Construção de uma Ontologia para um Hospital

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1 Construção de uma Ontologia para um Hospital Jonas B. Gassen, Matheus Coppetti, Leandro O. Freitas, Elenice Martins e Giovani Rubert Librelotto 1 UNIFRA - Centro Universitário Franciscano Rua dos Andradas, 1614, Santa Maria, RS, Brasil. {jbgassen, mattdelarge,leanfrts}@gmail.com, giovani@unifra.br Abstract. In a pervasive environment, there is a big diversity of entities and relationships between them. One of the most appropriate ways to do the representation of this knowledge are the ontologies. Thus, this paper describes the construction process of a ontology for a hospital, in order to use it in a pervasive environment. This ontology will be represented with OWL language. Resumo. Em um ambiente pervasivo, há uma grande diversidade de entidades e relacionamentos entre elas. Uma das maneiras mais adequadas para a representação deste conhecimento são as ontologias. Deste modo, este artigo descreve o processo de construção de uma ontologia para um contexto hospitalar, a fim de utilizá-lo em um ambiente pervasivo. Esta ontologia será expressa em OWL para sua aplicação em um hospital. 1. Introdução Computação Pervasiva é a proposta de um novo paradigma computacional, que permite ao usuário o acesso a seu ambiente computacional a partir de qualquer lugar, todo o tempo [Saha and Mukherjee 2003]. O usuário poderá utilizar equipamentos com diferentes perfis de hardware, que poderão ter suporte a operação móvel ou não. O surgimento de publicações em editoriais internacionalmente reconhecidos atesta a acelerada disseminação desta proposta. A computação pervasiva requer que as tarefas computacionais estejam cientes dos ambientes adjacentes e das necessidades dos usuários, além da capacidade de adaptação a estes. Uma das noções fundamentais na computação pervasiva é a sensibilidade ao contexto. Por contexto entende-se qualquer informação relevante que pode ser utilizada para caracterizar a situação de alguma entidade. Por sua vez, a computação sensível ao contexto define-se pelo uso de características do ambiente, tais como a localização do usuário, tempo e atividade para permitir que aplicações adaptem-se às situações e forneçam informações relevantes ao usuário. Assim, uma das maneiras mais adequadas de representação de contexto é através de ontologias. Em uma ontologia, os relacionamentos são definidos formalmente e a semântica de um dado relacionamento é detalhada. Se esses relacionamentos possuem certos nomes apropriados que identificam seu significado, um humano visualizando uma ontologia pode entendê-la diretamente; assim como um programa pode assumir a semântica de um dado relacionamento e atuar sistematicamente através da mesma. OWL (Web Ontology Language) é uma linguagem para definir e instanciar ontologias, fornecendo uma

2 especificação que permite representar conhecimento - em particular o conhecimento conceitual - com o qual se distingue recurso de informações semanticamente. O processo de construção de ontologias não é uma tarefa trivial, tendo em vista que para a definição da mesma é necessário um conhecimento especializado de forma a não haver qualquer tipo de ambiguidade e contestações quanto a sua validade. Sendo assim, este artigo tem como objetivo principal a descrição do processo de criação de uma ontologia para descrever o domínio de conhecimento de um hospital, de modo que esta ontologia possa ser utilizada para a interação entre as entidades em um ambiente pervasivo. O artigo está estruturado da seguinte forma: a seção 2 apresenta uma revisão bibliográfica sobre computação pervasiva. Por sua vez, a seção 3 introduz o ambiente pervasivo em questão: um hospital. O processo de construção da ontologia para o hospital está descrito na seção 4. Antes de concluir o artigo, os trabalhos relacionados são citados na seção Computação Pervasiva A computação pervasiva é tida como o novo paradigma do século XXI, e visa disponibilizar informações e recursos aos usuários a qualquer hora e em qualquer lugar [Saha and Mukherjee 2003]. O conceito de computação pervasiva implica que o computador está disposto em um ambiente de forma invisível ao usuário. Assim, o computador tem a capacidade de obter informações deste ambiente e utilizá-la para construir modelos computacionais dinamicamente, ou seja, controlar, configurar e ajustar a aplicação para melhor atender as necessidades do usuário. O ambiente também deve ser capaz de detectar outros dispositivos que venham a fazer parte dele. Desta interação surge a capacidade de computadores agirem de forma inteligente em um ambiente povoado por sensores e serviços computacionais [de Araujo 2003]. Mark Weiser [Weiser 1991] descreveu a computação pervasiva como ambientes inteligentes cheios de dispositivos computacionais que interagiam com os usuários de forma tão natural a ponto de fazer parte deste ambiente, sendo considerados invisíveis. Naquela época os componentes de hardware necessários para tornar estes ambientes uma realidade eram muito restritos. Weiser, no artigo entitulado The origins of ubiquitous computing research at PARC in the late 1980, mostrou sua visionária proposta quanto ao futuro da computação, na qual recursos de computação onipresentes se ajustariam, de forma autônoma, para atender os usuários. Embora a proposta original de Weiser quanto à Computação Ubíqua ainda esteja distante de uma prática cotidiana alicerçada por produtos de mercado [Satyanarayanan 2001], sua proposta vem se materializando, pouco a pouco, através da disponibilização de tecnologias como PDAs, SmartPhones e a consolidação de padrões para redes sem fio como o Bluetooth e o IEEE Com o passar dos anos, a evolução do hardware foi permitindo a construção de dispositivos cada vez menores e mais portáveis, com um poder de processamento consideravelmente maior e um custo bem mais baixo. O avanço da tecnologia de comunicação sem fio começa a tornar realidade a idéia de disponibilizar a informação a qualquer hora e em qualquer lugar.

3 As aplicações de um ambiente pervasivo devem ser sensíveis ao contexto, ou seja, elas devem reconhecer possíveis mudanças no ambiente e se adaptarem em tempo de execução, estando sempre atualizadas, trabalhando de forma dinâmica. A questão da adaptação é muito importante, pois um ambiente pervasivo pode vir a se tornar bastante heterogêneo, já que o ambiente pode possuir uma grande variedade de dispositivos com diferentes plataformas de processamento. A computação pervasiva propõe um modelo computacional que integra de forma transparente os dispositivos de hardware e software existentes hoje, afim de proporcionar aplicações que facilitam o desenvolvimento das tarefas do usuário quando ele se encontra em um ambiente inteligente [Moschetta 2006]. A proposta descrita neste artigo é de criar uma ontologia que auxilie a implementação de um ambiente pervasivo em um contexto hospitalar. Nas próximas seções serão descritas detalhadamente como será montado este ambiente em uma UTI e também como foi criada a ontologia. 3. Um Hospital como um Ambiente Pervasivo De modo a definir o contexto a ser representado, fez-se uma consulta envolvendo médicos e enfermeiros para o levantamento de requisitos em ambiente hospitalar. Essa consulta envolveu encontros periódicos a fim de perceber melhor o problema a ser abordado resultando, por fim, em uma abstração das entidades e das relações entre as mesmas dentro do ambiente pervasivo. Como um hospital é um ambiente complexo, envolvendo diversas salas, cada uma com sua finalidade específica contendo uma diversidade de entidades e relações, optou-se por representar um sub-domínio deste hospital, o qual pode ser visualizado na figura 1. O ambiente a ser representado possui como entidades (classes) Aparelho, Pessoa, Paciente, Enfermeiro, Médico, Acompanhante, UTI, Medicamento e Tratamento. Figure 1. O hospital como ambiente pervasivo Dentro deste ambiente pervasivo, algumas relações entre as entidades podem ser destacadas. Por exemplo, a propriedade indicar define o relacionamento onde um médico indica um tratamento a um paciente. Por sua vez, um médico pode receitar um medicamento a um paciente (propriedade receitar) e também atender pacientes (propriedade atender). Os enfermeiros podem assistir os pacientes (propriedade assistir), assim como

4 os médicos, eles podem utilizar aparelhos (propriedade utilizar). Os pacientes podem ser acompanhados por familiares, amigos e/ou conhecidos (propriedade acompanhar). Além disso, uma UTI possui aparelhos (propriedade possuir). Como pode-se perceber, os relacionamentos entre as entidades formam uma rede semântica, a qual será a base da ontologia a ser criada. 4. Processo de Construção da Ontologia para o Hospital Nesta sessão são apresentados os passos para a construção da ontologia, a qual será representada em OWL Full [McGuinness and van Harmelen 2004]. Esta ontologia foi construída usando as ferramentas Protegé [Horridge et al. 2004] e ALTOVA Semantic Works. Esta seção é dividida em duas partes, onde a primeira apresenta ontologias e a segunda parte, fala das classes e as propriedades desta Ontologias e OWL Uma ontologia pode ser vista como uma especificação formal e explícita de uma conceituação compartilhada [Gruber 1995], onde conceituação se refere ao modelo abstrato de algum fenômeno do mundo o qual identifica conceitos relevantes do próprio fenômeno [Studer et al. 1998]. O primeiro uso de ontologias em sistemas de computação foi através dos sistemas de inteligência artificial. Depois disto, o uso de ontologias foi proposto como a base de um sistema de informação nos chamados sistemas de informação baseados em ontologias [Guarino 1998]. A linguagem OWL tem base na lógica de descrição e pode ser ser definida em três sub-linguagens, sendo que cada uma corresponde a uma lógica de descrição [Hinz 2006]. OWL Lite, dá suporte aos usuários que primeiramente necessitam de uma classificação hierárquica e restrições simples, pois possui uma complexidade formal menor do que as demais linguagens. OWL DL é dedicada aos usuários que necessitam de expressividade máxima para o processamento computacional e decidibilidade (todas as computações serão finalizadas em um tempo finito), é assim denominada pois tem correspondência com a lógica de descrições. A OWL Full é destinada aos usuários que desejam expressividade máxima e liberdade de sintaxe do RDF, porém, sem garantia computacional [McGuinness and van Harmelen 2004]. O uso de OWL Full, mesmo tendo maior poder do que a OWL DL e OWL Lite, possui o contratempo de ter um maior custo de decisão devido a sua maior expressividade, que possibilita ao programador uma maior liberdade na hora de escrever o código tornando-o mais complexo ao ser processado pelo computador. A lógica de descrição tem sua sintaxe composta por conceitos e papéis, onde os conceitos representam as classes, que são conjunto de indivíduos que apresentam as mesmas características gerais,e os papéis são representados pelos indivíduos pertencentes a cada classe [Hinz 2006]. A linguagem OWL é uma recomendação do W3C para representação de ontologias. Para este ambiente, foram definidas várias classes, as quais foram brevemente citadas na seção 3. Na figura 2 é apresentada uma visão geral desta ontologia, onde percebe-se as classes e a hierarquia entre estas.

5 Figure 2. Parte da hierarquia entre as classes da ontologia 4.2. Classes e Propriedades da Ontologia Sobre modelagem das classes, é importante salientar algumas informações. A classe pessoa foi definida como uma classe abstrata, pois não poderá haver nenhum indivíduo pertencente apenas a esta classe. Esta classe abstrata será a super-classe das classes: médico, enfermeiro, paciente ou acompanhante. Para todas as subclasses de pessoa foram atribuidas duas propriedades em comum: nome e idade. Com exceção da propriedade utilizar, comum a médico e enfermeiro (referente à capacidade de utilizar aparelhos), todas as demais propriedades das classes são distintas. As propriedades têm a função de identificar as classes e também definir ações que podem ser exercidas pelas mesmas. Como exemplo de uma propriedade de dados, podemos citar a propriedade nome, que representa o nome de um indivíduo de qualquer uma das subclasses de pessoa. Para exemplificar uma propriedade que define uma ação correspondente à uma determinada classe, pode-se usar a propriedade receitar, a qual refere-se a ação de um indivíduo da classe médico que receita um (ou mais) medicamentos. A classe médico é uma subclasse de pessoa, portanto ela herda de sua superclasse as propriedades nome e idade. A figura 3 mostra a relação da classe médico e suas propriedades exclusivas. Figure 3. Grafo Médico x Propriedades

6 O trecho de código OWL a seguir mostra a criação da classe médico. <owl:class rdf:id="medico"> <rdfs:subclassof rdf:resource="#clinico"/> </owl:class> Por sua vez, o código a seguir apresenta a definição da propriedade atender, onde o domínio da propriedade é qualquer indivídio da classe médico e o limite da propriedade pode ser qualquer indivíduo da classe paciente. <owl:objectproperty rdf:about="#atender"> <rdfs:range rdf:resource="#paciente"/> <rdfs:domain rdf:resource="#medico"/> <owl:inverseof rdf:resource="#atendido_por"/> </owl:objectproperty> Em OWL, o elemento owl:objectproperty indica a criação de uma propriedade que relaciona duas classes [McGuinness and van Harmelen 2004, de Lima and de Carvalho 2005]. No caso da propriedade atender, elemento rdfs:domain identifica a quem pertence esta propriedade, enquanto o elemento rdfs:range identifica a classe que um médico irá atender (no caso, paciente). Como visto anteriormente, nem sempre uma propriedade caracterizará uma ação, podendo apenas identificar uma característica de uma classe. Isto pode ser observado no trecho de código OWL a seguir, onde owl:functionalproperty não define uma ação, e sim o nome de uma determinada pessoa. Como este elemento não relaciona classes, o limite em questão será um tipo de dado. Observa-se no elemento rdfs:range a referência ao tipo de dados string, indicando que o range não será uma outra classe e sim um dado do tipo string [McGuinness and van Harmelen 2004, de Lima and de Carvalho 2005]. Como visto anteriormente, nem sempre uma propriedade caracterizará uma ação, podendo apenas identificar uma característica de uma classe. Isto pode ser observado no trecho de código OWL a seguir, onde owl:datatypeproperty não define uma ação, e sim os princípios ativos de um certo medicamento. Como este elemento não relaciona classes, o limite em questão será um tipo de dado. Observa-se no elemento rdfs:range a referência ao tipo de dados string, indicando que o princípio ativo de um medicamento não será uma outra classe e sim um dado do tipo string, pois ao contrário do visto na figura3 não tem-se uma ObjectProperty, mas sim uma DatatypeProperty, uma propriedade onde uma classe se relaciona com algum tipo de dado, podendo ser numérico, booleano, string entre outros [McGuinness and van Harmelen 2004, de Lima and de Carvalho 2005]. <owl:datatypeproperty rdf:id="pricipio_ativo"> <rdfs:range rdf:resource=" <rdfs:domain rdf:resource="#medicamento"/> <rdfs:label rdf:datatype=" Pricipio Ativo</rdfs:label> </owl:datatypeproperty> O processo de manipulação da ontologia construída está a cargo do Jena 1. O Jena é um framework para a construção de aplicações para a Web Semântica. Ela fornece uma ambiente para a manipulação de ontologias em linguagens como OWL, contendo um motor de inferência baseado em regras. Com isso, os componentes do ambiente pervasivo aqui modelado poderão não apenas fazer consultas sobre a ontologia, como também efetuar alterações na mesma, conforme o necessário. 1

7 5. Trabalhos Relacionados Analisando as idéias propostas neste artigo, é possível relaciona-lo com outros projetos com foco no uso de ontologias em ambientes pervasivos. O projeto Co- BrA [Chen and Finin 2003], assim como este projeto, utiliza uma ontologia própria, chamada CoBrA-Ont, desenvolvida em OWL. O CoBrA foi desenvolvido para ser utilizado em ambientes inteligentes, tendo estruturas físicas e lógicas específicas. O projeto apresentado neste artigo terá como ambiente inteligente um ambiente médico-clínico, como por exemplo, um hospital. Por sua vez, o Context Management System (CxMS) [Jahnke et al. 2005] tem como objetivo a implantação de um sistema sensível ao contexto [Schilit and Theimer 1994] em um ambiente hospitalar. Foram usadas ontologias base, tendo como as mais importantes a HL7 Reference Information Model (RIM) e a HL7 Clinical Document Architecture (CDA). Utilizando a ferramenta Microsoft SharePoint que serve para criação de websites sensíveis a contexto em uma Intranet, com suporte a documentos Office [Jahnke et al. 2005]. 6. Conclusão A Computação Pervasiva, plataforma escopo deste artigo, se mostra uma etapa indispensável a ser consolidada no caminho de propostas como a de Weiser. Mesmo tendo uma premissa mais próxima das tecnologias de hardware e software atualmente praticadas, a Computação Pervasiva constituirá ainda um campo fértil para ofertas de produtos e desenvolvimento de pesquisas nos próximos anos [Satyanarayanan 2001]. Este novo cenário prevê uma mobilidade física (dos equipamentos e/ou dos usuários) e do software (componentes da aplicação e serviços). Para isto, o sistema de suporte à execução deve permitir que o usuário possa acessar seu ambiente computacional independente de localização e de tempo. Este sistema usa a metáfora de um ambiente virtual do usuário, onde as aplicações têm o estilo siga-me (follow-me applications). Logo, para viabilizar esse novo estilo de programação é necessário uma infra-estrutura de suporte para o projeto, implementação e execução do software a ser desenvolvido. Este é o objetivo do projeto que inicia-se com este artigo. A idéia é que um hospital seja visto como um ambiente pervasivo, de modo que os componentes da aplicação e serviços possam usufruir da mobilidade dentro deste ambiente. Com a ontologia proposta no artigo, as tarefas do dia-a-dia hospitalar poderão ser compartilhadas por todos os componentes deste ambiente pervasivo. O próximo passo neste projeto é integrar essa ontologia com o conhecimento existente no UMLSKS [Bangalore et al. 2003]. O UMLS Knowledge Source Server (UML- SKS) é um sistema projeto pela National Library of Medicine (NLM) para auxiliar profissionais e pesquisadores da saúde e integrar sistemas de informação biomédicos a partir de uma variedade de banco de dados bibliográficos e sistemas especialistas. Utilizarse-á de ferramentas, como o Metamorphosis [Librelotto et al. 2006], para a geração automática de ontologias em OWL a partir dos arquivos do UMLSKS. Com isso, a ontologia abrangerá um domínio ainda mais amplo, pois estará padronizada com os termos encontrados no UMLSKS.

8 References Bangalore, A., Thorn, K. E., Tilley, C., and Peters, L. (2003). The UMLS Knowledge Source Server: An Object Model For Delivering UMLS Data. AMIA Annual Symposium Proceedings. Chen, H. and Finin, T. (2003). An ontology for a context aware pervasive computing environment. IJCAI workshop on ontologies and distributed systems, Acapulco MX. de Araujo, R. B. (2003). Computação Ubíqua: Princípios, Tecnologias e Desafios. XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores. de Lima, J. C. and de Carvalho, C. L. (2005). Ontologias - owl (web ontology language). Technical Report - RT-INF Relatório Técnico, Instituto de Informática Universidade Federal de Goiás. Gruber, T. R. (1995). towards principles for the design of ontologies used forknowledge sharing. volume 43. International Workshop on Mobile Computing Systems and Applications. Guarino, N. (1998). Formal ontology and information systems. Proceedings of the 1st International Conference on Formal Ontologies in Information Systems. Hinz, V. T. (2006). Proposta de criação de uma ontologia de ontologias. UPGRADEesin/ucpel. Horridge, M., Knublauch, H., Rector, A., Stevens, R., and Wroe, C. (2004). A Pratical Guide To Building OWL Ontologies Using The Protégé-OWL Plugin CO-ODE Tools Edition 1.0. Jahnke, J. H., Bychkov, Y., Dahlem, D., and Kawasme, L. (2005). Context-aware information services for health. Department of Computer Science - University of Victoria. Librelotto, G. R., Ramalho, J. C., and Henriques, P. R. (2006). Metamorphosis - A Topic Maps Based Environment to Handle Heterogeneous Information Resources. In Lecture Notes in Computer Science, volume 3873, pages Springer-Verlag GmbH. McGuinness, D. L. and van Harmelen, F. (2004). Owl - web ontology language overview. Moschetta, E. (2006). Orientação a objetos aplicada à computação pervasiva. I Congresso Simulado de Técnicas de Programação (CONSIPRO). Saha, D. and Mukherjee, A. (2003). Pervasive Computing: a Paradigm for th 21st Century. volume 36, pages IEEE Computer, New York: IEEE Computer Society. Satyanarayanan, M. (2001). Pervasive Computing: Vision and Challenges. IEEE Personal Communications, New York. Schilit, B. and Theimer, M. (1994). Disseminating active map information to mobile hosts. IEEE Network. jsp?url=/iel3/65/7582/ pdf?temp=x. Studer, R., Benjamins, V. R., and Fensel, D. (1998). Knowledge engineering: Principles and methods. IEEE Transactions on Data and Knowledge Engineering. Weiser, M. (1991). The Computer for the 21st Century. volume 3. Scientific American.