения данной схемы лечения > ^

Рисунок 2 – Пример описания в БЗ раздела Схема терапии

Лечение может быть разделено на этапы, каждый этап лечения представ- ляет собой набор клинических мероприятий, организованный либо по временным отрезкам, либо по достижению показателей, соответствующих цели лечения. Каждый этап лечения содержит комплекс воздействий и продолжительность этапа воздействия. Структура раздела Комплекс воздействий позволяет формировать знания о любых манипуляциях с пациентом по различным видам лечения (cм. рисунок 3).

Для персонификации лечения предусмотрен многоуровневый комплекс условий , контролирующих возможность проведения медицинских мероприятий (см. рисунок 4). Каждое условие формально представлено клиническим комплексом критериев с чётко определёнными

1 Все представленные на рисунках в статье скриншоты - это фрагменты онтологий или БЗ на платформе IACPaaS,

значениями. Под критерием понимается любой элемент записи в истории болезни, например: признак, параметр, наблюдение, заболевание, результат исследования, относящийся к персональным данным пациента или отражающий особенность клинической картины заболевания.

Воздействие - основной раздел онтологии, характеризующий тип манипуляций с пациентом (см. рисунок 5) и позволяющий описать любой фактор, имеющий доказанное лечебное действие, например, действующее вещество, физиопроцедура, массаж, хирургические манипуляции (перевязка, наложение шва, обработка ран и др.). Для этого в онтологии имеется блок Условие на воздействие, описывающий перечень клинических показателей, при которых данное воздействие может быть рекомендовано к использованию, а также разделы, описывающие свойства, параметры и ограничения воздействия: «Характеристика» и «Блок характеристик».

Характеристика – универсальный элемент онтологии, предназначенный для описания параметров, свойств и ограничений какого-либо объекта или процесса (см. рисунок 6). Он также содержит собственный блок условий, необходимый для выбора конкретной характеристики, соответствующей картине заболевания. Данный раздел имеет универсальную структуру и позволяет задавать любые типы значений и параметров воздействия, такие как периодичность, дозировка, сила тока, длительность воздействия, мазок на флору и др. Характеристики могут объединяться в Блок характеристик , например, блок Правило приёма включает Форма выпуска , Способ применения и др.

Блок Характеристика также содержится и в разделе Комплекс воздействий . На данном уровне онтология используется для формализации второстепенных элементов процесса терапии, например противопоказания, рекомендации и т.д.

Для возможности гибко и точно применять воздействия к пациенту присутствуют Блок альтернативно используемых воздействий , позволяющий описать некоторое множество альтернативных воздействий, когда необходимо выбрать одно из них, а также Блок объединённых воздействий , предназначенный для описания некоторого множества воздействий, использующихся совместно.

• ▼    »- Комплекс воздействий * {СПИСОК}

• ►    =

• ►    »- Воздействие ( = 'copy') (ref-new)

• ►    »• Характеристика ( + 'set') (ref-new)

> Контроль ожидаемых побочных действий * (= 'сору') ( ► »• Блок альтернативно используемых воздействий ( Л > Блок объединенных воздействий ( = 'copy') (ref-new) ► »• Условие на набор ( = 'copy') (ref-new)

Рисунок 3 – Раздел Комплекс воздействий

Рисунок 4 – Структура условия

▼ к» Воздействие {СПИСОК}

> >• Условие на воздействие ([=] 'copymm') (ref-new)

> >• Характеристика ( = 'copy') (ref-new)

|Т >• Блок характеристик {СПИСОК}

▼ >- Характеристика {СПИСОК}

► >- Условие на характеристику ([=] 'copymm') (ref ne — Выбор типа значений ( - 'proxy')

Рисунок 5 – Структура раздела Воздействие

• ▼    *• Характеристика {СПИСОК}

• >    Условие на характеристику ([=] 'copymm') (1 v *• Выбор типа значений (АЛЬТЕРНАТИВА)

v Качественные значения (СПИСОК) значение (сорт строковое) (+ 'set) (all) описать элемент списка

• ■    ▼ Числовые значения {АЛЬТЕРНАТИВА} ► Диапазон значений (- 'proxy')

• ► Значение (- 'proxy¹) > ^ ' описать вариант альтернативы: © ф

• ▼ Составные значения {СПИСОК} > Характеристика (+ 'set) (all)

| описать элемент списка: © ф © ф (

Рисунок 6 – Структура раздела Характеристика

Для контроля проводимого лечения онтология имеет вершину (раздел) Контрольные точки оценки эффективности лечения . Она позволяет задавать временные отрезки контроля,

целевые показатели, которые требуется достичь, а также необходимые воздействия в случае расхождения с ними (см. рисунок 7).

3 Адаптация обобщённой онтологии к специализированным онтологиям

▼ Контрольные точки оценки эффективности лечения * {СПИСОК}
▼ Характеристика временного отрезка контроля эф-ти * (СПИСОК)
	Значение (сорт: вещественное) (! 'one') (all) Единица измерения (сорт строковое) (! 'one') (all) ▼ Связь с проводимой терапией {АЛЬТЕРНАТИВА}
		с момента начала терапии (тип: строковое) (= 'copy1) (ref-new) после терапии (тип строковое) (= 'copy') (ref-new) описать вариант альтернативы

▼ Критерии оценки эффективности лечения {СПИСОК}

▼ >• ТИП условия {АЛЬТЕРНАТИВА}

► Блок критериев * ( = 'copy1) (ref-new)

► Группа блоков * (= ’copy1) (ref-new) ^

Рисунок 7 – Структура раздела Контрольные точки оценки эффективности лечения

Онтологическая модель имеет универсальную структуру представления знаний по назначению персонифицированного лечения. Чтобы её адаптировать на конкретный вид лечения, предложена таблица соответствий (см. рисунок 8). Она позволяет гибко настроить как структуру, так и терминологию обобщённой онтологии под специфику конкретной специализированной онтологии. Таблица соответствий содержит абстрактные понятия обобщённой онтологии и конкретные понятия в целевой онтологии. Помимо задания узкой,

ориентированной на тип лечения терминологии, в целевых онтологиях возможно различное количество вершин на одном структурном уровне, т.е. одному абстрактному понятию могут

соответствовать несколько конкретных. Так формируются специализированные онтологии, адаптированные к конкретным видам лечения и требованиям пользователей. На основе данных онтологий формируются соответствующие БЗ по лечению заболеваний из различных разделов медицины.

В таблице соответствий для медикаментозной терапии (рисунок 8) основная спецификация начинается с уровня Комплекс воздействий , где термин Воздействие заменён на Действующее вещество . Уточнение разделов, формирующих различные параметры, свойства и ограничения происходит следующим образом. Вершина Блок характеристик заменяется на Вариант назначения , а термину Характеристика сопоставляется сразу несколько разделов: Разовая дозировка, Суточная дозировка, Вариант применения, Кратность приёма, Продолжительность приёма .

Таким образом, изменяя количество вершин и терминологию, обобщённая онтология адаптируется к конкретной онтологии, формируя специализированную онтологию по назначению медикаментозного лечения (см. рисунок 9А). Используя специализированную онтологию, создаётся соответствующая ей БЗ по медикаментозному лечению (см. рисунок 9Б).

Для адаптации к онтологии по восстановительной терапии используется другая таблица соответствий (см. рисунок 10).

▼ 14 [соответствие] ▼ вершина        ' v

] ^ Комплекс воздействий * [А] *

▼ вершины конкретной метаинформации ^ — Комплекс действующих веществ [А]

«Л в (t)

г 15 [соответствие)

▼ вершина О v ^ »> i— Воздействие [А] *

▼ вершины конкретной метаинформации J? Н- Действующее вещество [Л]

'  > Л м ©

►■ 16 [соответствие]

►■ 17 [соответствие]

▼ 1:8 [соответствие] >

▼ вершина       1 v ^

— Блок характеристик [Л] *

▼ вершины конкретной метаинформации ^ — Вариант назначения [Л]

« Л в ©

/ только просмотр подсети (тип: строковое) ]

]не отображать подсеть (тип: строковое)] <$ ▼ 19 [соответствие]

▼ вершина        ' v

]— Характеристика [Л] *

▼ вершины конкретной метаинформации

|—► Разовая дозировка [Л]

— Суточная дозировка [Л]

— Вариант применения * [Л]

\ — Кратность приема [Л]

— Продолжительность приема [Л]

Рисунок 8 – Таблица соответствий для медикаментозной терапии

модель терапии туберкулеза легких [Модель терапии] т Лекарственно-чувствительный режим [Схема терапии] ► Условия для назначения данной схемы лечения

V Клиническое излечение РХТ 1 [Цель терапии]

V Интенсивная фаза [Этап терапии)

• ►    Условие перехода к этапу

• ►    Продолжительность этапа терапии

• У    1 [Комплекс действующих веществ] т Продолжительность этапа терапии

• т Продолжительность определяется временем

60 О [Значение (сорт: вещественное)] сут [Единица измерения (сорт: строковое)]

• ► Блок одновременно используемых действующих веществ г 1 Рифампицин [Действующее вещество]

т 1 [Вариант назначения]

• V    Суточная дозировка

▼ Числовые значения

Ю.О [значение (сорт вещественное)] ; мт/кг [ед изм. (сорт строковое)]

• V    Дни приема

:т Качественные значения ежедневно (тип: строковое) т * I Пиразинамид [Действующее вещество]

v 1 [Вариант назначения)

• V    Суточная дозировка О

25.0 [значение (сорт: вещественное)] ■■

т Числовые значения

" мг/кг [ед.изм (сорт: строковое)] _________ D

• ►    Дни приема ре

• >    * J Этамбутол [Действующее вещество]

[ ► Дни приема

Рисунок 9 - Пример адаптации обобщённой онтологии к специализированной онтологии по назначению медикаментозного лечения и создания на её основе соответствующей БЗ:

А - фрагмент онтологии назначения медикаментозного лечения, Б - БЗ о лечении туберкулеза

Здесь термин Воздействие заменён на Методика ВЛ (восстановительного лечения) , а Блок характеристик сопоставляется с Режим проведения и Описание возможной / ожидаемой реакции при проведении процедуры . Термин Характеристика заменяется на Характеристика методики, Область / локализация применения реабилитационного фактора, Количество процедур, Продолжительность сеанса, Дни проведения.

В результате формируется специализированная онтология, соответствующая восстановительному лечению (см. рисунок 11А). Аналогично можно формировать различные БЗ по восстановительному лечению заболеваний (см. рисунок 11Б).

4 Обсуждение

Интеллектуальная поддержка врача при назначении лечения является важной и актуальной задачей. Наиболее адекватный метод её решения основан на использовании онтологических БЗ [13]. Одной из специфичных проблем данного класса задач является частое изменение знаний о лечении заболеваний. Учитывая, что заболеваний много (более 10 тыс. ) , что имеются различные подходы к их лечению в зависимости от возраста, состояния пациента, формы заболевания, степени тяжести и др., поддержка БЗ в актуальном состоянии становится трудоёмкой.

v вершина          ^ V

— Комплекс воздействий * [Л] *

• ▼    вершины конкретной метаинформации J* ‘ Ха».

—■ Комплекс методик восстановительного лечения |Л]

« Л а ф

15 [соответствие]

• ▼    вершина 2 ^v V

• —    Воздействие [Л] ’^00

• ▼    вершины конкретной метаинформации „ 'р

  -.Методика ВЛ [Л]

«Ла Ф

17[соответствие]

г вершина: ■

• — Характеристика |Л] *

• г вершины конкретной метаинформации 2-

• — Характеристика методики |Л|

Н» Область / локализация применения реабилитационного фактора [Л]

• — > Количество процедур [Л]

• - . Продолжительность сеанса [Л] Q ^ « v к 9

  
  

18 [соответствие]

• ▼    вершина f' v р

— Блок характеристик [Л] ’

• ▼    вершины конкретной метаинформации „ х / -

  -»Режим проведения [Л]

  -»Описание возможной / ожидаемой реакции при проведении процедуры [Л]

Рисунок 10 - Таблица соответствий для восстановительной терапии

Т Модель терапии (СПИСОК}

• ►    Ссылка на документ описывающий модель терапии ([=] 'copymm') (ref-new)

• ►    Условие модели терапии ([=] 'copymm') (ref-new)

• ▼    Схема терапии (СПИСОК)

• ► Условия для назначения данной схемы печения * ([=] 'copymm') (ref-new)

• ▼ Цель терапии {СПИСОК}

► Условия для выбора цели терапии ([=] 'copymm') (ref-new) ▼ Этап воздействия {СПИСОК}

► Продолжительность этапа терапии (= 'copy') (ref-new)

• ► * Комплекс методик восстановительного печения {СЛИСОК}

• ►    Альтернативный набор методик (= 'copy') (ref-new)

• ►    Совместно используемые методики * (= 'copy*) (ref-new)

• ▼ >. Методика ВЛ {СПИСОК}

> Условия применения методики ([+] 'setmm') (ref-new)

v >♦ Характеристика методики {СПИСОК}

▼ н Выбор типа значений {АЛЬТЕРНАТИВА}

► Качественные значения (= 'copy') (new) ► Числовые значения (= 'copy') (ref-new) ► Составные значения (= 'copy') (new) описать вариант альтернативы:

► Условие на характеристику ([=] 'copymm') (ref-new) описать элемент списка:

► Блок характеристик методики ([л] 'seqmm') (new)

• >    х Описание возможной / ожидаемой реакции при проведении процедуры ।

• ▼    >. Область / локализация применения реабилитационного Факто ра {СПИС

• ►    и Выбор типа значений (- 'proxy')

• ►    Условие на характеристику ([=] 'copymm') (ref-new) описать элемент списка:

> н Режим проведения (= 'copy4) (ref-new)

► Контроль ожидаемых побочных действий * ([=) 'copymm') (ref-new) Ряд терапии (сорт: строковое) ([!] 'onemm') (all)

описать элемент списка:

► Условия на комплекс (= 'copy') (ref-new) ► Дни применения (= ’copy1) (ref-new)

А

Доре / ■-’[Заболевание]

• ►    Коды МКБ-10

• ▼    Комплексная реабилитация больных дорсопатией поясничного отдела позвоночника.

• ►    Ссылка на документ описывающий модель терапии

• ▼    1 [Схема терапии]

т Снижение частоты характерных клинических симптом в [Цель терапии]

• V 1 [Этап воздействия]

► Продолжительность этапа терапии

▼ Комплекс методик восстановительного лечения

▼ Альтернативный набор методик

▼ J Ингаляции [Методика ВЛ]

Используемый сбор [►• Характеристика методики]

Качественные значения корень пиона отвар [значение (сорт строковое)!

/ знамение (сорт строковое) ] Q ф

/ Условие на характеристику /

• ▼    Алгарз распылитель [>• Характеристика методики]

) ▼ Качественные значения

ГЭГ-2 [значение (сорт строковое)]

/ знамение (сорт строковое) / ^ фф

/ Условие на характеристику ’

• ▼    Продолжительность процедуры (>* Характеристика методики]

• ► Числовые значения

• / Условие на характеристику / ф 0

Рисунок 11 - Пример адаптации обобщённой онтологии к специализированной онтологии по назначению восстановительного лечения и создания на её основе соответствующей БЗ:

А – фрагмент онтологии назначения восстановительного лечения,

Б – фрагмент БЗ по комплексной реабилитации

Поэтому в таких классах задач перед разработчиками БЗ и СППР в качестве ключевых требований выдвигаются следующие: изменение знаний не должно приводить к изменению программного кода решателя; формирование и сопровождение БЗ должно осуществляться носителем информации (экспертом ПрО) без посредников; система должна быть ориентирована на широкий класс заболеваний и поддерживать возможность описания любого вида лечения [14].

Технология разработки интеллектуальных систем с онтологическими БЗ на платформе IACPaaS поддерживает создание специализированных оболочек за счёт двухуровневого подхода к разработке БЗ. В соответствии с ним онтологии явно отделяются от БЗ, решатель задач основан на онтологии. Проводя аналогию с программированием, онтология является формальным параметром, алгоритм решения формируется с его использованием (т.е. решатель строится, используя онтологические термины), а конкретная БЗ является фактическим параметром. Таким образом обеспечивается независимость решателя от конкретной БЗ. Данный подход использовался авторами на протяжении ряда лет. Была создана оболочка для СППР по медикаментозному лечению. На её основе разработаны прикладные интеллектуальные системы – помощники врача по назначению лечения для ряда заболеваний (туберкулез, COVID-19, ОРВИ, болезни пищеварения, ишемическая болезнь сердца). Однако расширение функциональности системы - добавление восстановительного и хирургического лечения - потребовало бы разработать соответствующие онтологии и решатели. Несмотря на то, что онтология отделена непосредственно от БЗ, допускаются корректировки, уточне-ния/изменения терминологии, а это повлечёт изменение решателя (программного кода).

Эти факторы явились мотивацией разработки нового подхода, схема которого приведена на рисунке 12.

Рисунок 12 – Схема предлагаемого подхода к созданию интеллектуальных систем на основе обобщённой онтологии лечения

В предложенном подходе основу составляет обобщённая онтология лечения, которая через таблицу соответствия может быть адаптирована к целевой онтологии (восстановительного, медикаментозного, хирургического лечения). Универсальный решатель основан на обобщённой онтологии, поскольку все блоки и разделы обобщённой и специализированных онтологий имеют одинаковую структуру и семантический смысл и, как следствие, идентичный алгоритм обработки (решатель). Любая модификация онтологии не влечёт изменения решателя. Эксперты ПрО формируют БЗ в терминах специализированных онтологий, которые могут быть гибко (через таблицу соответствий) адаптированы к их требованиям.

Заключение

В работе представлена обобщённая онтология для назначения лечения и метод её адаптации к онтологиям, реализующим различные виды лечения. Эта онтология использована для разработки оболочки СППР по назначению лечения. Эксперты обеспечивают формирование её БЗ.

Предложенный подход к созданию системы на основе обобщённой онтологии лечения открыл возможность разработки универсального решателя, использующего различные специализированные онтологии, и соответствующих БЗ, а также объединения различных видов лечения в одной системе.

Для адаптации онтологии к конкретным условиям необходимо сформировать таблицу соответствий. Возможна адаптация онтологии к конкретным лечебным заведениям и специалистам, которые хотят использовать собственную специализированную онтологию, используя единый универсальный решатель. Такой подход позволяет снизить затраты на разработку и сопровождение интеллектуальных систем по назначению персонифицированного лечения.