Einsatzmöglichkeiten semantisch gestützter Wissensnetze in medizinischer Diagnosesoftware

Diplomarbeit von Oliver Würden

Zusammenfassung:

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der konzeptionellen Entwicklung und Anwendung eines semantisch gestützten Wissensnetzes, explizit für den Bereich der fach- oder abteilungsübergreifenden Diagnostik in Krankenhäusern oder Arztpraxen. Hierzu wird insbesondere auf die Wirkungs- und Funktionsweise, sowie die beispielhafte Implementierung eines webbasierenden Wissensnetzes eingegangen und dessen Abfrage- und Auswertungsmöglichkeiten behandelt. Dieses Tool, in Form eines Demonstrators, soll unter Eingabe eines Symptoms eigenständige Rückschlüsse zur eventuell vorliegenden Erkrankung des Patienten liefern. Zudem soll es auf eventuelle Differenzdiagnosen hinweisen, weitere Untersuchungsvorschläge oder Behandlungsmaßnahmen ausgeben und Vorschläge zur Medikamentierung und deren Wechselwirkungen ausweisen können. Somit könnte das hier entwickelte Verfahren - nach einer entsprechenden Ontologie- und Inhaltserweiterung beispielsweise als unterstützendes Tool zur Assistenzarztausbildung, aber auch als frei zugängliche Webapplikation für Anwender im World Wide Web (WWW) eingesetzt werden.

Ziel des Wissensnetzes ist es, Krankheitsarten, Symptome und deren Beziehungen zueinander zu interpretieren und im Anschluss verständlich zu repräsentieren und somit nutzbar zu machen.

Zu Beginn der Arbeit wird ein Einblick in die erforderlichen Grundlagen, sowie eine Einführung in die Thematik des Semantic Web gegeben. Hierauf aufbauend wird das Hauptaugenmerk auf die Konzeption und Realisierung der entsprechenden Ontologie mit den erforderlichen Relationen und Attributen, auf Basis von XML, RDF, RDF(s) und OWL gelegt. Diese Umsetzung wird anhand der Software K-Infinity der Firma I-Views entwickelt und repräsentiert. Mithilfe eines beispielhaft behandelten Suchszenarios soll auf die Möglichkeiten und erschaffenen Funktionalitäten eines solchen Wissensnetzes eingegangen werden. In diesem Zusammenhang stehen insbesondere die Such- und Auswertungsmöglichkeiten im Fokus der Betrachtung.

Abschließend erfolgt noch eine Bewertung, sowie ein Ausblick auf die möglichen Erweiterungsfunktionen, die zur kommerziellen Nutzung der hier behandelten Diagnosesoftware sinnvoll erscheinen könnten. Als Ausgangspunkt dieser Betrachtung wird von der Annahme ausgegangen, dass die Software im medizinischen Bereich genutzt und unter Berücksichtigung des vorausgegangenen Suchszenarios, die erreichte Funktionalität und Ablauffähigkeit auf sinnvolle Verbesserungen geprüft werden soll.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 4, Realisierung:

Als Einführung in den Bereich der Realisierung erfolgt eine Marktübersicht der aktuell gängigsten Ontologieeditoren und eine anschließende Beschreibung des für diese Arbeit ausgewählten ‘K-Infinity’- Editors. Den wesentlichen Bestandteil dieses Kapitels bildet jedoch die Überführung und somit die Konstruktion der konzipierten Ontologie-, Relations- und Attributstrukturen, womit es den eingangs anvisierten Demonstrator zu erstellen gilt. Abschließend erfolgt noch die Definition und Implementierung der Bereichsuchen und die erforderliche Überführung der benutzerdefinierten Sucharten in das Knowledge-Portal.

Marktübersicht und Auswahl des Ontologie Editors:

Wie bereits angesprochen, wurde sich bei der Erstellung und Überführung der Ontologien für den Editor ‘K-Infinity’ von der Firma I-Views entschieden. Dennoch sollen an dieser Stelle die beiden allternativ einsetzbaren Ontologieeditoren ‘Ontoprise’ und und ‘Protege’ Erwähnung finden.

Ontoprise:

Bei Ontoprise handelt es sich um eine kommerzielle Inferenzmaschine zur Verarbeitung von Ontologien, die alle SemanticWeb-Empfehlungen des W3C unterstützt, auf dessen Basis ontologiebasierte Anwendungen entwickelt werden.

Detaillierte Informationen können auf der Produktseite von Ontoprise eingesehen werden. Da die kostenlose Nutzung von Ontoprise auf drei Monate begrenzt ist und zudem noch zahlreiche Erweiterungen nur gegen Endgebühr freigeschaltet werden können, wurde sich im Vorfeld gegen Ontoprise entschieden. Dennoch bleibt es für professionelle Entwicklungen eines der leistungsfähigsten Produkte, die es derzeit auf dem Markt gibt.

Protege:

Protege ist wohl der bekannteste und zugleich verbreiteste Open-Source Ontologie-Editor, der durch die Universitäten von Manchester und Stanford in seinem Ursprung entwickelt wurde. Anhand zur Verfügung stehender Plugins können die gewünschten Erweiterungen, wie beispielsweise OWL, eingebunden und genutzt werden. Protege ist jedoch in seiner Funktionalität, insbesondere zur individuellen Deklaration von bereichsbezogenen Suchen, wie für einen Export zur späteren Webnutzung nur eingeschränkt geeignet. Die eingangs definierten Ziele wären nur mit einem relevanten Mehraufwand zu erzielen. Dennoch bietet auch Protege alle wesentlichen Funktionen zur Erstellung komplexer Ontologien und eignet sich insbesondere durch die zur Verfügung stehenden Tutorials sowohl für Neueinsteiger, als auch für fortgeschrittene Anwender. Eine vollständige Dokumentation, sowie die entsprechenden Downloadverlinkungen sind auf der zugehörigen Produktseite zu finden.

Auswahl des Ontologie-Editors K-Infinity:

Die Gründe für die Wahl des Ontologie-Editors K-Infinity sind vielfältig. Im Weiteren soll lediglich ein kurzer Überblick über die Leistungsfähigkeit erfolgen und eine gestraffte Begründung der Auswahl erfolgen.

K-Infinity selbst bildet eine Plattform, auf der alle Komponenten für eine umfassende Unterstützung der Wissensarbeit aufeinander abgestimmt sind. Angefangen bei der einfachen Definition selbst komplexer Wissensmodelle, über die zentrale und dezentrale Pflege der Strukturen, bis hin zur Nutzung und Verteilung von Wissensbeständen, umfasst es alle relevanten Funktionen.

Die Plattform setzt sich in diesem Zusamenhang aus den zwei wesentlichen Kernmodulen ‘Knowledge-Builder’ und ‘Knowledge-Portal’ zusammen, die über eine entsprechende Schnittstelle (Bridge) miteinander verbunden werden. Der Knowledge-Builder repräsentiert in diesem Kontext die eigentliche Entwicklungsoberfläche zum Aufbau und Pflege des Wissensnetzes. Er dient zum Anlegen und Strukturieren von Begriffen und Individuen, dem Definieren und Zuweisen von Relationen und bereichsbezogenen Suchen, bis hin zum Einrichten von Rechtesystemen innerhalb des Netzes.

Das zweite Kernmodul bildet das Knowledge-Portal, das über die bereits erwähnte Bridge, direkt auf das erstellte Wissensnetz zugreifen kann und zur Darstellung der hinterlegten Informationen in einem Browser dient. Hierzu bestehen Möglichkeiten der individuellen Anpassung in Form des Layouts und der Präsentation der Informationen. Zudem bietet es die zusätzliche Funktion der vereinfachten grafischen Darstellung des Wissensnetzes in Graphform, um Sachverhalte auf Wunsch visuell anzuzeigen und verdeutlichen zu können.

Insbesondere durch das Entgegenkommen der Firma I-Views, die die Software unentgeltlich für die Dauer der Diplomarbeit zur Verfügung stellte und dem angegliederten Knowledge-Portal, bietet K-Infinity eine Leistungsstärke, die von anderen Anbietern nicht erreicht werden konnte. Somit fiel die Wahl des zu verwendenden Ontologieeditors auf K-Infinity. Die eigentliche Verwendung des Demonstrators erfolgt weiter auf Basis eines eigens für die Software eingerichteten Localhosts. Für die Bearbeitung und Entwicklung des Demonstrators wurde auf einen handelsüblichen PC zurückgegriffen. Um das Knowledge-Portal auch auf einem Web- oder Betriebsserver zu betreiben, bedarf es einer individuellen Einrichtung durch die Firma I-Views, da hier die Schnittstelle zwischen Knowledge Builder und Knowledge-Portal entsprechend zu konfigurieren ist. Eine umfassende Dokumentation kann auf der Produktseite der Firma I-Views eingesehen werden. Hierunter finden sich auch Dokumentationen zum Aufbau und der Funktionsweise des Knowledge-Builder und des Knowledge-Portals, worauf an dieser Stelle verwiesen werden soll. Auf eine detaillierte Einführung der Software wird verzichtet, da die Benutzeroberfläche und benötigten Funktionen anhand der folgenden Kapiteln nachvollziehbar dokumentiert werden und zudem die freie Nutzung für Endverbraucher von I-Views nicht vorgesehen ist. Grundlegende Kenntnisse im Umgang und der Funktionsweise von Anwenderprogrammen werden vorausgesetzt.