APPLICATION OF THE ONTOLOGICAL APPROACH WHEN DESIGNING A MEDICAL MOBILE APP

Full Text

Введение Необходимость и актуальность вакцинопро- филактики в современных реалиях не вызывает сомнений. Вакцинация признана самым эффек- тивным способом защиты детей и взрослых от инфекционных заболеваний. Сегодня в мире при- меняют вакцины против более 50 инфекционных заболеваний. Но, несмотря на обилие данных, су- ществует недостаток достоверной информации в этой области. Иммунизация дошкольников долж- на осуществляться в соответствии с националь- ным календарем профилактических прививок, в котором содержатся сведения о необходимых прививках, сроках и кратности их проведения. В текущее время в Российской Федерации дей- ствует Национальный календарь профилактиче- ских прививок, утверждённый приказом МЗ РФ № 125н от 21.03.2014 (с изменениями, содержа- щимися в приказе МЗ РФ № 370н от 16.06.2016). Внедрение информационных технологий в медицинскую сферу оказывает положительное влияние на развитие новых способов организа- ции медицинской помощи населению: проведе- ние консультаций в режиме реального времени (в том числе и проведение on-line консилиумов); контроль за проведением операций; цифровиза- ция и обмен информацией о пациентах между различными медицинскими учреждениями и т. п. Актуальность применения медицинских мо- бильных приложений как в деятельности лечеб- ных учреждений, так и для отдельных пациентов растет. Цель применения медицинских мобиль- ных приложений заключается не в подмене вра- чей, а в желании улучшить систему здравоохранения для пациентов. Согласно [1], мобильное здравоохранение (mHealth) представляет собой подкласс перспек- тивного и динамично развивающегося направ- ления электронного здравоохранения (еHealth), основной задачей которого является предостав- ление мобильных и беспроводных технологий для информационной поддержки в области здра- воохранения, оказания медицинских услуг и обеспечения здорового образа жизни. В рамках mHealth может быть условно выделено пять ос- новных групп: программы (приложения) медицинской на- правленности; медицинские информационно-справочные службы, в том числе и экстренные телефонные службы; диагностические устройства для смартфо- нов, включая различные гаджеты (чипы, пояса, браслеты, очки и т. д.); мобильная телемедицина, предназначенная для дистанционного взаимодействия как внутри врачебного сообщества, так и для связи с паци- ентом; управление медицинскими данными, коор- динация рабочего процесса учреждений сферы здравоохранения. В работе описывается проект мобильного приложения класса mHealth, ориентированного на ведение индивидуального учета прививок до- школьникам. Для формального описания меди- цинских знаний, заложенных в приложение, был использован онтологический подход, являющий- ся одной из ключевых технологий в области ин- женерии знаний. Анализ публикаций, посвящённых вопросам разработки онтологий в области медицины, по- казал, что большая часть работ ориентирована на решение задач медицинской диагностики и планирования медикаментозного лечения с уче- том особенностей конкретного пациента [2-5]. В качестве исходной информации зачастую вы- ступают данные электронных медицинских карт, получивших повсеместное распространение в связи с процессом цифровизации медицинской сферы. Целью подобных исследований является разработка методов решения задачи медицинской диагностики с использованием знаний в форме терминологии, понятной врачам, и позволяющей определять не только диагноз пациента, но и при- чину каждого заболевания, а также отслеживать и объяснять изменение наблюдаемых значений симптомов с учетом индивидуальных особенно- стей пациента и происшедших с ним событий. Однако вопросы исследования онтологий, систематизирующих знания относительно вакцинирования, практически не затронуты. Также следует учитывать, что результаты медицинских исследований приводят к появлению значитель- ного числа данных, которые не успевают быть актуализированы и представлены в официаль- ных печатных изданиях. Как следствие - заин- тересованные пользователи (в рассматриваемом случае - родители) теряются в обилии не всегда проверенной информации. Выбор в пользу мобильного приложения как формы представления информации был обуслов- лен, во-первых, удобством, а во-вторых, распро- страненностью смартфонов. Принципы применения онтологий Эволюционное развитие прикладных инфор- мационных технологий происходит в сторону повышения их интеллектуальности. Методы ин- женерии знаний, в частности онтологический подход, в этих условиях становятся все более востребованными. Онтологии можно использо- вать практически везде, где требуется обработка данных, учитывающих их семантику. Сегодня онтология выступает основной стандартизации мировой системы знаний, в том числе языковой, системной, инженерной деятельности. Сформи- ровались международные профильные стандар- ты терминов и определений, а также ряд между- народных органов, ответственных за их ведение (ISO, W3С и др.) [6]. Онтологию сегодня можно рассматривать как спецификацию конкретной предметной области. Семантическое представление позволяет верба- лизовать и формализовать накопленные знания, т. е. вычленить понятия, отношения и структуры управления, необходимые для корректного опи- сания выбранной предметной области. Онтоло- гии представляют собой машиночитаемые опре- деления основных понятий предметной области и отношения между ними. Они кодируют знания из предметной области и знания из смежных предметных областей. В этом смысле они дела- ют знания возможными для повторного исполь- зования [7]. Другим преимуществом применения онтологий является возможность сбора, анализа и повторного использования структурированных знаний о предметной области, полученных из различных источников [8]. Онтологические структуры могут быть раз- работаны и использованы при решении разно- плановых задач и для многопользовательского совместного применения (как людьми-пользова- телями, так и программами) в различных обла- стях, в том числе и в медицине. Можно привести примеры следующих медицинских онтологий: Galen (определение клинической картины забо- левания), UMLS (разработана для Национальной медицинской библиотеки США), ON9 (для атте- стации известных медицинских систем по раз- личным параметрам). Параллельно существуют инженерные онтологии, онтологии деятельности предприятий, химические, биологические и мно- гие другие онтологии. Как показал анализ, в настоящее время от- сутствует универсальная онтологическая мо- дель, позволяющая следовать рекомендациям по вакцинопрофилактике и способствующая про- филактике инфекционных заболеваний для до- школьников. Поэтому в рамках данной работы предлагается формирование такой онтологии и дальнейшее ее использования при проектирова- нии базы знаний мобильного приложения «При- вивки дошкольникам». Создание онтологии предметной области в Protégé Существует множество редакторов онтоло- гий, предназначенных специально для создания, корректировки и анализа онтологий. Они отли- чаются между собой по используемому формату представления онтологий, методу визуализации и сложности. К наиболее известным инструментам можно отнести [9; 10]: Ontolingua - первый редактор онтоло- гий, разработанный в KSL (Knowledge Systems Laboratory) Стенфордского университета (http:// www.ksl.stanford.edu/software/ontolingua); Protégé - локальная, свободно распростра- няемая Java-программа, разработанная группой медицинской информатики Стенфордского уни- верситета (http://protege.stanford.edu); OntoStudio - коммерческий редактор онтоло- гий, характеризующийся довольно обширными функциональными возможностями (https://www. semafora-systems.com, Университет Karlsruhe); WebOnto - Java-апплет для разработки он- тологических структур (http://projects.kmi.open. ac.uk/webonto); OilEd - автономный графический редактор онтологий, разработан в Манчестерском универ- ситете (https://www.manchester.ac.uk), распростра- няется по общедоступной лицензии GPL и др. Большая часть редакторов предоставляет воз- можность формального отображения семантиче- ской сети. К общим недостаткам следует отнести отсутствие процедур автоматизированного фор- мирования компонент онтологии, ограничение на работу с большим количеством концептов, недо- статок детальной документации. На основании проведенного анализа выбор был сделан в пользу редактора Protégé, имеюще- го широкие функциональные возможности и рас- пространяемого на основе свободной лицензии. Кроме того, Protégé имеет хорошо проработан- ную пользовательскую документацию [11], под- держивающуюся разработчиками, учеными, кор- поративными пользователями из разнообразных областей. Структура онтологии в общем виде состоит из набора элементов следующих категорий: со- вокупность концептов (понятий), отношений между ними, классификация понятий и их таксо- номия [12]. Сложность создания медицинской онтологии связана с требованием отражения протекающих внутренних процессов в организме (возраст, склонность к аллергии, сопутствующие заболе- вания и т. п.) и их не всегда интуитивно понятных связей (с внешними проявлениями или между со- бой) [3]. Согласно [4], модель медицинской предмет- ной области должна соответствовать следующим требованиям: терминология базы знаний должна быть понятна специалистам в данной области медицины, формализуемые знания должны быть полезны в течение всего времени эксплуатации системы; должна быть предусмотрена возмож- ность пополнения базы знаний, и желательно наличие механизма автоматического накопления результатов верификации принятых решений (в большей степени последнее требование отно- сится к медицинской диагностике). Для выполнения функций мобильного прило- жения «Прививки дошкольникам» были опреде- лены основные классы онтологической модели: класс «Карта ребенка», ориентированный на хранение краткой информации о ребенке (ФИО, пол, дата рождения, адрес, хронические забо- левания, непереносимости лекарств). Изучение элементов этого класса позволяет определять, какие прививки допустимо назначать ребенку с учетом имеющихся у него заболеваний и аллер- гических реакций на лекарства; классы «Сведения о лекарственных препа- ратах» и «Справочная информация о прививках» предназначены для ознакомления родителей с ак- туальной информацией о прививках и вакцинах; класс «Паспорт прививок», содержащий атрибуты: название прививки, дату прививки, ме- сто вакцинации, ФИО лечащего врача, - вовремя Рисунок 1. Основные концепты предметной области «Вакцинация дошкольников» и их взаимосвязь Рисунок 2. Экземпляры класса «Справочная информация о прививках» информирует родителей о предстоящей привив- ке уже с назначенным лечащим врачом и местом вакцинации; - класс «Реакция» введен для проверки реак- ций ребенка с установленной нормой реакции прививки. Сбор и постепенное накопление информации в базе знаний системы позволяют сформировать знания о прививках и вакцинах, определить их причинно-следственные связи, формализовать эти знания в соответствии с требованиями ис- пользуемой системы управления базами знаний. На рисунке 1 представлена семантическая сеть основных концептов, на которой видна связь классов и его атрибутов. Здесь онтология пред- метной области, с одной стороны, рассматривает- ся как высокоуровневый интерфейс к внутренней базе данных, обеспечивая к ним доступ. А с дру- гой стороны, она формирует формат представления данных в самом приложении в виде тех же объектов предметной области и отношений меж- ду ними, что позволяет упростить и унифициро- вать обмен информацией между разнородными компонентами и модулями приложения. После создания классов необходимо создать слоты, которые являются атрибутами класса. Для любого класса онтологии программа Protégé ге- нерирует форму для ввода данных экземпляра. Формы содержат поля ввода данных (виджеты) для каждого слота, связанного с классом [13]. Пример заполнения класса экземплярами представлен на рисунке 2. В разрабатываемом мобильном приложении предполагается использовать онтологическое представление не только как инструмент струк- туризации предметной области, но и как основу базы данных, что позволяет достигать едино- образия и согласованности между экспертами и разработчиками. В частности, в онтологии определяются структура и свойства элементов семантической сети, а в терминах классов и от- ношений онтологии описываются посылки и за- ключения продукционных правил. Каждая вакци- нация в разработанной онтологии представлена альтернативными симптомокомплексами (побоч- ными реакциями) в виде следующих структур: <вакцинаi, симптомокомплексij, [необходимое условиеi]>; <симптомокомплексj, {признакk, частота проявления, диапазон значения признакаj}>. В терминах онтологии были заданы правила вывода, что облегчает их понимание и структу- рирование экспертами. Краткое техническое задание на разработку мобильного приложения Перед началом работы над мобильным прило- жением был проведен анализ рынка существую- щих приложений-аналогов с целью изучения их сильных/слабых сторон. Несмотря на значительное число мобильных приложений mHealth-класса, функционирующих на рынке, программные разработки в области именно вакцинопрофилактики детей представле- ны довольно скудно. Наибольшее распростране- ние получили три следующих приложения. Календарь прививок (издатель - Double- Rouble): приложение помогает сформировать индивидуальный график вакцинации конкретно- го ребенка, рассчитав сроки вакцинации по дате рождения. Построенный на основании только даты рождения, календарь не может учесть ме- дицинские противопоказания, поэтому реальный календарь вакцинации может отличаться от рас- четного. Около каждой прививки указывается оп- тимальный для вакцинации возраст. Vaxini (издатель - Wogic GmbH): данное приложение представляет собой календарь при- вивок и формирует напоминание для вакцинации на основании рекомендованного национального календаря профилактических прививок конкрет- ной страны. Разработчиком заявлено, что при- ложение поддерживает все страны мира. К пре- имуществам данного приложения также следует отнести ориентированность на все возрастные категории: расписание прививок новорожден- ным, грудничкам, детям до года и старше, под- росткам, взрослым. Предусмотрена возможность напоминания о записи на прием к врачу на сле- дующую прививку. К наиболее существенным недостаткам следует отнести отсутствие графика ревакцинации, не хватает некоторых марок вак- Таблица. Сравнение аналогов Признаки Календарь прививок Vaxini Календарь Free Просмотр инфор- мации о прививке да да да Напоминание о прививке да да да Изменение графика нет да нет Учет состояния ребенка нет нет нет Хранение фотографий нет нет нет Формирование отчета нет нет нет цин, а также большое количество рекламы, что затрудняет комфортное использование приложе- ния. Календарь прививок Free (издатель - ком- пания Fun4Mass Soft). Бесплатная версия поддер- живает приказ Министерства здравоохранения РФ от 21.03.2014 № 125н «Об утверждении наци- онального календаря профилактических приви- вок и календаря профилактических прививок по эпидемическим показаниям». Ориентирован на формирование индивидуального графика вакци- нации в зависимости от даты рождения ребенка, позволяет корректировать график в случае, если какая-то из прививок сделана невовремя. На основании выполненного анализа была сформирована сравнительная таблица и сфор- мулированы следующие требования к функцио- нальным возможностям мобильного приложения для учета вакцинации. Предоставление справочной информации о графике прививок. Мобильное приложение должно содержать сведения о национальном гра- фике профилактических прививок, что позволит использовать приложение в качестве справки. Также должно быть предусмотрено обновление справочных данных в случае корректировки на- ционального графика профилактических приви- вок. Хранение информации о прививках ребен- ка. Мобильное приложение должно хранить не только сведения о сделанных ребенку прививках (дата проведения, наименование вакцины, воз- раст ребенка на момент вакцинации и пр.), но и сведения о реакции ребенка на ту или иную при- вивку. Содержание сведений о лекарственных пре- паратах (вакцинах): пользователю должны быть предоставлены справочные сведения об исполь- зуемых при вакцинации лекарственных препаратах. Следует указать, что в прототипе мобиль- ного приложения первоначально не планируется решать задачу учета аналогов/дженериков и ори- гинальных препаратов. Содержание справочных сведений о при- вивках. Мобильное приложение должно предо- ставлять пользователю возможность ознаком- ления с информацией о проводимых прививках. Данная информация должна включать в себя: препарат, который используется в прививке, тех- нику прививания, перечень противопоказаний, возможные реакции и осложнения на прививку. Формирование графика прививок в зависи- мости от даты рождения и корректировка графика в зависимости от состояния ребенка. В мобиль- ном приложении должна быть предусмотрена возможность смещения даты в случае несвоевре- менной вакцинации, а также пользователю долж- на быть доступна возможность самостоятельного переноса даты прививки при плохом самочув- ствии ребенка. Формирование уведомления (оповещения) о прививках. Приложение должно присылать push- уведомления (краткие всплывающие оповеще- ния, которые появляются на экране мобильного телефона) пользователю, тем самым напоминая ему о времени проведения следующей вакцина- ции. Хранение фото (например, для отслежива- ния реакции на прививку). Мобильное приложе- ние должно поддерживать функцию хранения фотографий для добавления комментария при за- писи к врачу, уточнения нормы реакции ребенка на прививку, а также для установки в виде авата- ра главного профиля ребенка и пользователя. Возможность резервного копирования ин- формации. Для восстановления личных данных, приложение должно поддерживать синхрониза- цию учетных данных аккаунта, которую по жела- нию пользователя можно включать и выключать в настройках приложения. Возможность вывода информации на печать (в виде pdf-отчета). Приложение должно позво- лять пользователю формировать отчет о сделан- ных прививках ребенка за указанный интервал времени в виде pdf-файлов. Также может быть предусмотрена возможность отправки отчета на электронную почту пользователя, указанную при регистрации. Возможность поддержки календаря других стран. Необходимо предусмотреть возможность регулярного обновления локальных расписания стран и препаратов для вакцинирования на осно- ве информации, предоставленной Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) и местными органами здравоохранения. Возможность добавления индивидуальной прививки. Помимо стандартных прививок, нахо- дящихся в графике прививок ребенка, пользова- телю должна быть предоставлена возможность добавления индивидуальной прививки. Заключение В статье рассматриваются аспекты проектиро- вания мобильного приложения, основной целью которого является обеспечение эффективной ин- формационной поддержки родителей в области вакцинирования ребёнка. Как правило, родители при принятии решения вакцинировать ребенка или нет, оценивают риски появления побочных реакций, сравнивая его с риском, связанным с самой болезнью. Имея под рукой мобильное приложение, в котором в доходчивой форме и необходимом объеме представлена медицинская информация, сделать такой выбор будет гораздо проще. Предлагается онтологическая модель, созда- ваемая в редакторе Protégé, на базе которой разра- ботан проект мобильного приложения учета вак- цинации для дошкольников. Основной задачей создания онтологии являлась попытка избавиться от избыточности и многозначности информации, характерной для медицинской области. Предла- гаемая онтология позволяет визуализировать и систематизировать разрозненные понятия, учи- тывать множество логических связей между тер- минами, а также формализовать взаимосвязи о прививках, вакцинах, о реакциях на вакцинацию и т. п. Также выполнен сравнительный анализ имеющихся аналогов мобильного приложения, и сформулированы основные требования и функ- циональные возможности.

About the authors

E. A Gorobets

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: liza.gorobets@mail.ru
Samara, Russian

A. R Diyazitdinova

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: dijazitdinova@mail.ru
Samara, Russian

References

Supplementary files