Proyecto de trabajo de iniciación a la investigación

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1 Proyecto de trabajo de iniciación a la investigación Título: Aplicación de tecnologías de la Web Semántica en el dominio sanitario. Sistemas de Información Sanitarios Semánticos (SISS). Autor: Tutor: Propuesta de tribunal: Rafael Gil de Miguel Fernando Díez Pablo Castells 1. Introducción El presente documento expone una propuesta de trabajo de iniciación a la investigación. El propósito del mismo es definir, analizar y proponer posibles soluciones a los problemas que plantea la aplicación de las tecnologías de la información en el dominio médico y más concretamente en la aplicación de CPG (Clinical Practice Guidelines) que dirigen los procesos clínicos. La sanidad es un mundo complejo en el que cada vez más se aplican distintas tecnologías con el ánimo de mejorar los procesos, optimizar los recursos y, en general, asegurar la calidad ofreciendo, en la medida de lo posible, la mejor atención al paciente. Sin embargo, la diversidad de las tecnologías y de los sistemas utilizados genera en ocasiones el efecto opuesto. Por tanto, se hace necesario buscar soluciones capaces de mantener altos grados de complejidad, diversidad e interoperabilidad. El trabajo pretende seguir los pasos del proyecto AVICENA [Díez, Fuentes, Gil, Valera, Castells, Cortés 2006] en cuanto al desarrollo de sistemas que mejoren la atención sanitaria. AVICENA es un proyecto que se está llevando a cabo en la EPS UAM cuyo objetivo es obtener un marco para la formalización de Guías Clínicas en el entorno médico-paciente. A lo largo de su desarrollo se han aplicado tecnologías de la Web Semántica con éxito. Éstas se han propuesto como una extensión de la Web actual, en la que los recursos se enriquecen mediante descripciones formales, con el fin de posibilitar nuevos niveles de automatización de procesos e interacción entre programas 0. Tras el éxito en la aplicación de tecnologías de la Web Semántica para la formalización de CPG se plantea la posibilidad de aplicar estas mismas tecnologías para resolver otros problemas relacionados con la ejecución de procesos clínicos. Concretamente la interoperabilidad entre sistemas en el dominio sanitario y la selección o propuesta semi-automática de CPG dado un contexto clínico concreto. Hoy en día y paralelamente al nacimiento de la Web semántica, asistimos a una incipiente madurez de otra tecnología relevante para el trabajo propuesto: los Servicios Web. Nos proponemos utilizar este paradigma para resolver el problema de interoperabilidad entre sistemas heterogéneos en el marco de las arquitecturas SOA (Service Oriented Architecture). Por otro lado, se plantea aplicar lenguajes de descripción y consulta formales (ej: OWL y RDQL) para determinar, en un contexto clínico dado, cual es la CPG dentro de nuestro repositorio que más se ajusta a nuestras necesidades.

2 Sin embargo, hay que tener en cuenta a la hora de trabajar con tecnologías de la Web Semántica que una gran parte de las metas establecidas en esta área son aún, a día de hoy, trabajo en curso. Además, la aplicación de este tipo de tecnologías en el dominio médico y en concreto para formalizar y dirigir procesos clínicos es muy escasa.

3 2. Estado del arte Sistemas de Información en el dominio sanitario El dominio médico ha estado siempre muy ligado a la investigación en tecnologías de la información. Temas como la gestión del conocimiento clínico y la interoperabilidad de sistemas de información han sido muy estudiados en las siguientes áreas. Soporte a la decisión: la idea de este tipo de sistemas es ayudar al médico a tomar las decisiones oportunas en un proceso clínico basando las decisiones en el historial clínico del paciente. Para que esto sea posible, además de la formalización del proceso clínico (capturado en una Guía Clínica), la máquina debe tener acceso al historial clínico del paciente (EPR, Electronic Patient Record) y debe comprender sus contenidos. Aseguramiento de la calidad: este tipo de sistemas controlan que las decisiones que toma el médico son las correctas en función del contexto clínico del paciente. Para ello requiere, además de acceso al EPR, información sobre cuáles son las decisiones correctas en cada situación. Se basan en sistemas de codificación automática que son los encargados de extraer la información de los informes clínicos. Codificación automática: este tipo de sistemas extraen y codifican la información contenida en los informes clínicos, en su mayor parte texto libre, lo que supone un gran problema. Los tipos de sistemas o áreas de aplicación anteriormente citados se basan en modelos, métodos y técnicas que ha sido necesario estudiar en el dominio médico. A continuación se describe una pequeña evolución temporal de los modelos y paradigmas utilizados que subyacen en esta clase de sistemas. Estandarización de la información: para resolver el problema de interoperabilidad y poder intercambiar información entre instituciones pronto surgieron los vocabularios compartidos como por ejemplo HL7 (Health Level 7) que facilitaban la codificación de elementos clínicos y su intercambio sin ambigüedades. Bases de conocimiento médico: también se ha dedicado mucho esfuerzo al desarrollo de bases de conocimiento médico que formalizan el dominio. Aquí surgen iniciativas como UMLS (Unified Medical Language System). UMLS es una base de conocimiento médico mantenida por la NLM (National Library of Medicine) de los EEUU. Está formada por tres componentes básicos: - Un metatesauro que contiene conceptos del dominio de la biomedicina y términos de varios vocabularios compartidos. - Una red semántica que especifica un conjunto de tipos semánticos que se aplican a los conceptos del metatesauro. También especifica un conjunto de relaciones que se establecen entre los tipos semánticos. - Un lexicon especializado, Specialist, que contiene términos de dominio general y del dominio de la biomedicina. Modelos formales para CPG La aplicación de tecnologías de la Web Semántica en el dominio médico no ha sido muy explorada hasta la fecha. Los pocos trabajos que encontramos en esta área

4 surgen de iniciativas similares a las de AVICENA para obtener modelos formales capaces de describir los procesos clínicos. Generalmente los trabajos se han limitado a la definición o análisis de pequeños subdominios para resolver problemas muy concretos. Sin embargo, los problemas relativos a la ejecución de estos modelos e interoperabilidad de estos sistemas siguen sin estar resueltos. Interoperabilidad entre sistemas informáticos sanitarios Para resolver los problemas de interoperabilidad en entornos heterogéneos y arquitecturas SOA se plantearon los lenguajes de descripción de Servicios Web como WSDL [Christensen ]. Éstos describen la funcionalidad de un servicio Web concreto. Por otro lado, los lenguajes de descripción de Servicios Web Semánticos se ocupan de la semántica de los servicios. Esto es, no definen cómo se hacen las cosas sino qué cosas se hacen. No existe un lenguaje de descripción de servicios predominante en la actualidad aunque los que más se utilizan son OWL-S 0 y WSMO 0. La elección de un lenguaje de descripción adecuado es importante y esta consideración será tenida en cuenta en el análisis de los problemas. Selección semi-automática de CPG DeGel (Digital Electronic Guideline Library) [Shahar, Young, Shalom, Mayaffit, Moskovitch, Hessing, Galperin ] es un entorno para el desarrollo y ejecución de Guías Clínicas en el que se plantean las siguientes problemáticas: - Expert physicians cannot program in guideline specific language, while engineers do not understand the clinical semantics - How will the large mass of free text guidelines be converted to a formal machine-readable language? Esta es la única propuesta a día de hoy que, entre otras cosas, explora la posibilidad de sugerir la utilización de una CPG en función del contexto clínico en el que nos encontramos. Para ello se mantiene un repositorio organizado a lo largo de una serie de ejes semánticos en los que los propios médicos clasifican las CPG. Sin embargo, a medida que el repositorio crece, se plantean los problemas clásicos de recuperación de información. Por ello es necesario investigar métodos y técnicas de indexación y búsqueda adecuados al problema concreto.

5 3. Objetivos La Web se perfila como el mejor soporte para unos sistemas heterogéneos y distribuidos que requieren constante interoperabilidad. Como ejemplo, este es el caso de los historiales clínicos de los pacientes o EPR (Electronic Patient Record) cuyos contenidos deben ser compartidos (teniendo en cuenta cuestiones de privacidad y seguridad) entre distintas aplicaciones e incluso instituciones sanitarias. La ubicuidad es también una propiedad importante en estos sistemas. Tanto es así que han llegado a acuñarse los términos e-health y m-health. Como se menciona en anteriores apartados, las tecnologías de la Web Semántica han sido poco utilizadas en el dominio sanitario. El objetivo principal del trabajo es comprobar si este tipo de tecnologías pueden aportar mayor utilidad a los sistemas informáticos que, cada vez más, se utilizan en este dominio. Esto tendría un efecto directo en la calidad de la atención sanitaria y se obtendrían otros beneficios como optimización de recursos, reducción de costes, etc. Interoperabilidad entre sistemas informáticos sanitarios El modelo formal desarrollado en AVICENA es el punto de partida de este trabajo de investigación. Con él somos capaces de definir modelos que formalizan procesos clínicos en el entorno médico-paciente. Sin embargo quedan muchas cuestiones que afectan al proceso sin resolver y que pretenden ser investigadas a lo largo del desarrollo del trabajo. El principal problema en iniciativas similares a la de AVICENA es la falta de un motor de ejecución de estos modelos. El sistema, capaz de entender y ejecutar los modelos formales está en fase de desarrollo. Sin embargo, sabiendo de la necesidad de que los sistemas hospitalarios y en general, los sistemas de información sanitarios, sean interoperables a pesar de su heterogeneidad se hace necesario plantear mecanismos de comunicación y colaboración fuera de lo habitual. En este sentido se pretende investigar si el uso de Servicios Web Semánticos aporta una ventaja. La idea es por tanto definir una arquitectura SOA en la que diversos sistemas expongan los servicios que ofrecen. Puesto que nos restringimos al dominio médico utilizaremos para ello una combinación de lenguajes de descripción de Servicios Web Semánticos (OWL-S, WSMO, etc.) y lenguajes o terminologías propios del dominio médico (UMLS, HL7, etc.). Por ejemplo, un sistema hospitalario de citas podría exponer un servicio Pedir cita. Parece lógico pensar que cualquier sistema de citas debe disponer de semejante servicio sin importar los detalles de su implementación. Sin embargo, la semántica sí será similar en todos los casos: el sistema necesita saber cuándo y para qué médico se desea pedir una cita. Además, los conceptos Médico y Cita aquí utilizados son comunes a todos estos sistemas y por tanto podría llegarse a un acuerdo para definirlos formalmente y compartir esta conceptualización. Selección semi-automática de CPG En DeGel, las sugerencias del sistema se basan en cómo han sido clasificadas las CPG en el repositorio. Esto se hace por medio de unos pocos ejes semánticos y criterios estáticos. Por tanto, las sugerencias serán burdas y no cubrirán verdaderas necesidades del contexto clínico.

6 Nuestra propuesta es ir más allá y diseñar un mecanismo que permita realizar consultas complejas sobre el repositorio. De esa forma, la selección de CPG podría estar dirigida por objetivos clínicos, síntomas de un paciente o cualquier otra estructura compleja. Para ello será necesario plantear mecanismos de indexación y búsqueda complejos y basados en la semántica de los procesos clínicos.

7 4. Metodología Para alcanzar los objetivos propuestos se seguirá el siguiente plan de trabajo: Definición de casos de uso que justifiquen y motiven la investigación. Esto es, plantear situaciones en las que las ideas propuestas mejoren la situación actual en el uso de sistemas informáticos en el dominio médico. Definición y limitación del problema, basándonos en la literatura y en los casos de uso propuestos. Profundización y análisis del estado del arte, lenguajes, descripciones formales y sistemas de información utilizados en el dominio médico. Evaluación y selección de tecnologías. Selección entre las distintas tecnologías y lenguajes relacionados con la Web Semántica y con los Servicios Web Semánticos. En AVICENA, las ontologías han desarrolladas sido desarrolladas con OWL y por tanto se continuará con su uso. Definición de modelos y técnicas básicas de invocación de Servicios Web Semánticos. Será necesario determinar qué guías clínicas van a formalizarse, qué tipo de sistemas van a ejecutarlas y qué necesidades tienen estos sistemas. En el caso de las funcionalidades (servicios ofrecidos / requeridos), definir un conjunto de Servicios Web, sus representaciones funcionalidades y semánticas. Definición, construcción y puesta a punto de una batería de pruebas. Esto es, definición de un método de evaluación de las ideas propuestas. Desarrollo de modelos formales e implementación de un prototipo que incorpore las técnicas definidas con anterioridad. Prueba y evaluación de los modelos definidos y del prototipo. Se adoptará un ciclo de vida iterativo y por tanto, una vez probado y evaluado el prototipo, se iterará sobre los pasos de definición de nuevas técnicas e implementación para su mejora y extensión.

8 5.- Bibliografía Berners-Lee T., Hendler J. and Lassila O. The Semantic Web. In Scientific American, Christensen E. et al. Web Service Descroption Language (WSDL) Martin D. et al. OWL-S: Semantic Markup for Web Services v Roman D. et al. Web Service Modeling Ontoloy (WSMO) Y. Shahar, O. Young, E. Shalom, A. Mayaffit, R. Moskovitch, A. Hessing, M. Galperin, DeGeL: a hybrid, multiple-ontology framework for specification and retrieval of clinical guidelines A Díez, A Cortés, R Gil, P Castells, F Díez, JM Fuentes, Á Valera. AVICENA, an Ontology for the Design of Executable Clinical Practice Guidelines, 9th International Protégé Conference. 2006