Uma Ontologia para o Domínio de Telepsiquiatria Aplicada ao Contexto de Sistemas de Informação em Saúde

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1 Uma Ontologia para o Domínio de Telepsiquiatria Aplicada ao Contexto de Sistemas de Informação em Saúde Autores: Fabrício da Costa Dias 1,2, Ryan Ribeiro de Azevedo 1,3, Silas Cardoso de Almeida 1, Guilherme Ataíde Dias 4, Eric Rommel Galvão Dantas 1, Roberto Souto Maior de Barros 1, Magdala de Araújo Novaes 2 1 Centro de Informática (CIn), Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), Brasil 2 Núcleo de Telessaúde do Hospital das Clínicas (NUTE/HC), Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), Brasil 3 Coordenação de Sistemas de Informação (CSHNB), Universidade Federal do Piauí (UFPI), Brasil 4 Departamento de Ciência da Informação (DCI), Universidade Federal da Paraíba (UFPB), Brasil RESUMO Palavras-chave: Ontologias, Telepsiquiatria, Sistemas de Informação Web Key-words: Ontologies, Telepsychiatry, Web Information Systems INTRODUÇÃO. Desde os primórdios seres humanos sofrem com distúrbios mentais, muitas vezes com sintomas, tratamentos e curas desconhecidos. A Psiquiatria é a subárea da Medicina que trata desses usuários. Diversos problemas e desafios a respeito de Psiquiatria, especificamente Telepsiquiatria, são encontrados na literatura, destacando-se a falta de um modelo público, formal e padronizado de informações a respeito de tal domínio, dificultando assim a geração de conhecimento entre os envolvidos neste cenário. Portanto propomos a OntoPsic, uma ontologia para o domínio da psiquiatria aplicada ao contexto dos Sistemas de Informação em Saúde. Desenvolvida utilizando as metodologias Methontology e Método 101 e OWL DL como linguagem de desenvolvimento. Foi utilizada a Máquina de Inferência Pellet e o sistema OntoConsult para dedução de fatos e consultas a OntoPsic foram realizadas através da linguagem SPARQL. ABSTRACT INTRODUCTION. Since the earliest days human beings suffer from mental disorders, many times with symptoms, treatments and unknown cures. Psychiatry is the medicine subarea that treats these users. Several problems and challenges regarding Psychiatry, Telepsychiatry more specifically, are found in the literature, highlighting the lack of a public model, formal and standardized information about this domain, hindering the generation of knowledge between those involved in this scenario. So we propose OntoPsic, a domain ontology for psychiatry applied in the Telehealth context. OntoPsic was developed with Methontology and the 101 method methodologies. OWL DL was the used language of development. For facts deduction was used the Pellet and the OntoConsult for machine and SPARQL as the query language. 1. Introdução Desde os primórdios, a humanidade possui grandes interesses em temas, assuntos e resolução de problemas relacionados às áreas de saúde, especificamente no desenvolvimento de Sistemas de Informação em Saúde (SIS) que promovam suporte a resolução dos problemas relacionados a essa categoria. Com o advento 1

2 das TICs Tecnologias da Informação e Comunicação surgiu o termo Telessaúde, categoria de SIS que utiliza à assistência médica a pacientes à distância, ou seja, localizados remotamente, onde há dificuldades explícitas por parte dos profissionais habilitados em diagnosticar e tratar as diversas doenças de forma presencial. No contexto da Telessaúde surgiu a Telepsiquiatria, uma subcategoria de SIS que tem por objetivo prover soluções ao tratamento de usuários que sofrem com distúrbios mentais, muitas vezes, com sintomas, diagnósticos e tratamentos desconhecidos. A subespecialidade da Medicina da qual trata destes usuários, denominados homme spécial por portarem tais distúrbios, recebe a denominação de Psiquiatria, que surgiu em meados do século XVIII com o francês Phillipi Pinel [1]. A Psiquiatria é uma área de pesquisa relevante e vem sofrendo uma reforma constante, de acordo com [2] existe uma série de iniciativas políticas, sociais e culturais, que estão transformando radicalmente a assistência psiquiátrica, as políticas de saúde e, o que é mais importante, as vidas de inúmeras pessoas e o cotidiano de muitas práticas sociais. Diversos problemas e desafios a respeito de Psiquiatria, especificamente Telepsiquiatria, são encontrados na literatura, destacando-se a falta de um modelo público, formal e padronizado de informações a respeito de tal domínio, dificultando assim a geração de conhecimento entre os envolvidos neste cenário, ou seja, todos os atores (Psiquiatra, Psicólogos e Psicanalistas) que trabalham com saúde mental. Diante do exposto propomos uma ontologia de domínio denominada OntoPsic, para o domínio da Psiquiatria aplicada ao contexto da Telessaúde e especificamente ao contexto da Telepsiquiatria. O objetivo da OntoPsic é servir de base de conhecimento comum entre os envolvidos no processo de tratamento e assistência de usuários portadores de distúrbios mentais e de auxiliá-los na conclusão da identificação de agravos e das melhores formas de atenção a saúde dos mesmos, seja à distância ou presencialmente. Propomos também o OntoConsult, um SIS que manipula e utiliza a ontologia proposta como base de conhecimento, além de realizar inferência explícita a fim de obter resultados para apoiar a tomada de decisões específicas em relação ao processo de tratamento, diagnóstico e assistência a determinado usuário portador de distúrbios. O restante deste artigo está organizado da seguinte forma: na Seção 2 é apresentado um referencial teórico necessário para o entendimento geral da teoria acerca do trabalho proposto: Telessaúde, Telepsiquiatria e Ontologias. Já na Seção 3 é detalhada a proposta, sua arquitetura, os componentes que a formam e suas funcionalidades. Na Seção 4 são apresentados e discutidos a avaliação e resultados obtidos nos experimentos realizados com o uso da OntoPsic e do OntoConsult. Por fim, as conclusões e os trabalhos futuros são delineados na Seção Referencial Teórico 2.1 Telessaúde A Telessaúde pode ser entendida como sendo o uso de Tecnologias da Informação e Comunicação (TICs) para a promoção de serviços de saúde e troca de informações médicas, quando a distância é um fator determinante para os envolvidos [3]. Para [4] a Telessaúde vem tendo uma importante evolução e consolidação no Brasil com o incentivo obtido junto às agências de fomento à pesquisa e com as ações governamentais, que possibilitaram a formação de equipes e núcleos de pesquisa em diversas instituições universitárias brasileiras. Ainda de acordo com [4] um dos pontos importantes no amadurecimento da Telessaúde brasileira foi a consciência de que, além dos aspectos tecnológicos, a Telessaúde é uma aplicação efetiva de soluções tecnológicas para fins de otimização da educação, planejamento da logística, regulação da assistência e implementação de métodos para proporcionar pesquisas multicêntricas, baseadas em estratégias de gestão de sustentabilidade e no desenvolvimento de novos modelos. Atualmente há diversas aplicações da Telessaúde e SIS, desde Teleconsultas, Telepsiquiatria, diagnósticos à distância, discussões de casos clínicos e até Telecirúrgias. 2.2 Telepsiquiatria Os cuidados com a saúde mental ou Psiquiatria, são bastante utilizados na Telessaúde e são conhecidos como Telepsiquiatria, considerada por [5] como sendo a prestação de serviços e cuidados a saúde mental, ou a troca de mensagens para esse fim, com os envolvidos geograficamente distribuídos. O primeiro registro de Telepsquiatria data do início dos anos 60 no Instituto de Psiquiatria da Universidade de Nebraska nos Estados Unidos [5]. Naquela época, foi usado um circuito interno de TV com a proposta de 2

3 educação psiquiátrica, que tinha como públicoalvo alunos, professores, grupos de psicoterapia, médicos e demais colabores de saúde mental. A prática de Telepsiquiatria requer uma ligação síncrona (em tempo real) devido a não existência de tempos de esperar para a recepção de dados médicos, ou para comunicação de um laudo e é um desafio para os profissionais e sistemas locais de saúde. 2.3 Ontologia Desde o século XVII, o termo ontologia tem sido utilizado para denominar a disciplina de metafísica geral, dentro da tradição da primeira Filosofia de Aristóteles, como sendo a ciência do ser no papel de ser. É, muitas vezes, encarada como um complemento à idéia de Epistemologia (ciência do conhecimento) [6]. Diversas definições têm surgido a fim de descrever o que é uma ontologia dentro do ramo de informática. A mais conhecida é uma especificação formal e explícita de uma conceitualização compartilhada [7], onde: formal implica em ser declarativamente definida, portanto, podendo ser compreensível para agentes e sistemas; explícita significa que os elementos e suas restrições estão claramente definidos; conceitualização trata de um modelo abstrato de uma área de conhecimento ou de um universo limitado de discurso e; compartilhada, indica um conhecimento consensual, seja uma terminologia comum da área modelada, ou acordada entre os desenvolvedores dos agentes que se comunicam. Sendo assim, ontologias, em um nível de abstração mais alto, estabelecem uma terminologia comum e não-ambígua para o domínio em questão. Para [8], ontologias são um artefato computacional composto de um vocabulário de conceitos, suas definições e suas possíveis propriedades, um modelo gráfico mostrando todas as possíveis relações entre os conceitos e um conjunto de axiomas formais que restringem a interpretação dos conceitos e relações, representando de maneira clara e não ambígua o conhecimento do domínio. Inúmeras vantagens têm sido apresentadas na literatura para a adoção de ontologias. Dentre elas, ressaltam-se as seguintes [9]: Oportunidade aos desenvolvedores reusarem conhecimento, mesmo com adaptações e extensões. Isso se explica pelo fato de que a construção de bases de conhecimento é uma das tarefas mais caras, complexas e demoradas de um sistema especialista e/ou agentes. Portanto, reusar ontologias promove um ganho significativo em termos de esforços e de investimentos; A grande disponibilidade de ontologias de prateleira, prontas para uso, reuso e comunicação entre agentes, podendo estas ser estendidas e complementadas com conceitos de domínios específicos; O acesso on-line a servidores de ontologias, capazes de armazenar milhares de classes e instâncias, servindo a empresas ou grupos de pesquisa, funcionando como ferramentas para manter a integridade do conhecimento compartilhado entre elas e garantindo um vocabulário uniforme. Recentemente o uso de ontologias tem se popularizado através de diversas outras subáreas da Ciência da Computação, tais como: Engenharia de Software, Banco de Dados e Sistemas de Informação, motivados pela Web Semântica, que é uma consequência direta do uso de ontologias [10]. 3. Proposta, Experimentos e Resultados Neste trabalho apresentamos a OntoPsic, uma ontologia para o domínio da Telepsiquiatria. Apresentamos também uma aplicação denominada OntoConsult, sendo um sistema flexível, adaptativo aos ambientes ao qual está inserido e atuando em tempo real para apoiar as atividades dos Psiquiatras, Psicólogos e Psicanalistas. 3.1 OntoPsic A OntoPsic foi desenvolvida utilizando as seguintes metodologias da Engenharia de Ontologias: Methontology [11] baseada no padrão IEEE [12] para desenvolvimento de software e desenvolvimento de Sistemas de Informação Baseados em Conhecimento e método 101 proposto por [13] como complemento a Methontology. Utilizamos a linguagem OWL (Ontology Web Language), que incorpora facilidades para publicar e compartilhar a ontologia proposta via Web [14] além de ser proposta como padrão pelo W3C. A ferramenta utilizada para a construção da mesma foi o Framework Protégé [15]. São apresentados na Figura 1 alguns relacionamentos entre as principais classes definidas na OntoPsic. Algumas classes foram omitidas por questões de espaço. 3

4 Psychiatrist podem se relacionar com indivíduos da classe Treatment através da propriedade Realize e indica que a classe Psychiatrist é subclasse da classe Doctor. Figura 1: Classes e relacionamentos que formam o núcleo da OntoPsic. A seguir são descritas algumas das principais classes modeladas na OntoPsic e os axiomas, ou seja, expressões utilizando Lógica de Descrição ou DL (do inglês Description Lógic) a fim de inferir fatos corretos a respeito do domínio em questão. Classe Psychoanalyst. Esse conceito representa os indivíduos que possuem a especialidade de psicanalistas que podem tratar usuários portadores de distúrbios mentais. Condições necessárias: (i) Psychoanalyst Realize. Treatment (ii) Psychoanalyst Treat_With. Psychotherapic As expressões acima indicam que indivíduos da classe Psychoanalyst podem se relacionar com indivíduos da classe Treatment e da classe Psychotherapic através da propriedade Realize e Treat_With. (iii) Treat_With only psychotherapic O axioma acima indica que Psicanalistas podem apenas tratar usuários com psicoterapia, representado pela classe Psychotherapic e não podem tratá-los com drogas. Classe Psychologist. Esse conceito representa os indivíduos que podem tratar usuários portadores de distúrbios mentais apenas com Psicoterapia. Condições necessárias são as mesmas do conceito descrito anteriormente (Psychoanalyst). Classe Psychiatrist. Esse conceito representa os indivíduos que possuem a especialidade de psiquiatria que podem tratar usuários portadores de distúrbios mentais com drogas e com psicoterapia. Condições necessárias: (i) Psychiatrist Realize. Treatment (ii) Psychiatrist Doctor As expressões acima indicam respectivamente que indivíduos da classe (iii) psychotherapic or (Treatment_with some drugs) O axioma acima indica que o Psiquiatra pode tratar e realizar tratamentos aos usuários tanto com drogas quanto com psicoterapia, diferenciando-se do psicólogo e psicanalista que tratam apenas usuários com a psicoterapia e não são necessariamente médicos. Classe User. Esse conceito representa os indivíduos que possuem sintomas ou são portadores de distúrbios mentais e que devem ser tratados pelos profissionais responsáveis. Condições necessárias: (i) User Has_Disorder. Disorder (ii) User Has_Sympton. Sympton (iii) User Has_mental_faculties. Mental_Faculties (iv) User Presents_profile. Profile As expressões acima indicam que indivíduos da classe User relacionam-se com indivíduos da classe Disorder, Sympton, Mental_Faculties e Profile. (v) has_disorder min 1 disorder (vi) has_treatment min 1 Treatment Os axiomas acima indicam que a classe User é associada a no mínimo um de distúrbio mental e a um tratamento, caso o usuário possua sintomas. Classe Treatment. Esse conceito representa os possíveis tratamentos utilizados aos usuários portadores (User) de distúrbios mentais. Condições necessárias: (i) Treatment Associate_a. User (ii) Disorder Has_treatment. Treatment (iii) associate_a min 1 User As expressões acima indicam que indivíduos da classe Treatment devem se relacionar com pelo menos um indivíduo da classe User. E indivíduos da classe Disorder devem se relacionar com pelo menos um indivíduo da classe Treatment. E que a classe Treatment é associada a no mínimo um usuário portador ou com sintomas de distúrbios mentais. Classe Drugs. Esse conceito representa os medicamentos utilizados nos tratamentos utilizados pelos Psiquiatras aos usuários portadores (User) de distúrbios mentais. Condições necessárias: 4

5 (i) Drugs Treatment (ii) Drugs May_cause. Side_efects A expressão (i) acima significa que a classe Drugs é subclasse da classe Treatment. E a expressão (ii) indica que indivíduos da classe Drugs relacionam-se com indivíduos da classe Side_Efects. (iii) may_causes min 1 side_effect O axioma acima indica que a classe Drugs é associada a no mínimo um efeito colateral ao usuário portador ou com sintomas de distúrbios mentais. A seguir será apresentado o sistema OntoConsult que utiliza a ontologia proposta como base de conhecimento OntoConsult O OntoConsult, foi desenvolvido com intuito de auxiliar na transmissão, geração e distribuição do conhecimento, manipulação, avaliação e utilização da OntoPsic pelos atores envolvidos no processo de tratamento de usuários com distúrbios mentais. Desenvolvido utilizando o framework Jena, produzido por Brian McBride da Hewlett-Packard para criação e manipulação de grafos RDF [16]. Entre as principais características e funcionalidades do OntoConsult estão: utilizar a máquina de inferência Pellet para geração de hipóteses a partir das informações nas bases de conhecimento; gerar relatórios a respeito dos possíveis tratamentos, sintomas, medicamentos, faculdades mentais e possíveis diagnósticos além de utilizar de interfaces de consultas utilizando a linguagem SPARQL 1. Na Figura 2 observa-se a arquitetura do OntoConsult e os componentes que o formam. O sistema é composto por uma interface com o usuário para realização das funcionalidades citadas acima, um componente de interligação (API Jena) entre interface, máquina de inferência e a OntoPsic (Base de Conhecimento). Figura 2: Arquitetura do OntoConsult e seus componentes. A aplicação possui os seguintes módulos como sendo os principais: Módulo de Inferência. Permite inferir informações acerca da OntoPsic sobre o código OWL e RDF. Módulo de Consulta. Onde são realizadas as consultas pelos usuários da aplicação utilizando a OntoPsic como base de conhecimento. Módulo de Visualização. Permite a visualização de relatórios configurados de acordo com as necessidades dos profissionais envolvidos no processo de tratamento dos distúrbios mentais. Para validação do trabalho, foram definidas questões de competência (QC) [17] que a OntoPsic deve ser capaz de responder, bem como o código em SPARQL para cada consulta. Os resultados (Result) de algumas delas utilizando o módulo de consultas do OntoConsult são apresentados na Tabela 1. Tabela 1: Resultados obtidos com a OntoPsic. De acordo com a droga utilizada quais os QC 1 possíveis efeitos colaterais que o usuário poderá apresentar? SPARQL SELECT * WHERE {?Drogas :may_causes?efeitos_colaterais } Drogas Efeitos Colaterais Result Hipnóticos Dependência, Tolerância ISRS Boca seca, tontura, sonolência QC 2 Qual o tratamento mais indicado ao usuário para um determinado tipo de distúrbio? SELECT * WHERE {?Usuário :has_disorder SPARQL?Distúrbio. {?Disturbio :has_treatment?tratamento }} Usuário Distúrbio Tratamento X Depressão Antidepressivos Result Transtorno Estabilizadores de Y Bipolar humor QC 3 Que tipo de psicoterapêutico é o mais indicado para os possíveis distúrbios? SELECT * WHERE {?Distúrbio :has_treatment SPARQL?Tratamento. {?Tratamento rdf:type :psychotherapic }} Distúrbio Tratamento Result Fobia Social Terapia Ocupacional Síndrome do Pânico Terapia de Grupo Qual o sintoma que um determinado usuário QC 4 possui, seu possível distúrbio e possível perfil psicológico? SELECT * WHERE {?Usuário :has_sympton SPARQL?Sintoma. {?Usuário :has_disorder?disturbio}. {?Usuário :Presents_Profile?Perfil_Psicológico}} Perfil Usuário Sintoma Distúrbio Psicológico Irritabilidade, Transtorno de Result alteração Esquizofrênico X de humor pensamento Y Melancolisãsivo Depres- Depres- QC 5 Que sintomas estão relacionados com a determinada síndrome? SPARQL SELECT * WHERE {?Sintomas :Form_By?Síndrome } Sintoma Síndrome Result Desinteresse, alucinação Demencial Exaustão, timidez Afetiva 1 5

6 5. Conclusões e Trabalhos Futuros A OntoPsic e o OntoConsult cumprem o papel ao qual se propõem e juntos constituem-se em uma ferramenta computacional que poderá ser utilizada para o tratamento e utilização da informação a respeito de Psiquiatria em Telessaúde, possibilitando aos atores deste cenário tomarem decisões a respeito de tratamentos, distúrbios, medicamentos, síndromes, perfis psicológicos de usuários, etc. Fornecendo uma visão de alto nível entre os envolvidos. Os resultados obtidos são encorajadores e indicam sucesso nas respostas às questões de competências definidas para que o sistema, utilizando a OntoPsic, conseguisse responder, assim o auxílio a tomada de decisões por parte dos responsáveis pelo tratamento de usuários com distúrbios mentais é mais eficiente e eficaz. Foi possível realizar a validação da OntoPsic resolvendo problemas reais que atinge diversos usuários com distúrbios mentais e o sistema proposto se comportou como esperado. Como trabalhos futuros, estamos trabalhando na detecção de outros tipos de distúrbios e tratamentos, ampliando também o número de estudos de caso realizados, aumento de consultas utilizando variações das já realizadas, bem como a adição de algumas classes à OntoPsic. Funcionalidades também estão sendo inseridas no OntoConsult tal como o módulo de estatísticas de perfis psicológicos dos usuários Referências 1. Bastos, O The history of psychiatry and mental health in Brazil. In Jornal Brasileiro de Psiquiatria, 46(9): ; 2. Amarante, P; Rangel, M Survey of Current Terminologies and Ontologies in Biology and Medicine. In Revista Eletrônica de Comunicação, Informação e Inovação em Saúde. Vol. 3, n 4. p , dez; 3. Elford DR Telemedicine Activities at Memorial University of Newfoundland ; A Historical Review ( ). Telemedicine Journal; 4(3): ; 4. Wen, C. L Telemedicina e Telessaúde Um panorama no Brasil. In A Revista ip - Informática Pública. ano 10 (2): 07-15; 5. Wootton, R., Yellowless, P., McLaren P Telepsychiatry and e-mental health. Londres: Royal Society of Medicine. 6. Freitas, F; Schulz, Stefan ; Moraes, Eduardo Survey of Current Terminologies and Ontologies in Biology and Medicine. In Revista Eletrônica de Comunicação, Informação e Inovação em Saúde. Vol. 3, p. 1-13; 7. Gruber, T. R Toward Principles for the Design of Ontologies used for Knowledgement Sharing. In International Journal of Human-Computer Studies.Vol 43, Inssue 5-6: ; 8. Guarino, N Formal Ontologies and Information Systems. In Formal Ontology in Information Systems. Proceedings of FOIS 98, Trento, Itália. 6-8 june. P3-15. IOS Press; 9. Freitas, F Ontologias e a web semântica. In: Renata Vieira; Fernando Osório. (Org.). Anais do XXIII Congresso da Sociedade Brasileira de Computação. Campinas: SBC. Vol. 8, p. 1-52; 10. T. Berners-Lee, O. Lassila, and J. Hendler The semantic web. Scientific American, 5:34 43; 11. Fernández, M. A.; Gómez-Pérez, A.; Juristo, N Methontology: From ontological art towards ontological engineering. In Proceedings of the AAAI Spring Symposium Series, p ; 12. IEEE Standard for developing software life cycle processes. IEEE Computing Society; 13. Noy, N. F. & McGuiness, D. L Ontology development 101: A Guide to Creating Your First Ontology. Knowledge Systems Laboratory Stanford University, TR KSL-01-05; 14. OWL Web ontology language overview - w3c;. [Online]. Disponível: Protégé Protégé ontology editor. [Online]. Disponível: Acessado em: Set. 2009; 16. Carroll, J et al Jena: implementing the semantic web recommendations. In WWW (Alternate Track Papers & Posters), 2004; 17. Valente, A., Breuker, J Towards Principled Core Ontologies. In B.R. Gaines and M. Mussen, editors, Proceedings of the KAW-96, Banff, Canadá; 6