ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΙΑΤΡΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧ/ΚΩΝ & ΜΗΧ/ΚΩΝ Η/Υ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΙΑΤΡΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧ/ΚΩΝ & ΜΗΧ/ΚΩΝ Η/Υ «ΣΗΜΑΣΙΟΛΟΓΙΚΗ ΒΑΣΗ ΓΝΩΣΗΣ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑ ΣΤΗΡΙΞΗΣ ΑΠΟΦΑΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗ ΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΤΟΥ ΤΡΟΠΟΥ ΖΩΗΣ ΑΣΘΕΝΩΝ ΣΤΕΦΑΝΙΑΙΑΣ ΝΟΣΟΥ» ΛΑΜΠΡΙ ΟΥ ΚΥΡΙΑΚΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ & ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΑΠΘ ιπλωµατική εργασία που υποβάλλεται στο πλαίσιο της µερικής εκπλήρωσης των απαιτήσεων για την απόκτηση του Μεταπτυχιακού ιπλώµατος Εξειδίκευσης στην Ιατρική Πληροφορική ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2009

2 ΤΜΗΜΑ ΟΠΟΥ ΕΚΠΟΝΗΘΗΚΕ Η ΕΡΓΑΣΙΑ: ΙΑΤΡΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΑΠΘ ΤΟΜΕΑΣ ΟΠΟΥ ΕΚΠΟΝΗΘΗΚΕ Η ΕΡΓΑΣΙΑ: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ, ΙΑΤΡΙΚΗ ΣΧΟΛΗ, ΑΠΘ ΙΕΥΘΥΝΤΗΣ: ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΠΑΠΠΑΣ, ΚΑΘ. ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΑΠΘ Η ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΜΑΓΚΛΑΒΕΡΑΣ, ΚΑΘ. ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗΣ ΑΠΘ ΠΕΡΙΚΛΗΣ ΜΗΤΚΑΣ, ΚΑΘ. ΤΜ. ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & Μ/ΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΑΠΘ ΧΡΥΣΑΝΘΟΣ ΖΑΜΠΟΥΛΗΣ, ΚΑΘ. ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗΣ ΑΠΘ Η έγκριση της ιπλωµατικής αυτής Εργασίας από τα προαναφερόµενα Τµήµατα του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει την αποδοχή των γνωµών του συγγραφέα. (Νόµος 5343/32, αρθρ και ν. 1268/82, αρθρ. 50 8). 1

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Πρόλογος...4 Εισαγωγή...5 Κεφάλαιο Στεφανιαία νόσος και άσκηση Η Στεφανιαία νόσος Η άσκηση σε στεφανιαίους ασθενείς Τα οφέλη της άσκησης Γενικές οδηγίες για την άσκηση Καρδιακή Συχνότητα Ένταση της φυσικής δραστηριότητας...17 Κεφάλαιο Αναπαράσταση γνώσης στον Σηµασιολογικό Ιστό Γενικά περί οντολογίας Οντολογίες και πληροφορική Μερικοί βασικοί κανόνες στη δηµιουργία οντολογίας Γλώσσες αναπαράστασης οντολογιών Γλώσσες κανόνων Εργαλεία ανάπτυξης οντολογιών Ontoligua Server WebOnto OILed Protégé OntoEdit OntoSaurus WebODE...39 Κεφάλαιο Σηµασιολογικός Ιστός και Ιατρική To σύστηµα αναφοράς ιατρικής ορολογίας Mesh Άλλες σηµαντικές ιατρικές οντολογίες...43 Κεφάλαιο Βάση Γνώσης για Μοντελοποίηση Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο Το πρόβληµα Εργαλεία µοντελοποίησης Σχεδιασµός οντολογίας Κλάσεις Ιδιότητες Κανόνες συστήµατος...57 Κεφάλαιο

4 Σύστηµα Στήριξης Απόφασης για Επιλογή Προγράµµατος Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο Η µηχανή εκτέλεσης κανόνων Jess Παραδείγµατα εκτέλεσης κανόνων ηµιουργία στιγµιότυπων πλάνων προθέρµανσης, κυρίως προγράµµατος και αποθεραπείας ηµιουργία Exercise Plan ηµιουργία στιγµιότυπου ασθενή...70 Κεφάλαιο Συµπεράσµατα-Επίλογος ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ...75 Exercise Plans...75 Πίνακας εικόνων...78 Πίνακες Βιβλιογραφία

5 Πρόλογος Η παρούσα µεταπτυχιακή εργασία πραγµατοποιήθηκε στα πλαίσια του ιατµηµατικού Προγράµµατος Μεταπτυχιακών Σπουδών στην Ιατρική Πληροφορική των Τµηµάτων Ιατρικής, Πληροφορικής και Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης. Σκοπός της είναι η προσπάθεια µοντελοποίησης του τρόπου άσκησης ασθενών µε στεφανιαία νόσο µε την χρήση σηµασιολογικών εργαλείων που προσφέρονται σήµερα. Το σύστηµα που δηµιουργήθηκε αποτελεί µια βάση γνώσης σχετικά µε προγράµµατα άσκησης ασθενών µε στεφανιαία νόσο και ένα υποσύστηµα στήριξης απόφασης για την καταλληλότητα του κάθε προγράµµατος άσκησης για κάποιον ασθενή. Βασικό κίνητρο αποτέλεσε η εξέλιξη του σηµασιολογικού ιστού (Semantic Web) στις µέρες µας και οι δυνατότητες των εργαλείων που παρέχει σε συνδυασµό µε την σπουδαιότητα και τη χρησιµότητα όλης αυτής της ιατρικής πληροφορίας. Ευχαριστώ θερµά τους επιβλέποντες καθηγητές Ν. Μαγκλαβέρα, Π. Μήτκα και Χρύσανθο Ζαµπούλη για την πολύτιµη υποστήριξη του και τους Κοκονόζη Αθηνά, Κουτκιά Βασίλη, Χουβαρδά Ιωάννα για την πολύ χρήσιµη καθοδήγηση, αµέριστη συµπαράσταση και βοήθειά τους. Τέλος, ευχαριστώ και την ιατρό συµφοιτήτρια Κατερίνα Τζαναβάρη για τη συνεισφορά της στις ιατρικές πληροφορίας της παρούσης εργασίας. Θεσσαλονίκη, Οκτώβριος 2009 Λαµπρίδου Κυριακή 4

6 Εισαγωγή Η γρήγορη, ακριβής και έγκυρη πληροφόρηση µέσω του ιαδικτύου, δεν είναι ξεκάθαρη και αρκετά απλή, τουλάχιστον για τους ανειδίκευτους χρήστες οι οποίοι θα επιθυµούσαν να χρησιµοποιούν ερωτήµατα σε φυσική γλώσσα, παρά να αναζητούν την επιθυµητή πληροφορία ανάµεσα στις υπερσυνδέσεις των portals ή τα ασαφή και πολυάριθµα αποτελέσµατα των µηχανών αναζήτησης. Οι διακεκριµένες λέξεις κλειδιά (keywοrds) στις αναζητήσεις είναι προφανές ότι δεν αντικατοπτρίζουν τη γνώση οπότε συχνά καταλήγουν σε έναν αυξηµένο όγκο πληροφορίας ο οποίος σε µεγάλο βαθµό δεν ικανοποιεί τα αντιληπτικά ή σηµασιολογικά κριτήρια του ενδιαφερόµενου. Αποδίδοντας τη σηµασία και έννοια στους πόρους του ιαδικτύου για τους υπολογιστές και τους ανθρώπους, γεννιέται η ελπίδα να δηµιουργηθεί ένα ευφυές ιαδίκτυο που θα παρέχει ειδικότερα στην Ιατρική τη σωστή πληροφόρηση στα διάφορα ιατρικά προβλήµατα και άµεσες απαντήσεις στα συγκεκριµένα ερωτήµατα των απλών πολιτών αλλά και των εξουσιοδοτηµένων παροχέων υπηρεσιών υγείας. Η σκέψη ότι ένας τέτοιος σηµασιολογικός ιστός θα µπορούσε να εξυπηρετεί ασθενείς µε στεφανιαία νόσο παρέχοντας, οποιαδήποτε στιγµή, πληροφορίες σχετικά µε τον τρόπο ζωής τους ως συνάρτηση των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών τους, όπως είναι η επικινδυνότητα και η φυσική κατάσταση, αποτέλεσε το έναυσµα για την παρούσα εργασία. Στα πλαίσια αυτής έγινε προσπάθεια να δηµιουργηθεί µια σηµασιολογική βάση γνώσης η οποία συσχετίζει χαρακτηριστικά ασθενών µε στεφανιαία νόσο και τρόπους άσκησης αυτών και αποφασίζει το κατάλληλο πρόγραµµα άσκησης για κάθε ασθενή. Για την καλύτερη αντιµετώπιση του προβλήµατος κρίθηκε σκόπιµο να µελετηθεί καταρχήν η σηµασία που έχει για τον ασθενή µε στεφανιαία νόσο η άσκηση και πώς η τελευταία επιδρά στη βελτίωση της υγείας του. Στο πρώτο κεφάλαιο περιγράφονται ορισµένα χαρακτηριστικά της νόσου, µε ποιες µορφές εκδηλώνεται, καθώς επίσης και ο ρόλος της σωµατικής άσκησης στην αντιµετώπισή της. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στο σηµασιολογικό ιστό, σε τεχνολογίες αναπαράστασης γνώσης µε οντολογίες, γλώσσες αναπαράστασης οντολογιών όπως είναι η OWL (Web Ontology Language), γλώσσες κανόνων όπως είναι η SWRL (Semantic Web Rule Language), και εργαλεία ανάπτυξης οντολογιών όπως το Protégé που χρησιµοποιήθηκε στην παρούσα υλοποίηση. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται ορισµένα παραδείγµατα οντολογιών που έχουν αναπτυχθεί και εξυπηρετούν ιατρικούς σκοπούς. Το τέταρτο και πέµπτο κεφάλαιο αποτελούν το πειραµατικό µέρος της εργασίας όπου περιγράφεται αναλυτικά η οντολογία που αναπτύχθηκε και παρατίθενται ορισµένα 5

7 παραδείγµατα χρήσης της εφαρµογής µέσα από το περιβάλλον του Protégé. Αξίζει να σηµειωθεί ότι ήταν απαραίτητη η χρήση της γλώσσας κανόνων SWRL σε συνδυασµό µε την γλώσσα OWL προκειµένου να εκτελούνται κανόνες λογικής που αποφασίζουν το πρόγραµµα άσκησης του ασθενή. Τέλος, παρατίθενται ορισµένες παρατηρήσεις και συµπεράσµατα που προέκυψαν από την συγκεκριµένη υλοποίηση µε στόχο την µελλοντική επέκταση του συστήµατος. 6

8 1 Κεφάλαιο 1 Στεφανιαία νόσος και άσκηση 1.1 Η Στεφανιαία νόσος Ο καρδιακός µυς ως κατ εξοχήν αερόβιο όργανο κατακρατεί το 70-75% από το οξυγόνο του αρτηριακού αίµατος. Όταν οι ανάγκες δεν καλύπτονται από την προσφορά, όπως συµβαίνει σε απόφραξη ή στένωση µιας ή περισσότερων στεφανιαίων αρτηριών, τότε επέρχεται ισχαιµία. Η αθηροσκλήρυνση των στεφανιαίων αρτηριών (Πηγή: είναι µια νόσος της αρχαιότητος, όπως τεκµηριώνεται από νεκροψία σε µια µούµια 50 ετών από την 21η Αιγυπτιακή δυναστεία του 1000 π.χ. περίπου, όπου βλέπουµε σε τοµές των στεφανιαίων αρτηριών πάχυνση και εναπόθεση ασβεστίου. Από τους Αρχαίους Αιγυπτιακούς πάπυρους υπάρχουν περιγραφές στεφανιαίας νόσου και αιφνίδιου θανάτου. Η στένωση των στεφανιαίων αρτηριών γίνεται από το σχηµατισµό µιας πλάκας, που ονοµάζεται αθήρωµα στο τοίχωµα της αρτηρίας. Με το χρόνο η πλάκα αυξάνει σε πάχος, µε αποτέλεσµα να µικραίνει τη διάµετρο του αυλού της αρτηρίας δηλαδή προκαλείται στένωση του αγγείου. Εικόνα Τα στεφανιαία αγγεία Εικόνα Αθηρωµατική νόσος

9 Κεφάλαιο 1 Στεφανιαία νόσος άσκηση Η ρήξη της πλάκας και η δηµιουργία του θρόµβου (αθηροθρόµβωση) προκαλεί τα οξέα ισχαιµικά ή στεφανιαία σύνδροµα. Η ροή του αίµατος ελαττώνεται, εφ όσον η στένωση του αυλού της αρτηρίας γίνει µεγαλύτερα του 50% της διαµέτρου ή µεγαλύτερα του 75% του εµβαδού της επιφανείας του αυλού της αρτηρίας. Η ελάττωση της προσφοράς οξυγόνου στο µυοκάρδιο εκφράζεται κλινικά µε την στηθάγχη. Ειδικότερα, σε ασθενείς µε στένωση των στεφανιαίων αγγείων από αθηρωµατική πλάκα, προκαλείται αντίσταση στη ροή και παρατηρείται πτώση ή και εξαφάνιση της συστολικής ροής πέρα από τη βλάβη, λόγω της µεγαλύτερης ενδοτοιχωµατικής πίεσης της αριστερής κοιλίας κατά τη διάρκεια της συστολής. Σύµφωνα µε το θεώρηµα του Bernoulli, η πτώση της πίεσης είναι ανάλογη µε το µήκος της στένωσης και αντιστρόφως ανάλογη της τέταρτης δύναµης της ακτίνας του αυλού που αποµένει. Όταν η στένωση είναι µικρή, η αντίσταση που προβάλλει είναι επίσης µικρή και η ροή δεν µεταβάλλεται. Όταν όµως η στένωση είναι µεγάλη, η τοπική αντίσταση είναι σηµαντική, µε αποτέλεσµα να κινητοποιούνται αυτορρυθµιστικοί µηχανισµοί, οι οποίοι προκαλούν αγγειοδιαστολή και πτώση των αντιστάσεων περιφερικότερα της βλάβης. Επίσης, η διαστολική πίεση περιφερικότερα µιας σηµαντικής στεφανιαίας αποφρακτικής βλάβης δεν µεταβάλλεται σηµαντικά παρά τις µεταβολές της αορτικής πίεσης. Όταν όµως η πίεση ροής κατέβει χαµηλότερα από ένα κριτικό επίπεδο, τότε επέρχεται µέγιστη αγγειοδιαστολή και η στεφανιαία ροή καθίσταται σε µεγάλο βαθµό εξαρτώµενη από την πίεση ροής και από το χρόνο διαστολικής ροής. Μεγαλύτερη πτώση των παραγόντων αυτών δηµιουργεί ελαττωµένη στεφανιαία ροή, που έχει επίσης επίδραση και στην παράπλευρη κυκλοφορία. Όταν το εύρος του αυλού ελαττωθεί κάτω του 20% από το φυσιολογικό, τότε οι αυτορρυθµιστικοί µηχανισµοί εξαντλούνται, καθώς έχουν ήδη προκαλέσει µέγιστη αγγειοδιαστολή περιφερικότερα της βλάβης και είναι δυνατόν να προκληθεί ισχαιµία ακόµη και σε ηρεµία. Έχει διαπιστωθεί ότι όταν ελαττώνεται η διάµετρος του αυλού του στεφανιαίου αγγείου κατά 85%, προκαλείται µείωση της στεφανιαίας ροής στην ηρεµία. Αύξηση της στεφανιαίας βλάβης από 80-90% τριπλασιάζει τις στεφανιαίες αντιστάσεις. Η απόφραξη µιας στεφανιαίας αρτηρίας από το σχηµατισµό θρόµβου στην αθηρωµατική πλάκα ή από σπασµό έχει ως αποτέλεσµα τη διακοπή της στεφανιαίας ροής και εποµένως την παντελή και παρατεταµένη έλλειψη οξυγόνου στο µυοκάρδιο, γεγονός που προκαλεί νέκρωση του µυοκαρδίου, δηλαδή το έµφραγµα, εκτός εάν η αιµάτωση του µυοκαρδίου εξασφαλίζεται από παράπλευρη κυκλοφορία. Η δηµιουργία τοιχωµατικού µη αποφρακτικού θρόµβου έχει αποτέλεσµα την µεγάλη µείωση οξυγόνου στο µυοκάρδιο και προκαλεί το σύνδροµο της ασταθούς στηθάγχης. Άλλα αίτια που µπορεί να επηρεάσουν αρνητικά την αιµάτωση του µυοκαρδίου 8

10 Κεφάλαιο 1 Στεφανιαία νόσος άσκηση (ισχαιµία του µυοκαρδίου) µπορεί να είναι ο σπασµός, η εµβολή, το πρωτοπαθές διαχωριστικό ανεύρυσµα, η ανώµαλη έκφυση στεφανιαίας αρτηρίας από την πνευµονική αρτηρία, η συφιλιδική ή άλλη νόσος της αορτής, η υπερτροφική µυοκαρδιοπάθεια, κ.ά. Από τα ανωτέρω φαίνεται ότι η στεφανιαία νόσος είναι µία χρόνια φλεγµονώδης κατάσταση, στην οποία εµπλέκεται η LDL-χοληστερόλη και οι βλάβες του ενδοθηλίου, που είναι η εσωτερική στιβάδα του αρτηριακού τοιχώµατος, και οδηγούν σε δύο κύριες διαδικασίες: Αθηροσκλήρωση: συσσώρευση αθηρώµατος (ενός συνδυασµού εναπόθεσης λιπώδους ινώδους ιστού, υπερπλασίας του ιστού του κυτταρικού τοιχώµατος και συσσώρευσης υλικού θρόµβωσης αίµατος) που προκαλεί πάχυνση της εσωτερικής στιβάδας των στεφανιαίων αρτηριών. Θρόµβωση: όταν το πεπαχυσµένο τµήµα της αρτηρίας υφίσταται ρήξη, προκαλώντας τη συγκόλληση των αιµοπεταλίων για την κάλυψη του ρήγµατος. Αυτό διεγείρει την απελευθέρωση άλλων παραγόντων πήξης που συνδυάζονται µε τα αιµοπετάλια προς σχηµατισµό θρόµβου, ο οποίος µπορεί να αποφράξει την αιµατική ροή στην στεφανιαία αρτηρία. Έτσι, όσο πιο βαθµιαία γίνεται η απόφραξη, τόσο πιο ήπιες είναι οι συνέπειες, γιατί έχει προλάβει να αναπτυχθεί παράπλευρη κυκλοφορία. Αν αποφραχθεί µια αρτηρία, ενώ οι άλλες έχουν ήδη βλάβες, δεν υπάρχει δυνατότητα να αναπτυχθεί σηµαντική παράπλευρη κυκλοφορία. Ο ασθενής που έχει νόσο 3 αγγείων κινδυνεύει σοβαρά, αφού η απόφραξη της µιας αρτηρίας δεν µπορεί να αντιρροπηθεί από τις άλλες. Επίσης, οι συνέπειες ενός εµφράγµατος είναι βαρύτερες, αν έχει προηγηθεί άλλο έµφραγµα, το οποίο έχει ήδη νεκρώσει ένα ποσοστό της διαθέσιµης µυοκαρδιακής µάζας. Όταν προστεθεί νέα νέκρωση στην πρώτη, το υγιές µυοκάρδιο που µένει ενδέχεται να µην είναι αρκετό για να διατηρήσει την αναγκαία ισχύ της καρδιάς. Στην περίπτωση αυτή, µπορεί να υπάρξει οξύ πνευµονικό οίδηµα ή καρδιογενής καταπληξία, ενώ, αν επιβιώσει ο άρρωστος, η καρδιακή ανεπάρκεια είναι πολύ πιθανή. Έτσι, από τις κύριες επιπλοκές του οξέος εµφράγµατος, οι µηχανικές (καρδιακή ανεπάρκεια και καταπληξία) εξαρτώνται κυρίως από την έκταση της βλάβης. Οι αρρυθµίες όµως, ως επιπλοκή, εξαρτώνται περισσότερο από την εντόπιση της βλάβης, όπως π.χ. πολύ µικρό έµφραγµα στην περιοχή του δεµατίου του His, το οποίο µπορεί να προκαλέσει κολποκοιλιακό αποκλεισµό. 1,2 9

11 Κεφάλαιο 1 Στεφανιαία νόσος άσκηση 1.2 Η άσκηση σε στεφανιαίους ασθενείς Τα οφέλη της άσκησης Σύµφωνα µε πολλές µελέτες, είναι τεράστια τα οφέλη που αποκοµίζονται από την φυσική δραστηριότητα. Μερικά από αυτά είναι η βελτίωση της φυσικής κατάστασης του οργανισµού, η βελτίωση του µεταβολισµού και της ψυχολογίας, καθώς επίσης και η ελάττωση της πιθανότητας για χρόνια νοσήµατα και πρόωρη θνησιµότητα. Η φυσική δραστηριότητα και η άσκηση προστατεύουν ολοφάνερα από καρδιακά επεισόδια, µειώνουν τις περιπτώσεις εµφράγµατος, υπέρτασης, διαβήτη τύπου 2, παχυσαρκίας, κατάθλιψης και άγχους αλλά και καθυστερούν τη θνησιµότητα. Επιπλέον, αρκετές µελέτες έχουν εξετάσει την επίδραση της αλλαγής στην φυσική δραστηριότητα ή κατάσταση σε σχέση µε την εξέλιξη της στεφανιαίας νόσου ή τον πρόωρο θάνατο. Όλα αυτά δείχνουν ότι τα άτοµα που αλλάζουν την καθιστική ζωή και επιδίδονται σε φυσική άσκηση ή που αλλάζουν την φυσική τους κατάσταση, έχουν λιγότερες πιθανότητες να αντιµετωπίσουν κάποια ασθένεια ή πρόωρη θνησιµότητα σε σύγκριση µε εκείνα που κάνουν καθιστική ζωή ή δεν είναι σε καλή φυσική κατάσταση. Τα προηγούµενα ισχύουν για όλες τις ηλικίες (40-80). Παρακάτω, δίνονται επιγραµµατικά τα οφέλη από την φυσική δραστηριότητα: Βελτίωση στην καρδιο-αναπνευστική λειτουργία Αυξηµένη µέγιστη πρόσληψη οξυγόνου Μειωµένο κόστος σε µυο-καρδιακό οξυγόνο κατά την άσκηση Μειωµένος καρδιακός ρυθµός και πίεση αίµατος Αυξηµένη πυκνότητα των τριχοειδών στους σκελετικούς µύες Αυξηµένο κατώτατο όριο άσκησης για τη συγκέντρωση γαλακτικού οξέος στο αίµα Αυξηµένο κατώτατο όριο άσκησης για την εµφάνιση συµπτωµάτων ή ενδείξεων ασθένειας (π.χ. στηθάγχη, ισχαιµία, ωχρότητα) Ελάττωση παραγόντων κινδύνου στη στεφανιαία νόσο Μειωµένη συστολική/διαστολική πίεση σε κατάσταση ηρεµίας Αυξηµένη καλή χοληστερόλη και µειωµένα τριγλυκερίδια στο αίµα Μειωµένο συνολικό λίπος στο σώµα, µειωµένη ανάγκη ινσουλίνης, αυξηµένη ανοχή στη γλυκόζη Μειωµένη συγκέντρωση και επικόλληση αιµοπεταλίων 10

12 Κεφάλαιο 1 Στεφανιαία νόσος άσκηση Μειωµένη νοσηρότητα και θνησιµότητα Άµεση προστασία (για την αποφυγή εµφάνισης επεισοδίου) o Υψηλή δραστηριότητα και επίπεδα φυσικής κατάστασης συνδέονται µε χαµηλότερα ποσοστά θανάτων από στεφανιαία νόσο o Υψηλή δραστηριότητα και επίπεδα φυσικής κατάστασης συνδέονται µε χαµηλότερους ρυθµούς εµφάνισης καρδιοαναπνευστικών ασθενειών, στεφανιαίας νόσου, εµφράγµατος, διαβήτη τύπου 2, οστεοπόρωση, καρκίνο του παχέος εντέρου και του στήθους και ασθένειες της χοληδόχου κύστης. ευτερεύουσα προστασία (για την προστασία επανεµφάνισης επεισοδίου) o Με βάση έρευνες και αναλύσεις, οι θάνατοι που οφείλονται σε καρδιοαναπνευστικά προβλήµατα ή σε οποιαδήποτε αιτία είναι µειωµένοι σε ασθενείς µε έµφραγµα που έχουν συµµετάσχει σε πρόγραµµα άσκησης για αποκατάσταση, ειδικά µε σκοπό την ελάττωση πολυπαραγοντικών κινδύνων Άλλα οφέλη Μείωση άγχους και κατάθλιψης Υποστήριξη της φυσικής λειτουργίας και ανεξαρτητοποίηση της ζωής των ηλικιωµένων από την ανάγκη νεότερων Αύξηση του αισθήµατος για την καλή υγεία Περισσότερη απόδοση στην εργασία και στα αθλήµατα, µεγαλύτερη δηµιουργικότητα Υπάρχουν πολλαπλοί µηχανισµοί της φυσιολογίας και της ψυχολογίας µέσω των οποίων η µέτριας προς έντονης έντασης άσκηση µπορεί να ελαττώσει τη νοσηρότητα και τη θνησιµότητα που σχετίζονται µε τη δευτερεύουσα πρόληψη της καρδιαγγειακής ασθένειας. (Εικόνα ). Τα προγράµµατα αεροβικής άσκησης µπορούν να ελαττώσουν το άγχος και την κατάθλιψη, καθώς επίσης το σωµατικό βάρος και την εναπόθεση λίπους, την αρτηριακή πίεση (ειδικά σε υπερτασικούς ασθενείς), την χοληστερόλη και τα τριγλυκερίδια του αίµατος, και να αυξήσουν την καλή χοληστερόλη. Είναι πλέον αδιαµφισβήτητος ο ρόλος της αεροβικής άσκησης και της φυσικής δραστηριότητας στη βελτίωση των επιπέδων γλυκόζης και ινσουλίνης. 11

13 Κεφάλαιο 1 Στεφανιαία νόσος άσκηση Εικόνα Αποτελέσµατα διαρκούς άσκησης 3 Επιπλέον, πρόσφατες µελέτες αναφέρουν µια αντίστροφη σχέση µεταξύ της πρωτεΐνης C-αντιδρών, έναν δείκτη φλεγµονής, και της καρδιοαναπνευστικής κατάστασης αντρών και γυναικών. Τα αποτελέσµατα της χρόνιας άσκησης στο αυτόνοµο νευρικό σύστηµα είναι η ελάττωση του καρδιακού ρυθµού κατά την άσκηση και το στάδιο της ανάκαµψης, η ελάττωση της αρτηριακής πίεσης και της ανάγκης σε οξυγόνο κατά την αερόβια άσκηση ακόµα και σε χαµηλής έντασης προγράµµατα. Οι σύντοµες αεροβικές ασκήσεις φαίνεται ότι βελτιώνουν την αγγειοδιαστολή που εξαρτάται από το ενδοθήλιο τόσο στα στεφανιαία αγγεία στην επιφάνεια της καρδιάς όσο και στα υπόλοιπα σε ασθενείς µε ασυµπτωµατική αθηροσκλήρωση. Τέλος, η άσκηση βελτιώνει αιµοστατικές/ινολυτικές παραµέτρους σε ασθενείς µε ή χωρίς στεφανιαία νόσο, ελαττώνοντας την παρουσία θρόµβωσης και την επέκταση της αθηρωµατικής πλάκας, και ταυτόχρονα αυξάνοντας την κυκλοφορία του αίµατος. Αν και η διαρκής άσκηση έχει δείξει αύξηση στην ευαισθησία της νευρικής διέγερσης και στη µεταβλητότητα του καρδιακού ρυθµού σε στεφανιαίους ασθενείς, αναφορές που περιέγραψαν αλλαγές στην κοιλιακή αρρυθµία που σχετίζεται µε την άσκηση δείχνουν αντιφατικά αποτελέσµατα Γενικές οδηγίες για την άσκηση Η άσκηση γενικότερα διακρίνεται σε: α) δυναµική, κατά την οποία έχουµε µεταβολή του µήκους του µυός και κίνηση της άρθρωσης µε ρυθµικές συσπάσεις και β) στατική, κατά 12

14 Κεφάλαιο 1 Στεφανιαία νόσος άσκηση την οποία έχουµε σχετικά µεγάλη ενδοµυϊκή δύναµη µε µικρή ή καθόλου µεταβολή στο µήκος του µυός ή στην κίνηση της άρθρωσης. Η δυναµική άσκηση εκτελείται από µια µεγάλη µάζα µυών που προκαλεί αξιόλογη αύξηση στην κατανάλωση οξυγόνου, µε αποτέλεσµα την σηµαντική αύξηση της καρδιακής παροχής της καρδιακής συχνότητας, του όγκου παλµού και της συστολικής αρτηριακής πίεσης, µέτρια αύξηση της µέσης αρτηριακής πίεσης και πτώση της διαστολικής αρτηριακής πίεσης, καθώς και σηµαντική ελάττωση των ολικών περιφερικών αντιστάσεων. Αντίθετα, η στατική άσκηση προκαλεί µικρή αύξηση στην κατανάλωση οξυγόνου, στην καρδιακή παροχή και την καρδιακή συχνότητα και καµία αλλαγή στον όγκο παλµού. Παράλληλα, προκαλεί αξιόλογη αύξηση της συστολικής, της διαστολικής και της µέσης αρτηριακής πίεσης και καµία αξιόλογη αλλαγή των ολικών περιφερικών αντιστάσεων. Εποµένως, η δυναµική άσκηση προκαλεί πρωτοπαθώς υπερφόρτωση όγκου στην αριστερή κοιλία, ενώ η στατική άσκηση προκαλεί υπερφόρτωση πίεσης στο καρδιαγγειακό σύστηµα. Η Αµερικανική Εταιρεία Καρδιάς (ΑΗΑ) και το Αµερικανικό Κολέγιο Αθλητιατρικής (ACSM) προσδιορίζουν ότι οι υγιείς ενήλικες που θέλουν να διαφυλάξουν την υγεία τους πρέπει να κάνουν τρέξιµο και ασκήσεις µε βάρη 3 ή 5 φορές την εβδοµάδα, αναλόγως µε την ένταση της προσπάθειας που θα καταβάλουν και µε αυτό τον τρόπο µπορούν να προφυλαχθούν από εµφράγµατα, εγκεφαλικά, υπέρταση, διαβήτη και καρκίνο. Ειδικότερα, όλα τα υγιή άτοµα ηλικίας έως 65 ετών πρέπει να γυµνάζονται ήπια 5 φορές την εβδοµάδα, επί τουλάχιστον 30 λεπτά την φορά, ή να γυµνάζονται έντονα 3 φορές την εβδοµάδα, επί 20 λεπτά. Η γυµναστική αυτή πρέπει να περιλαµβάνει αεροβικές ασκήσεις και ασκήσεις µε βάρη. Ως ήπιες αεροβικές ασκήσεις θεωρούνται µια βόλτα µε γρήγορο βήµα, το ελαφρύ τρέξιµο ή οποιαδήποτε άλλη άσκηση επιταχύνει εµφανώς τον καρδιακό ρυθµό, ενώ ως έντονες θεωρούνται το κανονικό τρέξιµο και κάθε άσκηση που επιταχύνει την αναπνοή και αυξάνει σηµαντικά τον καρδιακό ρυθµό. Όσον αφορά τις ασκήσεις µε βάρη, αυτές είναι απαραίτητες για αύξηση της µυϊκής δύναµης και αντοχής. Οι νέες οδηγίες συνιστούν 8 έως 10 διαφορετικές ασκήσεις µε βάρη, δύο φορές την εβδοµάδα (όχι σε συνεχόµενες µέρες). Ειδικά για τα άτοµα ηλικίας άνω των 65 ετών, καλούνται να κάνουν ασκήσεις µε βάρη για όλο το σώµα, ώστε να δυναµώσουν και να αποφύγουν τις πτώσεις, καθώς και ασκήσεις ευλυγισίας και ισορροπίας. Απαραίτητη προϋπόθεση πριν από την έναρξη οποιουδήποτε προγράµµατος γυµναστικής είναι η ιατρική συµβουλή, ιδίως εάν πάσχει κανείς από κάποιο χρόνιο πρόβληµα υγείας, είναι άνω των 65 ετών, ή έχει περάσει πολύ καιρό διάγοντας καθιστική ζωή. Ειδικά σε άτοµα µε καρδιαγγειακά νοσήµατα, η άσκηση βρέθηκε ότι: συµβάλλει στην ελάττωση του σωµατικού βάρους, της αρτηριακής πίεσης και 13

15 Κεφάλαιο 1 Στεφανιαία νόσος άσκηση του στρες, δραστηριοποιεί το ινωδολυτικό σύστηµα του αίµατος µε την ενεργοποίηση του πλασµινογόνου, ελαττώνοντας τον κίνδυνο εµφράγµατος του µυοκαρδίου, ελαττώνει τα επίπεδα χοληστερόλης, τριγλυκεριδίων και LDL- χοληστερόλης, αυξάνει την HDL-χοληστερόλη και κυρίως το κλάσµα HDL 2, αυξάνει τη δραστηριότητα και τα επίπεδα της λιποπρωτεϊνικής λιπάσης στους µύες και στον υποδόριο ιστό, µειώνει το ινωδογόνο, που σχετίζεται άµεσα µε την εµφάνιση εµφράγµατος µυοκαρδίου και αιφνιδίου θανάτου, και µειώνει τη δραστηριότητα των αιµοπεταλίων, τα οποία συµµετέχουν στη διαδικασία της αθηροσκλήρωσης. Συνεπώς, η άσκηση είναι απαραίτητη συµπληρωµατικά για την αντιµετώπιση όλων των άλλων παραγόντων κινδύνου. Η άσκηση θα πρέπει να ξεκινάει µε προθέρµανση-ζέσταµα και να τελειώνει µε ''αποθέρµανση''- αποθεραπεία. Οι δυο αυτοί περίοδοι πρέπει να καταλαµβάνουν το 20% του συνολικού χρόνου άσκησης. Το κύριο µέρος του προγράµµατος µπορεί να είναι είτε αεροβικές ασκήσεις είτε δυναµικές µε βάρη. Οι αεροβικές ασκήσεις περιλαµβάνουν το τρέξιµο, το περπάτηµα, την ποδηλασία, το κολύµπι, την κωπηλασία, κ.ά. Κάθε πρόγραµµα άσκησης χαρακτηρίζεται από: την ένταση που καταβάλλει το άτοµο κατά την εκτέλεσή του, τη διάρκεια του προγράµµατος, και τη συχνότητα άσκησης. Επίσης, η άσκηση µπορεί να είναι ατοµική ή οµαδική. Θα πρέπει να αναφερθεί ότι κατά τη διάρκεια όλων των συναγωνιστικών αθληµάτων, το συναισθηµατικό υπόστρωµα του αθλητή µπορεί να προκαλέσει αύξηση της συµπαθητικής διέγερσης µε αποτέλεσµα την αυξηµένη συγκέντρωση των κατεχολαµινών, η οποία µπορεί να οδηγήσει σε αύξηση της αρτηριακής πίεσης, της καρδιακής συχνότητας και της µυοκαρδιακής συσπαστικότητας, παράλληλα µε την αύξηση των µυοκαρδιακών απαιτήσεων σε οξυγόνο. Εποµένως, λόγω της αυξηµένης συµπαθητικής δραστηριότητας, µπορεί να προκληθούν αρρυθµίες ή να επιδεινωθεί µια ήδη υπάρχουσα µυοκαρδιακή ισχαιµία. Η περιβαλλοντική έκθεση κατά τη διάρκεια συναγωνιστικών αθληµάτων θα πρέπει να λαµβάνεται υπ' όψιν. Η άθληση σε υψηλά υψόµετρα ή κάτω από το νερό µπορεί να προκαλέσει µείωση της διαθεσιµότητας του οξυγόνου, ενώ υψηλές ή χαµηλές θερµοκρασίες σε συνδυασµό µε υγρασία µπορεί να αυξήσουν το φορτίο µυοκαρδιακού έργου για την ίδια ένταση άσκησης. Οι οδηγίες για την άσκηση από την Αµερικανική Καρδιολογική Εταιρεία συνοψίζονται στα εξής: 14

16 Κεφάλαιο 1 Στεφανιαία νόσος άσκηση 1. Ασκηθείτε µόνο όταν αισθάνεστε καλά. 2. Μην ασκείστε αµέσως µετά το φαγητό. Περιµένετε τουλάχιστον 2 ώρες. 3. Χρειάζεται προσοχή στις καιρικές συνθήκες. Αποφύγετε την άσκηση µε υψηλές θερµοκρασίες ιδιαίτερα όταν έχετε κουραστεί στην εργασία σας. Σε θερµοκρασία πάνω από ο Κελσίου µειώστε τον ρυθµό, δείξετε µεγαλύτερη ευαισθησία σε τυχόν συµπτώµατα και πίνετε πολλά υγρά πριν και µετά την άσκηση. Η άσκηση είναι καλύτερα ανεκτή σε χαµηλή θερµοκρασία ή µε ελαφρό αεράκι ή θαλάσσια αύρα. 4. Προσοχή στις ανηφόρες. Μειώστε ταχύτητα και ένταση οπωσδήποτε. 5. Ασκηθείτε µε ελαφρά αθλητικά ρούχα και υποδήµατα. Ιδιαίτερα αποφύγετε τα συνθετικά που δεν αφήνουν το σώµα να "αναπνεύσει" και φορέστε οπωσδήποτε καπέλο στον ήλιο. 6. Κάθε οργανισµός είναι ένα σύνολο µε ιδιαιτερότητες. Για το πρόγραµµα σωµατικής σας άσκησης συζητείστε µε τον γιατρό που σας παρακολουθεί. 7. Για την καρδιά ωφέλιµη άσκηση είναι µόνο η αερόβια άσκηση. Το περπάτηµα είναι το καλύτερο παράδειγµα τέτοιας άσκησης. 8. Μάθετε να αναγνωρίζετε τυχόν καρδιολογικά συµπτώµατα κατά την διάρκεια της άσκησης: α) υσφορία στο άνω µέρος του σώµατος, όπως τον θώρακα, στα χέρια, στο λαιµό, στη γνάθο. Η δυσφορία αυτή µπορεί να ποικίλει σε ένταση και να είναι σαν πόνος, κάψιµο, σφίξιµο ή πίεση. β) Αίσθηµα λιποθυµίας ή λιποθυµία κατά ή µετά την άσκηση. Αν και µπορεί να µην οφείλεται στην καρδιά, σταµατήστε την άσκηση και συµβουλευτείτε τον γιατρό σας. γ) ύσπνοια. Η συχνότητα και το βάθος των αναπνοών φυσικά αυξάνονται µε την άσκηση αλλά δεν θα πρέπει να προκαλείται δυσφορία δυσχέρεια στην οµιλία ή βήχας. Ο ρυθµός της αναπνευστικής λειτουργίας πρέπει να αποκαθίσταται σε λιγότερο από 5 λεπτά µετά την διακοπή της άσκησης. 9. Τα ακόλουθα συµπτώµατα µπορεί να δείχνουν ότι ασκείστε σε ρυθµό εντονότερο από όσο αντέχετε: αδυναµία να ολοκληρώσετε ένα συγκεκριµένο πρόγραµµα, αδυναµία συνοµιλίας κατά την άσκηση, ζάλη ή ναυτία, χρόνια κόπωση, αϋπνία, πόνος στις αρθρώσεις. 10. Να ξεκινάτε πάντα αργά και να αυξάνετε την ένταση προοδευτικά. ίνετε έτσι την ευκαιρία στην καρδιά να προσαρµοστεί κατάλληλα Καρδιακή Συχνότητα Κάθε ασθενής µπορεί να ασκηθεί µέχρι ένα συγκεκριµένο εύρος καρδιακής συχνότητας, ειδικά για την αεροβική άσκηση. Με βάση την ηλικία του προσδιορίζεται η µέγιστη καρδιακή συχνότητα, η οποία προκύπτει εµπειρικά από τον παρακάτω τύπο: 15

17 Κεφάλαιο 1 Στεφανιαία νόσος άσκηση HR max = 220 ηλικία Κατά την διάρκεια της άσκησης, στόχος θα πρέπει να είναι ένα συγκεκριµένο εύρος καρδιακού ρυθµού, πέραν του οποίου θα πρέπει να σταµατάει η άσκηση ή να ελαττώνεται η ένταση της άσκησης. Το εύρος αυτό αποτελεί το target HR zone, το οποίο αντιστοιχεί περίπου στο 55-90% του HR max. Όταν η άσκηση υπερβαίνει το 75% του HR max, µπορεί να είναι πολύ εξαντλητική και κοπιώδης για τον ασθενή, εκτός και αν βρίσκεται σε άριστη φυσική κατάσταση. Αντίστροφα, άσκηση κάτω από 50% του HR max δεν προσφέρει σηµαντικό όφελος στην καρδιοαναπνευστική λειτουργία. Συνεπώς, τα καλύτερα επίπεδα άσκησης επιτυγχάνονται στο 50-75% του HR max, που αποτελεί και το target HR zone. Στον παρακάτω πίνακα απεικονίζεται η αντιστοιχία της ηλικίας, του HR max και του target HR zone. Ηλικία HR max Τarget HR zone 20 ετών σφυξ/min 25 ετών σφυξ/min 30 ετών σφυξ/min 35 ετών σφυξ/min 40 ετών σφυξ/min 45 ετών σφυξ/min 50 ετών σφυξ/min 55 ετών σφυξ/min 60 ετών σφυξ/min 65 ετών σφυξ/min 70 ετών σφυξ/min Πίνακας Αντιστοίχιση ηλικίας µε HR max και target HR zone. Με την έναρξη ενός προγράµµατος άσκησης, στόχος θα πρέπει να είναι το κατώτερο µέρος του target HR zone, δηλαδή περίπου το 50% του HR max. Με τη συνέχιση του προγράµµατος, και καθώς το άτοµο βελτιώνει τη φυσική του κατάσταση, θα πρέπει να στοχεύει στο ανώτερο µέρος του target HR zone, δηλαδή στο 75% του HR max. Μετά από ένα εξάµηνο ή και µεγαλύτερο διάστηµα τακτικής άσκησης, το άτοµο µπορεί να φτάσει και µέχρι το 85% του HR max, αν και δεν υπάρχει λόγος για τόσο έντονη άσκηση για τη διατήρηση καλής φυσικής κατάστασης. Οι οδηγίες για τους στεφανιαίους ασθενείς ορίζουν ότι: ασθενείς µε ασυµπτωµατική ισχαιµία θα πρέπει να ασκούνται µε αεροβική 16

18 Κεφάλαιο 1 Στεφανιαία νόσος άσκηση άσκηση, 3 φορές/εβδοµάδα, για τουλάχιστον 20 min, και µε όριο καρδιακής συχνότητας 70-85% του max HR, ασθενείς µε στηθάγχη θα πρέπει να ασκούνται επίσης µε αεροβική άσκηση, 3 φορές/εβδ, για τουλάχιστον 20 min, και µε όριο 70-85% του max HR ή την εµφάνιση στηθάγχης, ασθενείς µε αρτηριακή απόφραξη ή διαλείπουσα χωλότητα θα πρέπει να περπατάνε 3 φορές/εβδ, για τουλάχιστον 30 min ή µέχρι την εµφάνιση πόνου, ασθενείς µε στεφανιαία νόσο γενικότερα θα πρέπει να κάνουν αερόβια άσκηση 3 φορές/εβδ, για τουλάχιστον 20 min και µε όριο 70-85% του max HR, ασθενείς µε αγγειοπλαστική (stent), ό,τι ισχύει και για τους στεφανιαίου ασθενείς, ενώ για τη δυναµική άσκηση συνιστάται στους στεφανιαίους ασθενείς να ασκούνται τουλάχιστον 2-3 φορές/εβδ, για min, κάνοντας 1-4 σετ µιας άσκησης µε 5-50 επαναλήψεις και µε µεσοδιαστήµατα χαλάρωσης Ένταση της φυσικής δραστηριότητας Κάθε άσκηση (δυναµική ή στατική) ταξινοµείται βάση της έντασης που απαιτείται για την εκτέλεσή της σε : υψηλής έντασης, µέτριας έντασης, και χαµηλής έντασης. Όπως προαναφέρθηκε, ο στεφανιαίος ασθενής θα πρέπει να ασκείται µε την ένταση που αντέχει και µπορεί να ανταπεξέλθει, χωρίς να καταβάλλει υπερβολική προσπάθεια. Αυτό βέβαια σχετίζεται άµεσα και µε το εύρος της καρδιακής συχνότητας στο οποίο θα πρέπει να κυµαίνεται. Στον παρακάτω πίνακα αντιστοιχίζεται η ένταση της άσκησης µε το ποσοστό του max HR. Ένταση Ποσοστό του max HR VO 2 max* Πολύ ελαφριά <35% < 20 % Ελαφριά % % Μέτρια % % Έντονη % % Πολύ έντονη 90 % 85 % Μέγιστη 100 % 100 % Πίνακας Ταξινόµηση φυσικής δραστηριότητας * όπου VO 2 max είναι το ποσοστό της µέγιστης πρόσληψης οξυγόνου και αποτελεί τον καλύτερο τρόπο εκτίµησης της φυσικής κατάστασης του ατόµου. Μετριέται κατά το περπάτηµα/ τρέξιµο σε διάδροµο ή σε εργοµετρικό ποδήλατο µε αυξανόµενο φορτίο και για 12 µε 15 min. Το οξυγόνο που 17

19 Κεφάλαιο 1 Στεφανιαία νόσος άσκηση προσλαµβάνεται κατά τη µέγιστη προσπάθεια είναι το VO 2 max. Όσο µεγαλύτερο είναι το VO 2 max, σε τόσο καλύτερη φυσική κατάσταση είναι το άτοµο. Είναι αυτονόητο ότι το ανώτερο επίπεδο της έντασης της άσκησης για τους στεφανιαίους ασθενείς θα πρέπει να ορίζεται πριν την εµφάνιση των παρακάτω συµπτωµάτων : εµφάνιση στηθαγχικού πόνου ή άλλων συµπτωµάτων καρδιαγγειακής δυσφορίας, σηµαντική πτώση της συστολικής αρτηριακής πίεσης ή αύξηση της συστολικής πίεσης >250 mmhg ή της διαστολικής πίεσης >115 mmhg, πτώση του ST-διαστήµατος >1mm στο ΗΚΓ, οριζόντια ή µε κλίση, ενδείξεις δυσλειτουργίας της αριστεράς κοιλίας σε σπινθηρογράφηµα ή διαπίστωση δυσκινησίας του τοιχώµατος κατά την προσπάθεια, αυξηµένη συχνότητα κοιλιακών αρρυθµιών, άλλες σηµαντικές ΗΚΓραφικές διαταραχές, όπως πχ. κολποκοιλιακός αποκλεισµός 2 ου ή 3 ου βαθµού, κολπική µαρµαρυγή, υπερκοιλιακή ταχυκαρδία. κ.ά., άλλα συµπτώµατα ή σηµεία δυσφορίας κατά την άσκηση. Επίσης, ο ασθενής θα πρέπει να γνωρίζει ότι µε την εµφάνιση των παρακάτω συµπτωµάτων, θα πρέπει να σταµατήσει άµεσα την άσκηση ή τουλάχιστον να τη διακόψει προσωρινά : 1. ιαστολική Πίεση 110 mmhg, 2. πτώση της Συστολικής Πίεσης > 10 mmhg, 3. σηµαντικές κοιλιακές ή κολπικές αρρυθµίες, 4. 2 ου ή 3 ου βαθµού κολποκοιλιακός αποκλεισµός, ή/και 5. συµπτώµατα δυσφορίας, όπως στηθαγχικός πόνος, έντονη δύσπνοια, ΗΚΓραφικές αλλαγές ενδεικτικές ισχαιµίας. Κάθε ασθενής δεν µπορεί να εκτελέσει όλα τα προγράµµατα άσκησης και να τα φέρει εις πέρας. Αυτό έχει σχέση µε την φυσική κατάσταση στην οποία βρίσκεται, δηλαδή πόσο συχνά αθλείται κανείς στην καθηµερινή του ζωή. Ανάλογα λοιπόν µε την φυσική του κατάσταση κατατάσσεται σε κάποια από τις παρακάτω κατηγορίες. Αρχάριος Μέτρια φυσική κατάσταση Έναρξη προγράµµατος Σταδιακά min περπάτηµα ή άλλη δραστηριότητα, 3 φορές/εβδ Αεροβική άσκηση για τουλάχιστον 30 min στο targethr zone, για 3-5 φορές/εβδ Μακροπρόθεσµα Σταδιακή αύξηση της διάρκειας του προγράµµατος ( πχ min ) ή της συχνότητας Σταδιακή αύξηση στο 75% του targethr Αεροβική άσκηση (τρέξιµο, κολύµπι, Προχωρηµένος ποδηλασία, σκι) για τουλάχιστον 45 min στο 75% του targethr, 5 φορές/εβδ Πίνακας Ταξινόµηση Φυσικής κατάστασης 18

20 Κεφάλαιο 1 Στεφανιαία νόσος άσκηση Έτσι, ένα παράδειγµα προγράµµατος «περπάτηµα» θα είναι το παρακάτω : Προθέρµανση Κυρίως άσκηση Αποθεραπεία Συνολικός χρόνος (min) Εβδ. 1 Περπάτηµα 5 min Περπάτηµα 5 min Περπάτηµα 5 min 15 Εβδ. 2 Περπάτηµα 5 min Περπάτηµα 7 min Περπάτηµα 5 min 17 Εβδ. 3 Περπάτηµα 5 min Περπάτηµα 9 min Περπάτηµα 5 min 19 Εβδ. 4 Περπάτηµα 5 min Περπάτηµα 11 min Περπάτηµα 5 min 21 Εβδ. 5 Περπάτηµα 5 min Περπάτηµα 13 min Περπάτηµα 5 min 23 Εβδ. 6 Περπάτηµα 5 min Περπάτηµα 15 min Περπάτηµα 5 min 25 Εβδ. 7 Περπάτηµα 5 min Περπάτηµα 18 min Περπάτηµα 5 min 28 Εβδ. 8 Περπάτηµα 5 min Περπάτηµα 20 min Περπάτηµα 5 min 30 Εβδ. 9 Περπάτηµα 5 min Περπάτηµα 23 min Περπάτηµα 5 min 33 Εβδ. 10 Περπάτηµα 5 min Περπάτηµα 26 min Περπάτηµα 5 min 36 Εβδ. 11 Περπάτηµα 5 min Περπάτηµα 28 min Περπάτηµα 5 min 38 Εβδ. 12 Περπάτηµα 5 min Περπάτηµα 30 min Περπάτηµα 5 min 40 Πίνακας Παράδειγµα προγράµµατος άσκησης Το πρόγραµµα αυτό θα πρέπει να το επαναλαµβάνει 3 φορές/εβδοµάδα. Κατά τη διάρκεια της άσκησης, ο ασθενής θα πρέπει περιοδικά να ελέγχει το σφυγµό του, έτσι ώστε να βρίσκεται µέσα στο εύρος του target HR zone. Σταδιακά, µπορεί να αυξήσει τη χρονική διάρκεια σε min, και τη συχνότητα σε 3-4 φορές/ εβδ. Επίσης, οι ασθενείς θα πρέπει να κατηγοριοποιούνται µετά την επέµβαση ή την εµφάνιση της νόσου, ανάλογα µε τον βαθµό επικινδυνότητας σε χαµηλού, µέτριου ή υψηλού κινδύνου. Με βάση το κριτήριο αυτό, θα πρέπει η άσκησή τους να είναι υπό επίβλεψη γιατρού ή όχι. Έτσι: ασθενείς χαµηλού κινδύνου θα πρέπει να ασκούνται υπό την επίβλεψη ιατρικού προσωπικού για τουλάχιστον 6 18 φορές άσκησης ή για 30 ηµέρες µετά την εγχείρηση, µε τη χρήση ΗΚΓραφου, στην αρχή µε συνεχή καταγραφή και στη συνέχεια διακοπτόµενη, ασθενείς µετρίου κινδύνου θα πρέπει να ασκούνται υπό άµεση επίβλεψη για φορές άσκησης ή για 60 ηµέρες µετεγχειρητικά, ενώ ασθενείς υψηλού κινδύνου θα πρέπει να ασκούνται υπό επίβλεψη για τουλάχιστον φορές ή για 90 ήµερες µετά την εγχείρηση ή το καρδιακό επεισόδιο. Αν εµφανίσουν συµπτώµατα δυσφορίας, είτε κατά τη διάρκεια είτε µετά από την άσκηση, τότε θα πρέπει άµεσα να γίνει διακοπή του προγράµµατος άσκησης. Τέλος, θα πρέπει να αναφερθεί ότι δεν µπορούν όλοι οι ασθενείς µε καρδιοπάθεια να 19

21 Κεφάλαιο 1 Στεφανιαία νόσος άσκηση αθληθούν. Υπάρχουν συγκεκριµένες ασθένειες που αποτελούν αντένδειξη, όπως οι παρακάτω: 1. ασταθή στηθάγχη, 2. συστολική αρτηριακή πίεση >200 mmhg ή διαστολική πίεση >110 mmhg κατά την ηρεµία, 3. ορθοστατική υπόταση > 20 mmhg µε συνοδά συµπτώµατα, 4. σηµαντική στένωση αορτής, 5. οξεία συστηµατική νόσος ή πυρετός, 6. κολπικές ή κοιλιακές αρρυθµίες που δεν ρυθµίζονται, 7. φλεβοκοµβική ταχυκαρδία (>120σφ/min) που δεν ρυθµίζεται, 8. µη-αντιρροπούµενη συµφορητική καρδιακή ανεπάρκεια, 9. 3 ου βαθµού κολποκοιλιακός αποκλεισµός, χωρίς βηµατοδότη, 10. ενεργός περικαρδίτιδα ή µυοκαρδίτιδα, 11. πρόσφατη εµβολή, 12. θροµβοφλεβίτιδα, 13. µεταθέσεις του διαστήµατος ST κατά την ηρεµία, 14. αρρύθµιστος σακχαρώδης διαβήτης, 15. σοβαρές ορθοπεδικές παθήσεις που εµποδίζουν την άσκηση, 16. άλλα µεταβολικά νοσήµατα, όπως οξεία θυρεοειδίτιδα, υποκαλιαιµία, υπερκαλιαιµία, υποβολαιµία κ.ά. 4 20

22 2 Κεφάλαιο 2 Αναπαράσταση γνώσης στον Σηµασιολογικό Ιστό O Σηµασιολογικός Ιστός (Semantic Web) αποτελεί µια επέκταση του σηµερινού Παγκόσµιου Ιστού. Η επέκταση αυτή έχει ως σκοπό την αυτοµατοποίηση των λειτουργιών και των εφαρµογών του ιαδικτύου, όπως είναι οι µηχανές αναζήτησης και οι πράκτορες λογισµικού (software agents). Η αυτοµατοποίηση αυτή µπορεί να επιτευχθεί µόνον εφόσον η γνώση και η πληροφορία που υπάρχει αποθηκευµένη και δηµοσιευµένη αυτή τη στιγµή στο σηµερινό Παγκόσµιο Ιστό αποκτήσει τυπικό νόηµα (formal meaning) και σηµασιολογία (semantics) και δοµηθεί µε ένα τέτοιο τρόπο ώστε να γίνεται κατανοητή από τις µηχανές που την επεξεργάζονται (machine understandable). Από τη στιγµή που η πληροφορία θα είναι δοµηµένη µε έναν σηµασιολογικά πλούσιο τρόπο, θα ενισχύεται ο διαµοιρασµός (sharing) και η επαναχρησιµοποίησή της (reusability) επιτυγχάνοντας τη διαλειτουργικότητα (interoperability) και συνδεσιµότητα (interconnectivity) ετερογενών (heterogeneous) συστηµάτων και εφαρµογών. 2.1 Γενικά περί οντολογίας Η οντολογία ως κλάδος της φιλοσοφίας είναι η επιστήµη που εξετάζει την υπόσταση των διαφόρων ειδών και δοµών των αντικειµένων, των ιδιοτήτων τους, καθώς και των σχέσεών τους σε κάθε τοµέα της πραγµατικότητας. Ως όρος, προερχόµενος από την ελληνική γλώσσα, δηµιουργήθηκε το 1613 ανεξάρτητα από δύο φιλοσόφους, τους Rudolf Gockel {Lexicon philosophicum) και Jacob Lorhard {Theatrum philosophicum), ενώ στη φιλοσοφία συνήθως, αποτελεί τη µελέτη της υπόστασης των διάφορων ειδών και δοµών των αντικειµένων, των ιδιοτήτων τους, καθώς και των σχέσεών τους σε κάθε τοµέα της πραγµατικότητας. Η έννοια της οντολογίας χρησιµοποιείται συχνά από τους φιλοσόφους ως συνώνυµο των µεταφυσικών, ενός όρου που χρησιµοποιήθηκε από τους πρώτους µαθητές του Αριστοτέλη για να αναφερθούν σε αυτό που ο ίδιος ο Αριστοτέλης αποκαλούσε Πρώτη

23 Κεφάλαιο 2 Αναπαράσταση γνώσης στον Σηµασιολογικό ιστό Φιλοσοφία. Η οντολογία ασχολείται µε το τι υπάρχει ή καλύτερα την έννοια της ύπαρξης, ενώ ορισµένες φορές κατά µια γενικότερη έννοια πραγµατεύεται τη µελέτη του τι µπορεί να υπάρχει. Στη φιλοσοφία έχει τουλάχιστον τέσσερις καθιερωµένες έννοιες. Την οντολογία υπό την καθαρή φιλοσοφική έννοια (που ασχολείται µε το γιατί υπάρχει κάτι από το να µην υπάρχει τίποτα), την οντολογία ως τοµέας γνώσεως που ασχολείται µε τα φιλοσοφικά προβλήµατα των οντοτήτων, την οντολογία ως κλάδο που πραγµατεύεται τη µελέτη του αποτελέσµατος της οντολογίας ως τοµέα γνώσεως και, τέλος, την εφαρµοσµένη επιστηµονική οντολογία που επικεντρώνεται στη µελέτη ενός συγκεκριµένου επιστηµονικού τοµέα γνώσεως που εξετάζει τι υπάρχει στην πραγµατικότητα. Ο τελευταίος τοµέας χωρίζεται στην οντολογία ως θεωρητικό κλάδο που παρέχει µια περιγραφή των πραγµάτων που υποτίθεται ότι υφίστανται σύµφωνα µε µια ιδιαίτερη θεωρία, άλλα που δεν είναι αναγκαίο να είναι αληθινά και στην οντολογία, ως υφιστάµενο κλάδο που ασχολείται µε τον πραγµατικό κόσµο όλων των υπαρχουσών οντοτήτων που προσδιορίζονται από µια τελείως πλήρη εφαρµοσµένη οντολογική θεωρία Οντολογίες και πληροφορική Το λεξικό του Webster ορίζει την οντολογία στην πληροφορική ως: «µια κατηγοριοποίηση όλων των σηµαντικών κατηγοριών αντικείµενων ή εννοιών που υπάρχουν σε κάποιο τοµέα γνώσης συµπεριλαµβάνοντας και τις αναµεταξύ τους σχέσεις. 'Όταν είναι πλήρης, η οντολογία αποτελεί την κατηγοριοποίηση όλων των εννοιών σε κάποιο τοµέα γνώσης, συµπεριλαµβανοµένων των αντικειµένων και των ιδιοτήτων τους, καθώς και των λειτουργιών που απαιτούνται για να τα καθορίσουν πλήρως. Μια απλουστευµένη οντολογία µπορεί να περιέχει µόνο µια ιεραρχική ταξινόµηση που παρουσιάζει τις σχέσεις µεταξύ των εννοιών που περιέχει. Μια οντολογία µπορεί να απεικονιστεί ως µια θεωρητική γραφική παράσταση µε τους κόµβους και τα τόξα που αντιπροσωπεύουν τα αντικείµενα και τις σχέσεις». Σύµφωνα µε τον ορισµό του Webster, η οντολογία είναι µια συστηµατική κατανοµή, κατηγοριοποίηση των εννοιών, ιεραρχική ταξινόµηση κτλ., ενώ σύµφωνα µε τον πλέον διαδεδοµένο ορισµό του Gruber 1 η οντολογία είναι ένας ρητός και τυπικός ορισµός µιας εννοιολογικής σύλληψης. Έτσι λοιπόν, στον τοµέα της Τεχνητής Νοηµοσύνης αλλά και των Επιστηµών Υγείας, η οντολογία παίζει έναν πολύ σηµαντικό ρολό εξυπηρετώντας τις τεχνολογικές ανάγκες εκµετάλλευσης της πληροφορίας. Συνεπώς, συχνά αναφερόµαστε σε µια ορολογία δανεισµένη από τη φιλοσοφία που δεν αποτελεί µια θεωρία όπως στη φιλοσοφία, άλλα έναν ορισµό µιας εννοιολογικής σύλληψης που αποσκοπεί στην αντιπροσώπευση της πληροφορίας. Αυτό όµως που γίνεται συνεχώς όχι µονό επιθυµητό, άλλα και απολύτως αναγκαίο κατά τον σχεδιασµό της οντολογίας, είναι η ανάγκη 1 Η µετάφραση του ορισµού του Gruber ανακτήθηκε από το άρθρο των Τοµαή, Κάβουρα (2002: 1). 22

24 Κεφάλαιο 2 Αναπαράσταση γνώσης στον Σηµασιολογικό ιστό εκµετάλλευσης βασικών αρχών προσαρµοσµένων από την εφαρµοσµένη επιστηµονική οντολογία. Αυτές οι φιλοσοφικές αρχές θα µας βοηθήσουν στην οργάνωση και εκµετάλλευση της γνώσης Μερικοί βασικοί κανόνες στη δηµιουργία οντολογίας εν υπάρχει ένας "σωστός" τρόπος ή µοναδική µεθοδολογία για την ανάπτυξη οντολογιών. Ορισµένοι θεµελιώδεις και γενικοί κανόνες σχεδιασµού οντολογιών που µπορούν να εφαρµοστούν σε πολλές περιπτώσεις είναι: 1) εν υπάρχει ένας σωστός τρόπος µοντελοποίησης ενός θέµατος πάντα υπάρχουν εναλλακτικές λύσεις. Η καλύτερη λύση σχεδόν πάντα εξαρτάται από την εφαρµογή που πρόκειται να υλοποιηθεί και τις επεκτάσεις που πιθανόν έχουν προβλεφθεί. 2) Η ανάπτυξη οντολογιών είναι αναγκαστικά µια επαναληπτική διαδικασία. 3) Οι προσεγγίσεις στην οντολογία πρέπει να είναι κοντά σε αντικείµενα (φυσικά ή λογικά) και σε σχέσεις στο θέµα που ενδιαφέρει. Αυτά είναι πιο πιθανό να είναι ουσιαστικά (αντικείµενα) ή ρήµατα (σχέσεις) σε φράσεις που περιγράφουν τον θέµα. Έτσι, αποφασίζοντας πού θα χρησιµοποιηθεί η οντολογία και πόσο λεπτοµερής ή γενική θα είναι, θα καθορίζεται η µοντελοποίηση. Μεταξύ πολλών εναλλακτικών λύσεων, θα χρειαστεί να προσδιοριστεί εκείνη που θα µπορούσε να λειτουργήσει καλύτερα για το στα πλαίσια του προβλήµατος, να γίνει πιο διαισθητική, πιο επεκτάσιµη, και να διατηρηθεί. Μια οντολογία είναι ένα µοντέλο της πραγµατικότητας του κόσµου και οι έννοιες στην οντολογία πρέπει να αντικατοπτρίζουν αυτήν την πραγµατικότητα. Αφού οριστεί µια αρχική έκδοση της οντολογίας, µπορεί να αξιολογηθεί. Στη συνέχεια, είναι σχεδόν σίγουρο ότι θα πρέπει να αναθεωρηθεί η αρχική οντολογία. Αυτή η επαναληπτική διαδικασία σχεδιασµού ενδέχεται να συνεχίσει καθ 'όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής της οντολογίας Γλώσσες αναπαράστασης οντολογιών Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί αρκετές γλώσσες αναπαράστασης οντολογιών ορισµένες από τις οποίες δίνονται στον πίνακα που ακολουθεί. Ακρωνύµιο Γλώσσα Χαρακτηριστικά XML Extensible Markup Language Αναπαράσταση ηµι-δοµηµένων δεδοµένων SHOE Simple HTML Ontology Extensions Συµβατή γλώσσα αναπαράστασης δεδοµένων µε την XML. Επιτρέπει σχόλια από τους συντάκτες των ιστοσελίδων. Πλέον δεν 23

25 Κεφάλαιο 2 Αναπαράσταση γνώσης στον Σηµασιολογικό ιστό RDF RDFS Resource Description Framework Resource Description Framework Schema OIL Ontology Inference Layer / Ontology Interchange Language DAML XOL XSL DARPA Agent Markup Language Ontology Exchange Language Extensible Stylesheet Language συντηρείται. Συντακτικοί κανόνες και απλά µοντέλα δεδοµένων για την αναπαράσταση σηµασιολογικών δεδοµένων. Υποστηρίζει διαλειτουργικότητα στις σχέσεις αντικειµένου-ιδιότητας-τιµής. Τα στοιχειώδη για την αναπαράσταση βασικών οντολογιών µε RDF Τα στοιχειώδη για την αναπαράσταση οντολογιών από γλώσσες που βασίζονται σε πλαίσια (frames), τυπικα σηµασιολογικά δεδοµένα και υποστήριξη reasoning που βασίζεται στην περιγραφική λογική. Συµβατή µε την RDFS Προήλθε από την DAML-ONT (γλώσσα οντολογιών) και την DAML-Logic (γλώσσα ικανή για την ανάπτυξη κανόνων και αξιωµάτων). Κληρονοµεί πολλά χαρακτηριστικά της OIL, είναι λιγότερο συµβατή µε την RDF από ότι µε την OIL Απλότητα, µια γενική προσέγγιση στον ορισµό οντολογιών. Έχει δύο διαφορετικές συντακτικές εκδοχές που βασίζονται στην XML και στην RDFS. Παρέχει ένα πρότυπο για την περιγραφή της σχεδίασης διαφορετικών οντολογιών (ένας µηχανισµός µετάφρασης µεταξύ αρχείων XML) OWL Ontology Web Language Συνδυασµός DAML+OIL, µορφη σύνταξης σύµφωνη µε προτυπο XML, βασίζεται στην περιγραφική λογική Πίνακας Γλώσσες αναπαράστασης οντολογιών 7 Η δυνατότητα έκφρασης της RDF και της RDFS είναι πολύ περιορισµένη. Το Web Ontology Working Group του W3C (World Wide Web Consortium) αναγνώρισε έναν αριθµό 24

26 Κεφάλαιο 2 Αναπαράσταση γνώσης στον Σηµασιολογικό ιστό από χαρακτηριστικές προτάσεις χρήσης για τις οντολογίες που θα απαιτούσαν πολύ περισσότερες δυνατότητες έκφρασης από αυτές που δίνουν η RDF και RDFS. Ερευνητικές οµάδες στην Αµερική και στην Ευρώπη αντιλήφθηκαν την ανάγκη για µια πιο δυνατή γλώσσα αναπαράστασης οντολογιών. Έτσι, δηµιουργήθηκε η γλώσσα DAML+OIL (το όνοµα προέρχεται από την Αµερικάνικη πρόταση DAML-ONT και την Ευρωπαϊκή OIL). Στη συνέχεια, η γλώσσα DAML+OIL αποτέλεσε την εκκίνηση για τη δηµιουργία της γλώσσας OWL από τo W3C Web Ontology Working Group, την γλώσσα που αποτελεί πρότυπο και είναι ευρέως αποδεκτή στον Σηµασιολογικό Ιστό. Οι γλώσσες RDF & RDFS Η RDF είναι µια γλώσσα η οποία χρησιµοποιείται για την απλή περιγραφή πόρων (resources) του διαδικτύου. Η περιγραφή αυτή εστιάζεται κυρίως στην απόδοση µετα-πληροφορίας τους πόρους αυτούς, όπως είναι η περιγραφή του τίτλου, του ονόµατος, της ηµεροµηνίας δηµιουργίας και άλλων χαρακτηριστικών κάποιου πόρου του ιαδικτύου. Με την έννοια πόρος αναφερόµαστε σε οποιαδήποτε οντότητα του Παγκόσµιου Ιστού, όπως είναι µια ιστοσελίδα, ένα τµήµα ή ένα σύνολο από ιστοσελίδες, ηλεκτρονικά αρχεία ή ακόµα και αντικείµενα τα οποία δεν είναι άµεσα διαθέσιµα στο διαδίκτυο, όπως είναι για παράδειγµα ένα βιβλίο. Η RDF βασίζεται στην ιδέα ότι οι πόροι οι οποίοι πρέπει να περιγραφούν έχουν ιδιότητες (properties) οι οποίες έχουν συγκεκριµένη τιµή. Έτσι, λοιπόν, µια µετα-πληροφορία για ένα πόρο αποτελείται από µια ιδιότητα και την τιµή που έχει ο πόρος για την ιδιότητα αυτή. Μια έκφραση για έναν πόρο ονοµάζεται RDF πρόταση (sentence). Συνοψίζοντας λοιπόν, µια RDF πρόταση αποτελείται από µια τριάδα (triple) ενός υποκειµένου (subject), µιας ιδιότητας (property) και ενός αντικειµένου (object). Τη θέση του υποκειµένου καταλαµβάνει ο πόρος, τη θέση της ιδιότητας η ιδιότητα που του αποδίδεται, ενώ τη θέση του αντικειµένου η τιµή που έχει ο πόρος αυτός για την ιδιότητα. Η τιµή αυτή µπορεί να είναι κάποιος άλλος πόρος ή κάποια τιµή δεδοµένων. Συντακτικά, οι προτάσεις αυτές δηλώνονται από µια διατεταγµένη τριάδα της µορφής, s, p, o., όπου τα s, p και ο αντιπροσωπεύουν το υποκείµενο, την ιδιότητα και το αντικείµενο, αντίστοιχα ενώ η τριάδα τερµατίζεται µε το σύµβολο της τελείας. Όπως αναφέρθηκε και στην εισαγωγή, η RDF είναι µια γλώσσα αναπαράστασης γνώσης για το Σηµασιολογικό Ιστό. Έτσι λοιπόν, το πρότυπο της RDF καθορίζει και µια σύνταξη η οποία έχει σαν σκοπό οι RDF τριάδες να δοµούνται µε έναν τρόπο επεξεργάσιµο από υπολογιστικά συστήµατα και εφαρµογές. Η σύνταξη αυτή δε θα µπορούσε να βασίζεται σε άλλο πρότυπο παρά µόνο στην XML. Η σύνταξη αυτή αναφέρεται ως RDF/XML σύνταξη (Beckett 2003). Για λόγους γενικότητας, η RDF χρησιµοποιεί URI references για να προσδιορίσει τις οντότητες οι 25

27 Κεφάλαιο 2 Αναπαράσταση γνώσης στον Σηµασιολογικό ιστό οποίες βρίσκονται στη θέση του υποκειµένου, της ιδιότητας και του αντικειµένου. Ένα URI reference (URIRef) αποτελείται από ένα URI και από ένα προαιρετικό fragment identifier. Για παράδειγµα, το URIRef αποτελείται από το URI και από τον fragment identifier section2 τον οποίο διακρίνουµε από το URI µε τη χρήση του συµβόλου #. Η RDF µας παρέχει τη δυνατότητα να δηµιουργήσουµε απλές προτάσεις για τους πόρους τους οποίους θέλουµε να περιγράψουµε χρησιµοποιώντας ιδιότητες, τιµές και URIref για τον προσδιορισµό των συστατικών που συµµετέχουν σε µια πρόταση. Η RDF όµως δεν παρέχει τη δυνατότητα να ορίσουµε και να περιγράψουµε ένα επιπλέον λεξιλόγιο το οποίο πιθανόν να επιθυµούµε να χρησιµοποιήσουµε στις εφαρµογές µας. Πιο συγκεκριµένα, δεν έχουµε τη δυνατότητα να ορίσουµε τις κλάσεις (έννοιες) οι οποίες εµφανίζονται σε µια εφαρµογή. Επιπρόσθετα, είναι φυσικό να επιθυµούµε την περιγραφή των κλάσεων και των ιδιοτήτων µας δηλώνοντας σχέσεις υπαγωγής ανάµεσά τους. Η γλώσσα η οποία παρέχει τη λειτουργικότητα αυτή είναι η RDF-S (Brickey, D., Guha, R.V., 2000). Ουσιαστικά, η RDF-S παρέχει ένα επιπλέον λεξιλόγιο πάνω σε αυτό της RDF το οποίο περιλαµβάνει στοιχεία τα οποία προορίζονται στο να προσδώσουν την επιπρόσθετη αυτή λειτουργικότητα. Η δυνατότητα ορισµού κλάσεων υλοποιείται µέσω του στοιχείου rdfs:class του λεξιλογίου της RDF-S. Στην γλώσσα RDS, προκειµένου να δηλωθεί ότι ένας πόρος είναι στιγµιότυπο µιας κλάσης, χρησιµοποιείται το στοιχείο rdf:type. Έτσι λοιπόν, προκειµένου να δηλωθεί µια νέα κλάση, έστω η ex:motorvehicle, θα πρέπει να δηµιουργηθεί η τριάδα ex:motorvehicle rdf:type rdfs:class, στην οποία η συντόµευση ex: αναπαριστά το URIref Εν συνεχεία, µπορεί να δηλωθεί ότι ο πόρος ex:audi είναι µέλος της κλάσης ex:motorvehicle γράφοντας, ex:audi rdf:type ex:motorvehicle. Με αυτόν τον τρόπο, ορίζεται το σύνολο των κλάσεων που χρησιµοποιούνται σε µια εφαρµογή. Από τη στιγµή που ορίζονται οι κλάσεις µπορεί να ενδιαφέρει να οριστούν σχέσεις υπαγωγής ανάµεσα σε αυτές. Στην RDF-S αυτό επιτυγχάνεται µε τη χρήση του στοιχείου rdfs:subclassof. Έτσι λοιπόν, µπορούν να δηµιουργηθούν οι ακόλουθες προτάσεις, ex:van rdfs:subclassof ex:motorvehicle ex:truck rdfs:subclassof ex:motorvehicle H RDF/XML σύνταξη των παραπάνω ορισµών είναι η ακόλουθη: <rdf:rdf xmlns:rdf=" xmlns:rdfs=" 26

28 Κεφάλαιο 2 Αναπαράσταση γνώσης στον Σηµασιολογικό ιστό xml:base=" <rdfs:class rdf:id="motorvehicle"/> <rdfs:class rdf:id="truck"> <rdfs:subclassof rdf:resource="#motorvehicle"/> </rdfs:class> <rdfs:class rdf:id="van"> <rdfs:subclassof rdf:resource="#motorvehicle"/> </rdfs:class> Εκτός από τη δυνατότητα περιγραφής κλάσεων, µέσω σχέσεων υπαγωγής, η RDF-S παρέχει επιπλέον τη δυνατότητα δηµιουργίας περιγραφών για τις ιδιότητες. Πιο συγκεκριµένα, µπορούν να περιγραφούν σχέσεις υπαγωγής ανάµεσα σε δύο ιδιότητες, αλλά επιπρόσθετα µπορεί να οριστεί το πεδίο ορισµού και το πεδίο τιµών µιας σχέσης. Το πεδίο ορισµού δηλώνει τι τύπου επιτρέπεται να είναι οι πόροι οι οποίοι βρίσκονται στη θέση του υποκειµένου µιας τριάδας, ενώ το πεδίο τιµών δηλώνει τι τύπου είναι οι πόροι οι οποίοι βρίσκονται στη θέση του αντικειµένου. Τα στοιχεία που παρέχονται από την RDF-S για την υλοποίηση της λειτουργικότητας αυτής είναι τα στοιχεία rdfs:subpropertyof, rdfs:domain και rdfs:range. Έστω, για παράδειγµα, ότι είναι επιθυµητό να εµπλουτιστεί η προηγούµενη γνώση για τα οχήµατα εισάγοντας και περιγράφοντας τις ιδιότητες ex:driver και ex:primarydriver. Τα στοιχεία αυτά αντιπροσωπεύουν ιδιότητες του πραγµατικού κόσµου. Οι δηλώσεις αυτές µπορούν να γίνουν µε τις τριάδες ex:driver rdf:type rdf:property. και ex:primarydriver rdf:type rdf:property. Στις προηγούµενες τριάδες δε χρησιµοποιήθηκε κανένα στοιχείο του λεξιλογίου της RDF-S. Είναι πολύ φυσικό να απαιτηθεί η ιδιότητα ex:primarydriver να είναι υπο-ιδιότητα της ιδιότητας ex:driver. Η πληροφορία αυτή µπορεί να περιγραφεί σε µια τριάδα χρησιµοποιώντας το λεξιλόγιο της RDF-S. Η τριάδα είναι η ex:primarydriver rdfs:subpropertyof ex:driver. Τέλος, όπως είναι αντιληπτό, η ιδιότητα ex:driver συνδέει ένα όχηµα µε έναν άνθρωπο. Η γνώση αυτή µπορεί να περιγραφεί µε τις τριάδες ex:driver rdfs:domain ex:motorvehicle και ex:driver rdfs:domain ex:person. H RDF/XML µορφή των παραπάνω προτάσεων είναι η ακόλουθη: <rdf:property rdf:id="driver"> <rdfs:domain rdf:resource="#motorvehicle"/> <rdfs:range rdf:resource="#person"> </rdf:property> <rdf:property rdf:id="primarydriver"> <rdfs:subpropertyof rdf:resource="#driver"/> </rdf:property> 27

29 Κεφάλαιο 2 Αναπαράσταση γνώσης στον Σηµασιολογικό ιστό Τέλος, η RDF-S παρέχει δύο στοιχεία τα οποία µπορούν να χρησιµοποιηθούν για τη δηµιουργία περιγραφών σε ελεύθερο κείµενο (free text) των πόρων. Τα στοιχεία αυτά είναι το rdfs:comment και rdfs:label. Το στοιχείο rdfs:comment µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να περιγραφεί ένας πόρος χρησιµοποιώντας ελεύθερο κείµενο. Από την άλλη, το στοιχείο rdfs:label µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να δηλωθεί ένα εναλλακτικό περισσότερο περιγραφικό όνοµα για έναν πόρο. 8 Ontology Web Language (OWL) Το λεξιλόγιο των γλωσσών RDF και RDF-S προσφέρει µια πολύ βασική εκφραστική δυνατότητα. Οι γλώσσες αυτές έχουν ουσιαστικά ως σκοπό να αποτελέσουν το θεµέλιο για πιο εκφραστικές γλώσσες ανώτερων επιπέδων, όπως είναι οι γλώσσες του λογικού επιπέδου. Οι RDF και RDF-S παρέχουν τη δυνατότητα δηµιουργίας σχέσεων υπαγωγής µεταξύ κλάσεων (δηλαδή εννοιών) και ιδιοτήτων (δηλαδή ρόλων) αλλά και τη δυνατότητα δηµιουργίας ισχυρισµών. Επιπρόσθετα, η RDF-S παρέχει τη δυνατότητα καθορισµού του πεδίου ορισµού και του πεδίου τιµών µιας ιδιότητας µε τη µορφή αξιωµάτων. Τα δύο αυτά αξιώµατα µπορούν να περιγραφούν ως δύο αξιώµατα υπαγωγής. Οι RDF και RDF-S, λοιπόν, δεν παρέχουν τη δυνατότητα ορισµού κλάσεων από την ένωση, την τοµή ή την άρνηση µιας ή και περισσοτέρων άλλων κλάσεων. Οι δυνατότητες αυτές και πολλές ακόµα παρέχονται από τις Περιγραφικές Λογικές (ΠΛ). Άρα οι ΠΛ είναι ένας καλός υποψήφιος για την δηµιουργία µιας γλώσσας αναπαράστασης γνώσης για το λογικό επίπεδο. Όµως, µια τέτοια γλώσσα θα πρέπει να πληροί ορισµένες προϋποθέσεις για να µπορέσει να χρησιµοποιηθεί στο Σηµασιολογικό Ιστό. Πιο συγκεκριµένα, θα πρέπει να διαθέτει µια µορφή σύνταξης η οποία να συµβαδίζει µε το πρότυπο XML. Επιπρόσθετα, η γλώσσα αυτή θα πρέπει να είναι συµβατή µε τις γλώσσες των χαµηλότερων επιπέδων, δηλαδή τις RDF και RDF-S, αλλά ακόµα να είναι κατανοητή και εύκολη στη χρήση. Η νέα γλώσσα η οποία έρχεται να υλοποιήσει τη λειτουργικότητα του λογικού επιπέδου είναι η OWL (Web Ontology Language) (Bechhofer et. al., 2004). Η OWL έχει πολύ µεγάλη σχέση µε εκφραστικές ΠΛ, όπως οι γλώσσες SHOIN(D) και SHIF(D). Το πρότυπο της OWL καθορίζει ουσιαστικά τρεις υπογλώσσες αυξανόµενης εκφραστικής δυνατότητας. Οι γλώσσες αυτές είναι οι ακόλουθες: OWL Lite: Απευθύνεται σε χρήστες οι οποίοι επιθυµούν να χρησιµοποιήσουν την OWL για την περιγραφή γνώσης σε εφαρµογές που δεν έχουν µεγάλες απαιτήσεις σε εκφραστικές δυνατότητες. Έτσι, δίνεται η δυνατότητα ανάπτυξης εξειδικευµένων εργαλείων και µηχανισµών εξαγωγής συµπερασµάτων τα οποία αναµένεται να λειτουργούν ταχύτερα από εργαλεία τα οποία υλοποιούν περισσότερο εκφραστικές 28

30 Κεφάλαιο 2 Αναπαράσταση γνώσης στον Σηµασιολογικό ιστό γλώσσες. Μιλώντας µε όρους ΠΛ, θα λέγαµε ότι η γλώσσα παρέχει την ίδια εκφραστική δυνατότητα µε τη γλώσσα SHIF(D). OWL DL: ίνει τη µέγιστη εκφραστική δυνατότητα που προσφέρεται από τη γλώσσα OWL χωρίς όµως να χάνονται οι καλές υπολογιστικές ιδιότητές της. Αυτό σηµαίνει ότι η γλώσσα αυτή, σε αντίθεση µε την τελευταία υπογλώσσα της OWL, είναι αποφασίσιµη (decidable). Συγκριτικά µε τις ΠΛ, η OWL DL παρέχει την ίδια εκφραστική δυνατότητα µε τη γλώσσα SHOIN(D). OWL Full: Η γλώσσα αυτή προσφέρει το ίδιο λεξιλόγιο µε τη γλώσσα OWL DL. Επιπρόσθετα όµως παρέχει τη συντακτική ελευθερία και τα χαρακτηριστικά της γλώσσας RDF και πιο συγκεκριµένα τη δυνατότητα µετα-µοντελοποίησης. Η γλώσσα αυτή είναι εµφανώς µη-αποφασίσιµη (undecidable) (Boris 2005). Από τα παραπάνω, γίνεται αντιληπτό ότι η µοναδική γλώσσα η οποία παρέχει συµβατότητα µε το µοντέλο και τη σηµασιολογία της RDF είναι η OWL Full. Από την άλλη όµως η µεγάλη εκφραστική δυνατότητά της την καταστεί µη-αποφασίσιµη. Η µη-αποφασισιµότητα της OWL Full ανάγκασε τη οµάδα εργασίας της OWL (OWL Working Group) να δηµιουργήσει τις υπογλώσσες OWL Lite και OWL DL για τις οποίες βελτιστοποιηµένοι αλγόριθµοι ήταν γνωστοί αλλά και υλοποιηµένοι. Όπως είναι προφανές, οι αλγόριθµοι αυτοί δεν είναι άλλοι παρά αλγόριθµοι εξαγωγής συµπερασµάτων για τις ΠΛ στις οποίες οι γλώσσες αυτές αντιστοιχούν. Αντίστοιχα µε τις ΠΛ, η OWL περιλαµβάνει ένα αλφάβητο το οποίο αποτελείται από κλάσεις (classes), ιδιότητες (properties) και άτοµα (individuals). Οι κλάσεις της OWL αποτελούν ένα ανάλογο των εννοιών των ΠΛ. Έτσι, λοιπόν, µια κλάση αναπαριστά ένα σύνολο από αντικείµενα τα οποία έχουν κοινά χαρακτηριστικά, όπως για παράδειγµα η κλάση των ανθρώπων ή η κλάση των αυτοκινήτων. Όπως οι ΠΛ, έτσι και η OWL, περιλαµβάνει τόσο ατοµικές κλάσεις όσο και περιγραφές κλάσεων (class descriptions). Επιπρόσθετα, παρέχονται και αξιώµατα κλάσεων (class axioms) όπως αξιώµατα υπαγωγής, ισοδυναµίας αλλά και πολλά ακόµα. Οι ιδιότητες είναι το αντίστοιχο των ρόλων στις ΠΛ, έτσι λοιπόν αναπαριστούν δυαδικές σχέσεις, δηλαδή ζευγάρια αντικειµένων. Επιπρόσθετα, η OWL προσφέρει τη δυνατότητα ορισµού αξιωµάτων ιδιοτήτων (property axioms), όπως αξιώµατα µεταβατικών ρόλων αλλά και άλλα αξιώµατα τα οποία δεν εµφανίζονται άµεσα παρά µόνο έµµεσα στις ΠΛ. Τέλος, η OWL προσφέρει τη δυνατότητα ορισµού ισχυρισµών, οι οποίοι στην περίπτωση της OWL ονοµάζονται γεγονότα (facts). Καθώς η OWL είναι µια γλώσσα αναπαράστασης γνώσης για το Σηµασιολογικό Ιστό, πρέπει να διαθέτει µια µορφή σύνταξης που είναι συµβατή µε την XML. Η σύνταξη αυτή δεν είναι άλλη από τη σύνταξη RDF/XML. Καθώς όµως η OWL παρέχει αρκετά εκφραστικούς κατασκευαστές και αξιώµατα, η σύνταξη αυτή γίνεται πολλές φορές αρκετά µεγάλη, περίπλοκη και µε ελάχιστη διδακτική σηµασία. Έτσι, λοιπόν, η OWL διαθέτει και µια άλλη 29

31 Κεφάλαιο 2 Αναπαράσταση γνώσης στον Σηµασιολογικό ιστό µορφή σύνταξης η οποία αναφέρεται ως αφηρηµένη σύνταξη (abstract 14 syntax). Στις επόµενες ενότητες θα χρησιµοποιήσουµε την αφηρηµένη σύνταξη για να παρουσιάσουµε τις εκφραστικές δυνατότητες που παρέχει η γλώσσα OWL. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η RDF/XML σύνταξη προκύπτει από την αντιστοίχηση των λέξεων κλειδιών της αφηρηµένης σύνταξης της OWL σε στοιχεία της γλώσσας XML. Έστω για παράδειγµα ο ορισµός της κλάσης restriction(r allvaluesfrom(c)), ο οποίος δηλώνει µια OWL κλάση εφαρµόζοντας έναν περιορισµό στην ιδιότητα R. Σε RDF/XML σύνταξη η λέξη κλειδί restriction αντιστοιχεί στο στοιχείο owl:restriction, ενώ η λέξη κλειδί allvaluesfrom αντιστοιχεί στο στοιχείο owl:allvaluesfrom. Για να µπορέσει όµως να δηλωθεί σε ποια ιδιότητα εφαρµόζεται ο περιορισµός, µε σκοπό τον ορισµό της κλάσης, χρειάζεται ένα επιπλέον XML στοιχείο. Το στοιχείο αυτό είναι το στοιχείο owl:onproperty. Συνοψίζοντας, η RDF/XML µορφή της παραπάνω δήλωσης είναι η ακόλουθη: <owl:restriction> <owl:onproperty rdf:resource= #R /> <owl:allvaluesfrom rdf:resource= #C > </owl:restriction> Παροµοίως, οι λέξεις κλειδιά Class και unionof αντιστοιχούν στα στοιχεία owl:class και owl:unionof. Έτσι, λοιπόν, η δήλωση Class(A complete unionof(c D)) αντιστοιχεί στη RDF/XML δήλωση: <owl:class rdf:id= A > <owl:unionof rdf:parsetype= Collection > <owl:class rdf:about= #C /> <owl:class rdf:about= #D /> </owl:unionof> </owl:class> Έστω, τώρα, ότι σε αφηρηµένη σύνταξη OWL κάνουµε τη δήλωση ObjectProperty(R domain(c) range(d) transitive symmetric), η οποία µας δηλώνει ότι το πεδίο ορισµού της ιδιότητας R είναι η έννοια C, το πεδίο τιµών είναι η έννοια D, και τέλος ότι η ιδιότητα R είναι µεταβατική και συµµετρική. Χρησιµοποιώντας τα στοιχεία XML που αντιστοιχούν στις παραπάνω λέξεις κλειδιά, µπορούµε να κάνουµε τη δήλωση αυτή χρησιµοποιώντας τη σύνταξη RDF/XML. Η δήλωση αυτή είναι η ακόλουθη: <owl:symmetricproperty rdf:id= R > <rdf:type rdf:resource= operty /> <rdfs:domain rdf:resource= #C /> <rdfs:range rdf:resource= #D /> <rdf:type rdf:resource= /> 30

32 Κεφάλαιο 2 Αναπαράσταση γνώσης στον Σηµασιολογικό ιστό <rdf:type rdf:resource= /> </owl:symmetricproperty> Τέλος, έστω ένα αξίωµα ατόµων. Έστω η δήλωση Individual(a type(c) type(d) value(r, b)) η οποία δηλώνει ότι το άτοµο a είναι στιγµιότυπο των κλάσεων C και D και συνδέεται µε το άτοµο b µέσω της σχέσης R. Η αντίστοιχη δήλωση σε RDF/XML σύνταξη είναι η ακόλουθη: <C rdf:id= o > <rdf:type rdf:resource= #D /> <R rdf:resource= #b /> </C> Εφόσον θεωρητικά µια OWL οντολογία πρέπει να επεκτείνει µια RDF οντολογία, ένα OWL αρχείο εκκινεί µε τις ίδιες ετικέτες µε τις οποίες εκκινεί και ένα RDF αρχείο. Πιο συγκεκριµένα, ένα OWL αρχείο ξεκινά µε την ετικέτα <rdf:rdf>. Στη συνέχεια, όµως, προκειµένου να δηλωθεί ότι αυτό που ακολουθεί είναι µια OWL οντολογία, χρησιµοποιείται η ετικέτα owl:ontology. Η ετικέτα αυτή περιέχει το στοιχείο rdf:about το οποίο αποδίδει ένα όνοµα για την οντολογία. Εκτός από τα στοιχεία τα οποία είδαµε και έχουν σχέση µε περιγραφή και αξιώµατα κλάσεων και ιδιοτήτων, η OWL προσφέρει και µια σειρά από στοιχεία τα οποία χρησιµοποιούνται για την περιγραφή µεταπληροφορίας για την οντολογία. Για παράδειγµα, το στοιχείο owl:priorversion δηλώνει ένα URL στο οποίο βρίσκεται µια OWL οντολογία η οποία είναι προηγούµενη έκδοση της οντολογίας που δηλώνεται από το τρέχον αρχείο OWL. Επίσης, το στοιχείο owl:versioninfo χρησιµοποιείται για να δηλώσει πληροφορίες για το τρέχον αρχείο όπως για παράδειγµα ηµεροµηνία και ώρα δηµιουργίας, κ.ά. Τέλος, ένα στοιχείο της OWL το οποίο χρησιµοποιείται αρκετά αλλά επίσης έχει αποτελέσει αµφιλεγόµενο σηµείο για τους ερευνητές όσον αφορά τη σηµασιολογία του είναι το στοιχείο owl:imports. Με το στοιχείο αυτό µπορούν να εισαχθούν 20 ορισµοί, κλάσεις, αξιώµατα και ιδιότητες µιας άλλης οντολογίας στο τρέχον αρχείο Γλώσσες κανόνων Οι γλώσσες αναπαράστασης γνώσης, όπως είναι η RDF, η RDF Schema και η OWL, είναι σχεδιασµένες για να καθορίζουν περιγραφές των πεδίων εφαρµογών. Συνήθως, προσφέρουν δοµές για να περιγράφουν κλάσεις, ιδιότητες και σχέσεις, όπως επίσης και δοµές για να αποτυπώνουν περιορισµούς πάνω σε κλάσεις και ιδιότητες και να ορίζουν σύνθετες κλάσεις. Σε αντίθεση, οι γλώσσες κανόνων είναι σχεδιασµένες να καθορίζουν κανόνες µετασχηµατισµών δεδοµένων που ορίζουν πώς να συνθέτουν νέα γεγονότα από αυτά που είναι αποθηκευµένα στη βάση γνώσης. Οι γλώσσες κανόνων που προέρχονται 31

33 Κεφάλαιο 2 Αναπαράσταση γνώσης στον Σηµασιολογικό ιστό από τον λογικό προγραµµατισµό από τον οποίο η Prolog είναι η αρχέτυπη υλοποίησή τους, είναι η Datalog (David Maier, 1977), η RuleML(PRICAI 2000) και η SWRL(W3C, 2004). Η Datalog είναι ένα συντακτικά περιορισµένο υποσύνολο του λογικού προγραµµατισµού όπου τα σύµβολα συναρτήσεων δεν επιτρέπονται. Η Datalog αρχικά ορίστηκε σαν µια γλώσσα ερωτήσεων και κανόνων για βάσεις γνώσης. Ο υπολογισµός ερωτηµάτων στην Datalog συνήθως ακολουθεί bottom-up στρατηγικές οι οποίες λειτουργούν αποδοτικά ακόµα για µεγάλες βάσεις δεδοµένων. Η RuleML (Rule Markup Language) είναι µια markup γλώσσα για δηµοσιοποίηση και διαµοιρασµό βάσεων γνώσεων στον Παγκόσµιο Ιστό, χτισµένη πάνω από την Datalog. Η γλώσσα αναπτύσσεται κάτω από την Rule Μarkup Initiative. Η Semantic Web Rule Language (SWRL) συνδυάζει την RuleML µε την OWL και περιέχει ένα αφηρηµένο συντακτικό υψηλού επιπέδου, µια σηµασιολογία model-theoretic και ένα XML συντακτικό. Η SWRL δίνει τη δυνατότητα σε Datalog-τύπου κανόνες να συνδυαστούν µε µια OWL βάση γνώσης. SWRL Η σύνταξη µιας οντολογίας σε OWL περιλαµβάνει µια σειρά από αξιώµατα και γεγονότα. Τα αξιώµατα µπορεί να είναι διαφόρων ειδών όπως αξιώµατα υπο-κλάσεων και ισοδύναµων κλάσεων. Προτείνεται η επέκταση αυτών µε κανόνες, ως εξής: axiom ::= rule Ένας κανόνας αποτελείται από το κυρίως µέρος (body) και το συµπέρασµα (head), καθένα από τα οποία αποτελείται από ένα (πολύ πιθανό κενό) σύνολο ατόµων. Σε έναν κανόνα µπορεί επίσης να αποδοθεί ένα URI για την αναγνώριση του: rule ::= 'Implies(' [ URIreference ] { annotation } antecedent consequent ')' antecedent ::= 'Antecedent(' { atom } ')' consequent ::= 'Consequent(' { atom } ')' Ανεπίσηµα, ένας κανόνας µπορεί να µεταφραστεί και ως εξής: αν το κυρίως µέρος αληθεύει, τότε αληθεύει και το συµπέρασµα. Ένα κενό κυρίως µέρος θεωρείται αληθές και ένα κενό συµπέρασµα θεωρείται ψευδές. Τα άτοµα µπορεί να είναι της µορφής C(x), P(x,y), sameas(x,y), differentfrom(x,y) ή builtin(r,x, ), όπου C είναι ένας χαρακτηρισµός της OWL ή εύρος τιµών, Ρ είναι µια ιδιότητα της OWL, r είναι µια ενσωµατωµένη σχέση, x και y είτε µεταβλητές είτε στιγµιότυπα (individuals) είτε τιµές δεδοµένων. Με άλλα λόγια, ένα άτοµο C(x) έχει υπόσταση αν το x είναι στιγµιότυπο µιας κλάσης ή ενός εύρους τιµών C, ένα άτοµο P(x,y) έχει υπόσταση αν το x σχετίζεται µε το y µέσω µιας ιδιότητας P, ένα άτοµο sameas(x,y) έχει υπόσταση αν το x µεταφράζεται ως το ίδιο αντικείµενο όπως το y, ένα ατοµο differentfrom(x,y) έχει υπόσταση αν το x και το y 32

34 Κεφάλαιο 2 Αναπαράσταση γνώσης στον Σηµασιολογικό ιστό µεταφράζονται ως διαφορετικά αντικείµενα, και ένα άτοµο builtin(r,x,.) έχει υπόσταση αν η σχέση bultin ισχύει στην ερµηνεία των εντολών. Τα άτοµα µπορεί να αναφέρονται σε ανεξάρτητα αντικείµενα, ανεξάρτητες µεταβλητές, ή µεταβλητές δεδοµένων. Συχνά, χρησιµοποιείται µια σύνταξη των κανόνων που είναι κατανοητή από τους ανθρώπους. Σε αυτήν ένας κανόνας έχει τη µορφή: antecedent consequent όπου και τα δύο µέρη είναι η συνένωση ατόµων a 1^a 2^.^a n. Οι µεταβλητές αναπαρίστανται µε την χρήση ενός ερωτηµατικού µπροστά (π.χ.?x). Έτσι, για παράδειγµα ο κανόνας που ορίζει τη συγγένεια κάποιου ατόµου µε τον αδερφό του γονιού του είναι ο εξής: parent(?x,?y) brother(?y,?z) uncle(?x,?z) ή διαφορετικά µε χρήση ιδιοτήτων: hasparent(?x1,?x2) hasbrother(?x2,?x3) hasuncle(?x1,?x3) Στην επίσηµη σύνταξη OWL αυτός ο κανόνας θα γραφόταν ως εξής: Implies(Antecedent(hasParent(I-variable(x1) I-variable(x2)) hasbrother(i-variable(x2) I-variable(x3))) Consequent(hasUncle(I-variable(x1) I-variable(x3)))) Εργαλεία ανάπτυξης οντολογιών Προϋπόθεση για να θεωρηθεί µία µεθοδολογία ανάπτυξης οντολογιών ολοκληρωµένη είναι η υποστήριξή της από σύνολο εργαλείων που το καθένα σχετίζεται µε κάθε µια από τις διαδικασίες του κύκλου ζωής των οντολογιών. Σε αυτή τη παράγραφο θα περιγράψουµε τα σηµαντικότερα περιβάλλοντα που ενσωµατώνουν εργαλεία για το σχεδιαµσό και την ανάπτυξη οντολογιών Ontoligua Server Το περιβάλλον του Ontolingua Server (Farquhar et al., 1996), που έχει αναπτυχθεί από το KSL group, είναι ένα σύνολο από εργαλεία και υπηρεσίες που υποστηρίζουν την ανάπτυξη κοινόχρηστων οντολογιών µεταξύ κατανεµηµένων οµάδων. Η αρχιτεκτονική του εξυπηρετητή οντολογιών παρέχει πρόσβαση σε µία βιβλιοθήκη από οντολογίες, µεταφραστές γλωσσών (Prolog, CORBA IDL, CLIPS, Loom, κλπ.) και ένα περιβάλλον κατασκευής και εξερεύνησης οντολογιών. Αποµακρυσµένα εργαλεία επεξεργασίας οντολογιών έχουν την δυνατότητα να διερευνήσουν και να επεξεργαστούν οντολογίες, και επίσης αποµακρυσµένες ή τοπικές εφαρµογές µπορούν να έχουν πρόσβαση σε οποιαδήποτε οντολογία της βιβλιοθήκης χρησιµοποιώντας το πρωτόκολλο OKBC (Open Knowledge Based Connectivity) (Chaudhri et al., 1998)

35 Κεφάλαιο 2 Αναπαράσταση γνώσης στον Σηµασιολογικό ιστό Εικόνα α Περιβάλλον Ontolingua Εικόνα β Περιβάλλον Ontolingua WebOnto Το WebOnto (Domingue, 1998) είναι ένα εργαλείο που αναπτύχθηκε στο ΚΜΙ (Knowledge Media Institute) του Ανοιχτού Πανεπιστηµίου της Αγγλίας. Υποστηρίζει τη συνεργατική δηµιουργία, επεξεργασία, και περιήγηση των οντολογιών, οι οποίες αναπαριστάνονται µε την γλώσσα µοντελοποίησης γνώσης OCML (Operational Conceptual Modeling Language). Τα βασικά στοιχεία του εργαλείου είναι η ανάπτυξη οντολογιών µέσα από ένα γραφικό περιβάλλον διεπαφής, η αυτόµατη δηµιουργία φορµών για την επεξεργασία των οντοτήτων από τους ορισµούς των κλάσεων, η υποστήριξη µοντελοποίησης εργασιών, η εξέταση των στοιχείων λαµβάνοντας υπόψη την κληρονοµικότητα των ιδιοτήτων και τον έλεγχο της συνέπειας των οντολογιών, ένα περιβάλλον διεπαφής µε ερωτοαπαντήσεις, και 34

36 Κεφάλαιο 2 Αναπαράσταση γνώσης στον Σηµασιολογικό ιστό τέλος η υποστήριξη συνεργατικής εργασίας κατά το σχολιασµό εγγράφων µε τη χρήση του συνοδευτικού εργαλείου Tadzebao. Ο εξυπηρετητής του WebOnto είναι ελεύθερα διαθέσιµος για την κοινότητα της µηχανικής οντολογιών. Επίσης, µία βιβλιοθήκη µε πάνω από 100 οντολογίες είναι προσβάσιµη µέσω του WebOnto. 12 Εικόνα Περιβάλλον WebOnto OILed Το OILEd (Bechhofer et aι, 2001) είναι ένας επεξεργαστής οντολογιών που αναπτύχθηκε από το πανεπιστήµιο του Manchester και επιτρέπει στο χρήστη να δηµιουργήσει οντολογίες χρησιµοποιώντας το πρότυπο γλώσσας DAML+OIL. Το µοντέλο γνώσης του OILEd είναι βασισµένο στην DAML+OIL, αν και αυτό επεκτείνεται µε τη χρήση µοντέλου παρουσίασης που µοιάζει µε πλαίσια (frames). Έτσι, το OILEd προσφέρει ένα γνωστό, όµοιο µε τα πλαίσια, τρόπο για µοντελοποίηση των οντολογιών, ενώ παράλληλα υποστηρίζει την πλούσια εκφραστικότητα της DAML+OIL. Οι κλάσεις ορίζονται µε βάση τις υπέρ-κλάσεις τους και τους περιορισµούς των ιδιοτήτων, µε επιπρόσθετα αξιώµατα να καταγράφουν περισσότερες σχέσεις όπως η σχέση ξενικότητας. Η βασική εργασία στην οποία στοχεύει το OILEd είναι η επεξεργασία των οντολογιών σε επίπεδο κλάσεων και όχι στιγµιότυπων, αν και τα στιγµιότυπα υποστηρίζονται από την DAML+OIL σχέση «one-of». Ένα βασικό στοιχείο της συµπεριφοράς του OILEd είναι η χρήση της συµπερασµατικής µηχανής FaCT (Ηοrrοcks et aι, 1999) για την ταξινόµηση των εννοιών µίας οντολογίας και για τον έλεγχο της συνέπειάς τους, µεταφράζοντας από DAML+OIL στην γλώσσα περιγραφικής 35

37 Κεφάλαιο 2 Αναπαράσταση γνώσης στον Σηµασιολογικό ιστό λογικής SHIQ. Αυτό επιτρέπει στο χρήστη να περιγράψει τις κλάσεις της οντολογίας του και στη συνέχεια να χρησιµοποιήσει τη συλλογιστική µηχανή για τον έλεγχο συνέπειας και ταξινόµησης µεταξύ των κλάσεων. 13 Εικόνα Περιβάλλον OILed Protégé Το Protégé (Νoy et aι, 2001) είναι το τελευταίο από µια σειρά εργαλείων που αναπτύχθηκαν στο πανεπιστήµιο του Stanford για διαχείριση γνώσης. Σήµερα υπάρχουν δεκάδες χρήστες του Protégé ανά τον κόσµο που χρησιµοποιούν το εργαλείο, από τη µοντελοποίηση οδηγιών πρωτοκόλλων-καρκίνου µέχρι την µοντελοποίηση σταθµών πυρηνικής ενέργειας. Παρέχει περιβάλλον για γραφικό σχεδιασµό οντολογιών και περιβάλλον ανάπτυξης βάσεων γνώσης. Βοηθάει τους µηχανικούς γνώσης και τους ειδικούς πεδίων ενδιαφέροντος να εκτελέσουν εργασίες µοντελοποίησης και διαχείρισης γνώσης (ερωτήσεις στη βάση γνώσης). Οι δηµιουργοί των οντολογιών µπορούν να έχουν πρόσβαση σε σχετική πληροφορία γρήγορα και εύκολα, και µπορούν να χρησιµοποιήσουν απευθείας χειρισµούς για την πλοήγηση και διαχείριση µιας οντολογίας. ενδροειδείς µορφές ελέγχου επιτρέπουν γρήγορη και απλή πλοήγηση µιας ιεραρχίας κλάσεων. Χρησιµοποιεί φόρµες στο περιβάλλον διεπαφής για την απόδοση τιµών σε ιδιότητες (slots). Το µοντέλο γνώσης του Protégé είναι συµβατό µε το OKBC (Open Knowledge Base Connectivity. Περιλαµβάνει υποστήριξη για κλάσεις και ιεραρχία κλάσεων µε πολλαπλή κληρονοµικότητα. Σε συνδυασµό µε το εύχρηστο περιβάλλον διεπαφής, δύο ακόµα σηµαντικά στοιχεία ξεχωρίζουν το Protégé από τα περισσότερα περιβάλλοντα επεξεργασίας οντολογιών, η ικανότητα κλιµάκωσης (scalability) δηλαδή η δυνατότητα διαχείρισης µεγάλων οντολογιών, και η επεκτασιµότητα 36

38 Κεφάλαιο 2 Αναπαράσταση γνώσης στον Σηµασιολογικό ιστό (extensibility) δηλαδή η δυνατότητα επέκτασης της λειτουργικότητάς τους µε νέες διαδικασίες όταν κρίνεται απαραίτητο. Οι δηµιουργοί οντολογιών έχουν χρησιµοποιήσει µε επιτυχία το Protégé για να δηµιουργήσουν και να χρησιµοποιήσουν οντολογίες που αποτελούνται από 150,000 κλάσεις. Η αρχιτεκτονική του επιτρέπει την προσθήκη καινούργιας λειτουργικότητας φτιάχνοντας τα κατάλληλα αρθρώµατα (plugins). Για παράδειγµα, αρθρώµατα υποστηρίζουν την αποθήκευση και εισαγωγή οντολογιών στα πρότυπα RDF Schema, XML µε DTD, και XML Schema, OIL, DAML+OIL, και πρόσφατα σε OWL. Επίσης, υπάρχοντα αρθρώµατα υποστηρίζουν λειτουργίες όπως είναι η γραφική αναπαράσταση µια οντολογίας, η συγχώνευση οντολογιών, η διαχείριση εκδόσεων, η συλλογιστική, κ.ά. 14 Εικόνα Περιβάλλον Protégé OntoEdit Το OntoEdit (Sure et al., 2002) είναι ένα περιβάλλον οντολογικής µηχανικής που υποστηρίζει την ανάπτυξη και συντήρηση των οντολογιών µε την χρήση γραφικών µέσων. Υποστηρίζει, όσο είναι δυνατόν, µοντελοποίηση ουδέτερη από γλώσσες αναπαράστασης, για έννοιες, σχέσεις, και αξιώµατα. Αρκετές γραφικές οπτικές των δοµών που περιέχονται σε µια οντολογία υποστηρίζουν την µοντελοποίηση των διαφορετικών φάσεων του κύκλου ζωής της οντολογίας. Το εργαλείο επιτρέπει στον χρήστη να επεξεργαστεί µία ιεραρχία από έννοιες ή κλάσεις. Μία έννοια µπορεί να έχει πολλά ονόµατα, ορίζοντας ουσιαστικά έτσι τα συνώνυµά της. Το εργαλείο είναι βασισµένο πάνω σε µια ευέλικτη πλατφόρµα µε αρθρώµατα όπως και 37

39 Κεφάλαιο 2 Αναπαράσταση γνώσης στον Σηµασιολογικό ιστό το Protégé. Γενικά, το OntoEdit έχει παρόµοια αρχιτεκτονική, και υποστηρίζει τις ίδιες διαδικασίες µηχανικής οντολογιών µε το Protégé. 15 Εικόνα Περιβάλλον OntoEdit OntoSaurus Το OntoSaurus έχει αναπτυχθεί από το Information Sciences Institute (ISI) στο Πανεπιστήµιο της Νότιας California. Αποτελείται από δύο τµήµατα: έναν εξυπηρετητή για την οντολογία (ontology server) που χρησιµοποιεί Loom για την αναπαράσταση της γνώσης, και έναν πλοηγό της οντολογίας. H οντολογία µπορεί να διαµορφωθεί από φόρµες HTML ενώ υπάρχουν µεταφραστές από Loom σε Ontoligua, KIF, KRSS και C

40 Κεφάλαιο 2 Αναπαράσταση γνώσης στον Σηµασιολογικό ιστό Εικόνα Περιβάλλον OntoSaurus WebODE Το WebODE (Αrpίrez et al., 2001) είναι ένα περιβάλλον οντολογικής µηχανικής το οποίο παρέχει µια ποικιλία από υπηρεσίες σχετικές µε οντολογίες και υποστηρίζει τις περισσότερες από τις δραστηριότητες που εµπεριέχονται στην διαδικασία ανάπτυξης και χρήσης οντολογιών. Είναι φτιαγµένο πάνω σε ένα application server που επιτρέπει µεγάλη επεκτασιµότητα και χρηστικότητα, επιτρέποντας την εύκολη προσθήκη νέων υπηρεσιών και την χρήση των υπαρχόντων. Οι οντολογίες του WebODE αναπαριστούνται µε τη χρήση ενός πολύ εκφραστικού µοντέλου γνώσης βασισµένο σε ένα σύνολο αναφορών ενδιάµεσων αναπαραστάσεων της µεθοδολογίας ανάπτυξης οντολογιών METHONTOLOGY (Fernandez-Lopez et αl., 1999), που περιλαµβάνει βασικά µέρη οντολογιών όπως είναι οι έννοιες, διαµερίσµατα (partitions), διµελείς σχέσεις, προκαθορισµένες σχέσεις, στιγµιότυπα, αξιώµατα, κανόνες, σταθερές, και βιβλιογραφικές αναφορές. Οι οντολογίες στο WebODE αποθηκεύονται σε σχεσιακή βάση. Επιπλέον, παρέχεται η πρόσβαση στις οντολογίες µέσα από µία καλά ορισµένη, προσανατολισµένη σε υπηρεσίες διεπαφή (ΑΡΙ), η οποία κάνει εύκολη την ενοποίηση µε άλλα συστήµατα. Οι οντολογίες που χτίζονται µε το WebODE µπορούν εύκολα να εισαχθούν σε άλλα συστήµατα χρησιµοποιώντας την αυτόµατη υπηρεσία εισαγωγής/εξαγωγής από και προς το πρότυπο XML, την υπηρεσία µετατροπής 39

41 Κεφάλαιο 2 Αναπαράσταση γνώσης στον Σηµασιολογικό ιστό σε άλλα (και από άλλα) πρότυπα ορισµού οντολογιών όπως RDF(S), OIL, DAML+OIL, CARIN και F-Logic. Η επεξεργασία των οντολογιών στο WebODE υποστηρίζεται µε τη µορφή φορµών και µε τη µορφή γραφικών αναπαραστάσεων από ένα διαχειριστή προβολών προκαθορισµένων από τον χρήστη, ένα ελεγκτή συνέπειας, µία συλλογιστική µηχανή, ένα κατασκευαστή αξιωµάτων, και την υπηρεσία τεκµηρίωσης. Ένα ενδιαφέρον και καινοτόµο χαρακτηριστικό του WebODE είναι η δυνατότητα δηµιουργίας διαφορετικών εννοιολογικών προβολών από το ίδιο εννοιολογικό µοντέλο, που επιτρέπει την δηµιουργία και αποθήκευση διαφορετικών τµηµάτων µιας οντολογίας, υπογραµµίζοντας, ή/και προσαρµόζοντας την απεικόνιση της οντολογίας για κάθε χρήστη. Το γραφικό περιβάλλον επιτρέπει την πλοήγηση µε βάση τις σχέσεις µεταξύ των εννοιών που είναι ορισµένες στην οντολογία, και επίσης την γραφική προσαρµογή των προβολών µιας οντολογίας σε σχέση µε τους επιλεγµένους τύπους των σχέσεων. Η συνεργατική επεξεργασία των οντολογιών υποστηρίζεται από ένα σύγχρονο µηχανισµό που επιτρέπει στους χρήστες να καθορίζουν τον τρόπο πρόσβασής τους στις οντολογίες που αναπτύσσονται, δια µέσου της έννοιας των οµάδων χρηστών. Οι µηχανισµοί συγχρονισµού και κλειδώµατος (locking system) επίσης επιτρέπουν πολλαπλούς χρήστες να επεξεργάζονται την ίδια οντολογία χωρίς λάθη. υνατότητες ελέγχου περιορισµών επίσης παρέχονται για περιορισµούς τύπων, περιορισµούς αριθµητικών τιµών (value constraints), περιορισµούς αριθµού στοιχείων συνόλου (cardinality constraints), και επιβεβαίωση συνέπειας ταξινοµίας. Τέλος, η υπηρεσία συλλογιστικής του WebODE έχει αναπτυχθεί στην γλώσσα Prolog

42 Κεφάλαιο 2 Αναπαράσταση γνώσης στον Σηµασιολογικό ιστό Εικόνα Περιβάλλον WebODE 17 Στο επόµενο Πίνακα παρατίθεται σύγκριση των εργαλείων ανάπτυξης και διαχείρισης οντολογιών που παρουσιάστηκαν παραπάνω. 18 Πίνακας Σύγκριση εργαλείων ανάπτυξης οντολογιών 19 41

43 3 Κεφάλαιο 3 Σηµασιολογικός Ιστός και Ιατρική Ο Οργανισµός National Library of Medicine (NLM) εδρεύει στο National Institutes of Health στην Bethesda του Maryland. Αποτελεί την µεγαλύτερη παγκοσµίως ιατρική βιβλιοθήκη και έχει αναπτύξει το σύστηµα αναζήτησης βιβλιογραφικών πληροφοριών Medical Literature Analysis and Retrieval System (MEDLARS), το οποίο παρέχει πρόσβαση στην βιοϊατρική πληροφόρηση. Μέσω του ιαδικτύου, οι υπηρεσίες του MEDLARS είναι διαθέσιµες παγκοσµίως χωρίς χρέωση. Η MEDLINE (MEDlars online) είναι η πρώτη και πιο γνωστή βιβλιογραφική βάση δεδοµένων του NLM. Η πρόσβαση στη MEDLINE γίνεται µέσω της µηχανής αναζήτησης PubMed. Πέρα από αυτά, ο οργανισµός NLM διεξάγει σηµαντική έρευνα σε όλους τους τοµείς της ιατρικής πληροφόρησης. Στα πλαίσια αυτών των δραστηριοτήτων, έχει αναπτύξει, εκτός των άλλων, τον εξυπηρετητή πηγής γνώσης (Knowledge Source Server) UMLS (Unified Medical Language System) που στηρίζεται στην πρότυπη ιατρική οντολογία MeSH. Περαιτέρω, στο Visible Human Project παρέχει πληροφορίες για την ανατοµία του ανθρώπινου σώµατος. Εκτός από τον οργανισµό NLM, υπάρχουν και άλλοι σηµαντικοί ιατρικοί οργανισµοί που ασχολούνται ερευνητικά µε την ανάπτυξη ιατρικών συστηµάτων βασισµένων στον Σηµασιολογικό Ιστό. 3.1 To σύστηµα αναφοράς ιατρικής ορολογίας Mesh Το MeSH (Medical Subject Headings) είναι ο θησαυρός ορολογιών που έχει αναπτύξει η NLM. Οι ορολογίες του MeSH είναι αποθηκευµένες σε αλφαβητική σειρά αλλά και σε προκαθορισµένη ιεραρχική δοµή. Πιο αναλυτικά, το MeSH αποτελεί ένα πολύδεντρο το οποίο έχει ιεραρχική δοµή και κάθε όρος είναι δυνατό να εµφανιστεί όχι µόνο σε ένα αλλά σε διαφορετικά κλαδιά του δέντρου. Στο πιο γενικό επίπεδο της ιεραρχικής δοµής υπάρχουν έννοιες όπως «Ανατοµία»

44 Κεφάλαιο 3 Σηµασιολογικός Ιστός και Ιατρική ή «Ψυχικές ιαταραχές», ενώ σε ειδικότερα επίπεδα υπάρχουν έννοιες όπως «Αστράγαλος» ή «Βιταµίνη C». Συνολικά υπάρχουν όροι αποθηκευµένοι στo MeSH. Στην Εικόνα παρουσιάζεται ένα παράδειγµα του δέντρου για τον όρο «άσθµα» και φαίνονται τα διάφορα κλαδιά στα οποία εµφανίζεται ο συγκεκριµένος όρος. Εικόνα 3.1.1: Πιθανοί τρόποι εµφάνισης συγκεκριµένου όρου στο πολύδεντρο του MeSH Ο θησαυρός MeSH χρησιµοποιείται από την NLM για indexing άρθρων. Τα άρθρα αυτά προέρχονται από τα κορυφαία βιοϊατρικά περιοδικά και χρησιµοποιούνται στη βάση MEDLINE. Τέλος, το MeSH χρησιµοποιείται σε πολλές βάσεις της NLM που περιέχουν καταλόγους βιβλίων και αρχείων Άλλες σηµαντικές ιατρικές οντολογίες MELISA (Medical Literature Search Agent) Το σύστηµα MELISA (Medical Literature Search Agent) υλοποιήθηκε στο Ινστιτούτο Έρευνας στην Τεχνητή Νοηµοσύνη στην Ισπανία και αποτελεί ένα πρότυπο για την ανάκτηση πληροφοριών µε βάση τις οντολογίες. Ο στόχος αυτού του έργου είναι η ανάπτυξη 43

45 Κεφάλαιο 3 Σηµασιολογικός Ιστός και Ιατρική ενός συστήµατος που θα δουλεύει πάνω σε ετερογενείς πηγές πληροφόρησης. Το MELISA χρησιµοποιεί την πληροφορία από τη βάση δεδοµένων MEDLINE και την αντίστοιχη οντολογία MeSH, όµως είναι δυνατό µέσω της ιεραρχικής δοµής του, µε τα διάφορα επίπεδα αφαιρετικότητας, να χρησιµοποιήσει στο µέλλον διαφορετικές βάσεις δεδοµένων και µηχανές αναζήτησης. Η οντολογία του MELISA είναι σχεδιασµένη από τη σκοπιά του Evidence-based Medicine και απευθύνεται κυρίως σε ειδικούς. Τα δύο πρώτα επίπεδα της ιεραρχική οντολογίας παρουσιάζονται στην Εικόνα MEDICAL CLASS EVIDENCE QUALITY CLINICAL CATEGORIES ANALYSIS EVIDENCE INTEGRATION GOOD EVIDENCE QUALITY MEDIUM EVIDENCE QUALITY POOR EVIDENCE QUALITY DIAGNOSIS THERAPY PROGNOSIS ADVERSE EFFECTS RISK FACTORS DECISSION TREES POLICY MAKING COST ANALYSIS GUIDLINES NURSING EVIDENCE BASED MEDICINE REVIEW Εικόνα 3.2.1: Τα δύο πρώτα επίπεδα της οντολογίας που χρησιµοποιείται στον πράκτορα MELISA 21 Οντολογία ιατρικών σφαλµάτων Είναι αποδεδειγµένο δυστυχώς ότι τα ιατρικά λάθη των παροχέων υγείας εµφανίζονται αρκετά συχνά και µπορούν να αποβούν µοιραία για τους ασθενείς. 2 Τα περισσότερα λάθη από αυτά µπορούν να αποφευχθούν αν εξεταστούν προσεκτικά τα αίτια που τα προκάλεσαν. Κύρια αιτία των λαθών αυτών είναι η έλλειψη κατάλληλης γνώσης την κατάλληλη χρονική στιγµή της θεραπείας του ασθενούς, όπως επίσης και τα προβλήµατα στην επικοινωνία των συστηµάτων των οργανισµών υγείας. Στο τµήµα Ιατρικής Πληροφορικής του Πανεπιστηµίου στην Columbia της Νέας Υόρκης έγινε έρευνα σχετικά µε το θέµα αυτό και υλοποιήθηκε ένα ερευνητικό έργο στο οποίο αναπτύχθηκε µια οντολογία που αναπαριστά την τοµή των ιατρικών λαθών, της έλλειψης 2 Institute of Medicine (IOM), To Err is Human: Building A Safer Health System,

46 Κεφάλαιο 3 Σηµασιολογικός Ιστός και Ιατρική κατάλληλης ιατρικής γνώσης και προβλήµατα στην επικοινωνία. Το σχήµα της οντολογίας φαίνεται στην Εικόνα Εικόνα 3.2.2: Η οντολογία ιατρικών λαθών 22 Οι κύριες κλάσεις του σχήµατος είναι: HumanError MedicalError System Failure Motivation ClinicalCommunicationTask 45

47 Κεφάλαιο 3 Σηµασιολογικός Ιστός και Ιατρική CommunicationOutcome CommunicationBarriers Κίνητρα (Motivation) για την επικοινωνία των οργανισµών παροχής υγείας και του καθορισµού συγκεκριµένων καθηκόντων (ClinicalCommunicationTask), ώστε να εξαχθεί ένα τελικό αποτέλεσµα (CommunicationOutcome), είναι η έλλειψη ιατρικής πληροφορίας, η γνώση καθώς και η περίθαλψη συγκεκριµένης πάθησης. Ωστόσο, τα προβλήµατα στην επικοινωνία (CommunicationBarriers) αυτή είναι δυνατό να περιπλέξουν (complicates) την επικοινωνία αυτή. Ακόµα, τόσο τα ανθρώπινα λάθη (HumanError) όσο και τα πιθανά λάθη του συστήµατος (System Failure) συνεισφέρουν (contributes_to) στα ιατρικά λάθη (MedicalError). Ένας από τους πολλούς λόγους που µπορεί να αποτύχει το σύστηµα είναι και τα InterserviceCommunicationErrors τα οποία έχουν σχέση isa µε τα CommunicationBarriers. Με την οντολογία αυτή επιτεύχθηκε η σχηµατική αναπαράσταση της τοµής των ιατρικών λαθών, της έλλειψης κατάλληλης ιατρικής γνώσης και προβλήµατα στην επικοινωνία των συστηµάτων. 22 Οντολογία ασθενούς στον ιατρικό φάκελο Ερευνητές του Πανεπιστηµίου του Santiago της Ισπανίας διεξήγαγαν µια σηµαντική προσπάθεια µοντελοποίησης του Ιατρικού Φακέλου Ασθενούς. Στην Εικόνα µοντελοποιούνται οι πληροφορίες και τα δεδοµένα για κάποιον ασθενή που εξάγονται από τις επισκέψεις του σε ιατρικούς οργανισµούς όπως τα στοιχεία του, το ιστορικό του, και άλλες παρούσες ιατρικές πληροφορίες που αφορούν τρέχουσα ασθένεια του

48 Κεφάλαιο 3 Σηµασιολογικός Ιστός και Ιατρική Εικόνα 3.2.3: : Μοντελοποίηση των ιατρικών δραστηριοτήτων του ασθενή Οντολογία του openehr για τη διαχείριση ιατρικών δεδοµένων Το openehr είναι ένα ανοιχτό πρότυπο που περιγράφει τη διαχείριση και την αποθήκευση, την ανάκτηση και ανταλλαγή ιατρικών δεδοµένων σε ηλεκτρονικά πεδία (EHRs). Όλα τα δεδοµένα για έναν ασθενή αποθηκεύονται σε ένα τέτοιο πεδίο. Το πρότυπο συντηρείται από το openehr Foundation. Τα παρακάτω διαγράµµατα αναπαριστούν µε συντοµία την οντολογία. Το πρώτο είναι ένα µοντέλο διαδικασίας, το δεύτερο ένα µοντέλο δηµιουργίας της πληροφορίας κατά την διαδικασία και το τρίτο είναι η οντολογία της πληροφορίας. 24 Εικόνα a: Μοντέλο διαδικασίας και δηµιουργίας Εικόνα b: Η οντολογία της πληροφορίας 24 47

49 Κεφάλαιο 3 Σηµασιολογικός Ιστός και Ιατρική ΟΝ9 για την οµογενοποίηση ιατρικών όρων Η ενοποίηση µεγάλων βάσεων γνώσης έχει αναδειχθεί σε µία µεγάλη πρόκληση για την επιστηµονική κοινότητα της πληροφορικής. Προς αυτήν την κατεύθυνση, το Τµήµα Ιατρικής Πληροφορικής του Ινστιτούτου Βιοϊατρικής Τεχνολογίας της Ρώµης δηµιούργησε τη µεθοδολογία ONIONS (ONtologic Integration On Naïve Sources) για την συντακτική και σηµασιολογική ενοποίηση γνώσης από διάφορες, ετερογενείς εννοιολογικά, αποθηκευτικές µονάδες. Η µεθοδολογία αυτή εφαρµόστηκε στο πεδίο της ιατρικής πληροφορίας και η προκύπτουσα ιατρική οντολογία ονοµάστηκε ON9. Μέχρι στιγµής, η οντολογία ΟΝ9 συµπεριλαµβάνει πέντε πηγές γνώσης: UMLS-SN (MeSH, ICD9-CM, SNOMED II ) ICD 10 GMN SNOMED III CORE (GALEN project) Όπως γίνεται φανερό, τα διάφορα συστήµατα ιατρικής ορολογίας συνεχώς ανανεώνονται και βελτιώνονται παράλληλα µε την εξέλιξη της ιατρικής επιστήµης και των επιτευγµάτων στο χώρο του Σηµασιολογικού Ιστού. Ταυτόχρονα, ξεκινούν νέες προσπάθειες οµογενοποίησης των ετερογενών πηγών πληροφορίας σε έναν αγώνα δρόµου των εταιρειών που µοιάζει να επαναλαµβάνεται. 25 Βιοϊατρικές οντολογίες Στον πίνακα αναφέρονται ορισµένες σηµαντικές προσπάθειες δηµιουργίας ιατρικών οντολογιών. 26 Οντολογία Πλήρες όνοµα ηµιουργός Περιγραφή GO Gene Ontology Gene Ontology Consortium Λεξιλόγιο για την περιγραφή της µοριακής λειτουργία, βιολογικών διαδικασιών και MGED Ontology Microarray Gene Expression γονιδίων MGED Group Οντολογία για την περιγραφή 48

50 Κεφάλαιο 3 Σηµασιολογικός Ιστός και Ιατρική NCBO OBO BFO Database Ontology National Centre for Biomedical Ontology Open Biomedical Ontologies Basic Formal Ontology OCI group OBO Consortium Barry Smith και Pierre Grenon γονιδίων Οντολογία για την κλινική έρευνα Οντολογία για την περιγραφή κλινικών ερευνών και της επιστήµης που σχετίζεται µε τη ζωή Οντολογία της πραγµατικότητας που περιλαµβάνει υπο-οντολογίες για τον ιατρικό χώρο Πίνακας 3.2.1: Σηµαντικές προσπάθειες καθορισµού της ιατρικής οντολογίας 49

51 4 Κεφάλαιο 4 Βάση Γνώσης για Μοντελοποίηση Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο 4.1 Το πρόβληµα Σκοπός της εργασίας είναι η σχεδίαση και η ανάπτυξη οντολογίας που κωδικοποιεί ιατρική γνώση σχετική µε τη διαχείριση του τρόπου ζωής ασθενών µε στεφανιαία νόσο (Coronary Artery Disease CAD). Παρακάτω, περιγράφεται η δοµή της οντολογίας που αποφασίζει το κατάλληλο πρόγραµµα/προγράµµατα άσκησης ενός ασθενούς µε στεφανιαία νόσο µε βάση την επικινδυνότητα του ασθενή, την ασθένεια-ιδιαιτερότητα που έχει (π.χ. είναι παχύσαρκος), την προτίµησή του, αλλά και τη φυσική του κατάσταση (αν γίνει η παραδοχή ότι ανεξάρτητα από το επίπεδο φυσικής κατάστασης που βρίσκεται ο ασθενής, το ίδιο επίπεδο έντασης προγράµµατος πρέπει να ακολουθήσει). Για τη δηµιουργία της οντολογίας χρησιµοποιήθηκε η γνώση για την φυσική άσκηση από το βιβλίο «American College of Sports Medicine, ACSM's Guidelines for Exercise Testing and Prescription, 7th Edition, 2006», καθώς επίσης και τα προγράµµατα άσκησης που δίνονται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ. Στο παρακάτω σχήµα φαίνεται η διαδικασία απόφασης του προγράµµατος άσκησης ενός ασθενή δεδοµένων κρίσιµων παραµέτρων. ΕΙΣΟ ΟΣ risk physical status disease preference Exercise Plan ΕΞΟ ΟΣ Εικόνα ιαδικασία απόφασης του κατάλληλου προγράµµατος 4.2 Εργαλεία µοντελοποίησης

52 Κεφάλαιο 4 Βάση Γνώσης για Μοντελοποίηση Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο Το σύστηµα υλοποιήθηκε χρησιµοποιώντας το εργαλείο µοντελοποίησης και διαχείρισης γνώσης Protégé 3.4 ( καθώς και τη µηχανή κανόνων (rule engine) Jess ( Σηµειώνεται ότι, ενώ κατά τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας διατέθηκε νεότερη έκδοση του Protégé (έκδοση 4), δεν επιλέχθηκε καθώς δεν υποστηρίζει προς το παρόν δηµιουργία κανόνων (SWRL). 4.3 Σχεδιασµός οντολογίας Ο σχεδιασµός της οντολογίας έγινε µε βάση πληροφορίες που αντλήθηκαν και έχουν καταγραφεί στο κεφάλαιο Η άσκηση σε στεφανιαίους ασθενείς. Ακολουθώντας το παράδειγµα της πρότυπης οντολογίας food & wines ( που ορίζει για κάθε γεύµα το κατάλληλο κρασί, θεωρήθηκε σκόπιµο να δηµιουργηθεί µια κλάση η οποία θα περιέχει ιδιότητες της άσκησης όπως επίπεδο δραστηριότητας (ελαφριά άσκηση, µέτρια, κτλ.), τύπος άσκησης (αερόβια ή αναερόβια), επίπεδο επικινδυνότητας (χαµηλό, µέσο, υψηλό). Στη συνέχεια, δηµιουργήθηκαν οι κλάσεις του ασθενή, των ασθενειών και των ασκήσεων. Καθώς η έννοια της κατηγοριοποίησης για το συγκεκριµένο πρόβληµα ήταν αρκετά περιορισµένη, θεωρήθηκε σκόπιµο να δηµιουργηθούν κανόνες για την επίτευξη του στόχου. Έτσι, ορίστηκαν ιδιότητες τύπου datatype οι οποίες υπεισέρχονται σε κάποιους κανόνες που περιγράφονται στη συνέχεια Κλάσεις Οι κλάσεις που ορίστηκαν στην οντολογία απεικονίζονται παρακάτω: 51

53 Κεφάλαιο 4 Βάση Γνώσης για Μοντελοποίηση Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο Εικόνα Κλάσεις της οντολογίας Πιο αναλυτικά, η οντολογία αποτελείται από τις εξής κλάσεις: Patient περιέχει στιγµιότυπα (instances) των ασθενών. Κάθε ασθενής χαρακτηρίζεται από: Το HRrest To HRmax Την ασθένεια Την επικινδυνότητα Την ένταση άσκησης που θα πρέπει να επιλέξει Την προτίµηση στο είδος άσκησης (περπάτηµα κτλ) Diseases_conditions περιέχει ασθένειες και ειδικές κατηγορίες ασθενών όπως ηλικιωµένοι, παχύσαρκοι, κτλ. 52

54 Κεφάλαιο 4 Βάση Γνώσης για Μοντελοποίηση Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο Exercise_Plan_Descriptor αποτελείται από τις υποκλάσεις Exercise_Plan_Activity_Level, Exercise_Plan_mode και Risk_factor. Exercise_Plan_Activity_Level περιέχει υποκλάσεις επιπέδων έντασης άσκησης (minimal, very_light, light, moderate, vigorous). Κάθε υποκλάση αποτελείται από instances που χαρακτηρίζονται από µέγιστη και ελάχιστη ένταση (ποσοστό αύξησης HRmin & HRmax). Κάθε επίπεδο έντασης χαρακτηρίζεται σύµφωνα µε τον πίνακα Exercise_Plan_mode αποτελείται από τις υποκλάσεις κατηγορίας ασκήσεων (Plan_mode_aerobic, Plan_mode_resistance, Non_activity). Καθεµία από τις υποκλάσεις αυτές αποτελείται από Instances ειδών ασκήσεων (π.χ. τρέξιµο, ποδηλασία κτλ) Risk_factor αποτελείται από instances της επικινδυνότητας (Low, Moderate, High) Exercise_Plan η κλάση µε instances ολοκληρωµένων σχεδίων ασκήσεων που χαρακτηρίζονται από: Συχνότητα/µέρα Συχνότητα/εβδοµάδα Σχέδιο προθέρµανσης Σχέδιο κύριας άσκησης Σχέδιο αποθεραπείας Επίπεδο έντασης Για ποιους ασθενείς είναι κατάλληλο µε βάση την επικινδυνότητα (risk) Για ποιες ασθένειες είναι κατάλληλο Exercise_Warm_up αποτελείται από instances σχεδίων προθέρµανσης που χαρακτηρίζονται από τη διάρκεια, το είδος (περπάτηµα κτλ), την ένταση (πχ. light), το ασφαλές HRmax & HRmin. Exercise_Main αποτελείται από υποκλάσεις κατηγοριών σχεδίων κυρίου προγράµµατος µε βάση την ένταση και καθεµία από τις υποκλάσεις αυτές περιέχει instances σχεδίων κυρίου προγράµµατος που χαρακτηρίζονται από τη διάρκεια, το είδος (περπάτηµα κτλ), την ένταση (πχ. light), το ασφαλές HRmax & HRmin. Exercise_Cool_down αποτελείται από instances σχεδίων αποθεραπείας που 53

55 Κεφάλαιο 4 Βάση Γνώσης για Μοντελοποίηση Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο Passive_recovery χαρακτηρίζονται από τη διάρκεια, το είδος (περπάτηµα κτλ), την ένταση (πχ. light), το ασφαλές HRmax & HRmin. αποτελείται από instances σχεδίων επαναφοράς στην αρχική κατάσταση που χαρακτηρίζονται από τη διάρκεια, το είδος (περπάτηµα κτλ), την ένταση (πχ. light), το ασφαλές HRmax & HRmin. Πίνακας Κλάσεις οντολογίας Activity level-intensity of main program Very light 20-30%HRR Light %HRR Moderate 40-60%HRR Vigorous 60-85% HRR Πίνακας Κατηγορίες έντασης άσκησης Ιδιότητες Οι ιδιότητες (properties) που ορίστηκαν στην οντολογία διακρίνονται σε object properties και datatype properties και είναι οι παρακάτω: Object Properties: Εικόνα Object properties 54

56 Κεφάλαιο 4 Βάση Γνώσης για Μοντελοποίηση Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο has_disease_or_speci Προσδιορίζει τον Patient και λαµβάνει τιµές από την κλάση fic_condition Diseases. Αναφέρεται στην πάθηση του ασθενή. hasexercise_plan Αναφέρεται στον Patient και λαµβάνει τιµές από την κλάση Exercise_Plan. Προσδιορίζει το πρόγραµµα άσκησης που αντιστοιχεί στον συγκεκριµένο ασθενή. has_warmup Αντιστοιχεί σε ένα Exercise_Plan πρόγραµµα προθέρµανσης has_mainexercise Αντιστοιχεί σε ένα Exercise_Plan πρόγραµµα κύριας άσκησης has_cooldown Αντιστοιχεί σε ένα Exercise_Plan πρόγραµµα αποθεραπείας has_passive_recovery Αντιστοιχεί σε ένα Exercise_Plan πρόγραµµα ανάκαµψης has_physical_status Αναφέρεται στη φυσική κατάσταση του ασθενή σύµφωνα µε την οποία θα γίνει η επιλογή της έντασης του προγράµµατος hasintensity Χαρακτηρίζει τις φάσεις ενός Exercise_Plan και παίρνει τιµές από την υποκλάση Exercise_Plan_activity_level και έτσι χαρακτηρίζεται η ένταση ενός προγράµµατος άσκησης ως χαµηλή, µέτρια ή υψηλή κτλ. hasmode Αναφέρεται στις φάσεις ενός Exercise_Plan και παίρνει τιµές από την υποκλάση Exercise_Plan_mode. Προσδιορίζει τον τύπο της άσκησης(running, walking). has_activity_level Χαρακτηρίζει την ένταση ενός Exercise_Plan και παίρνει τιµές από την υποκλάση Exercise_Plan_activity_level has_preference ηλώνει την προτίµηση ενός ασθενή για τον τύπο άσκησης (running, walking) hasrisk ηλώνει την επικινδυνότητα του ασθενή παίρνοντας τιµές από την υποκλάση Risk_factor Is_for_disease ίνει στο Exercise_Plan για ποιες ασθένειες είναι κατάλληλο Is_for_patient_risk ίνει στο Exercise_Plan για ποιες επικινδυνότητες είναι κατάλληλο Πίνακας Object properties Datatype Properties: 55

57 Κεφάλαιο 4 Βάση Γνώσης για Μοντελοποίηση Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο Εικόνα Datatype properties hasduration Τύπου integer, αναφέρεται σε κάθε φάση (προθέρµανση, κυρίως πρόγραµµα, αποθεραπεία) του Exercise_Plan και προσδιορίζει τη χρονική διάρκεια τους hasfrequencyperday Τύπου integer, αναφέρεται στο Exercise_Plan και προσδιορίζει τη συχνότητα της άσκησης, δηλαδή πόσες φορές την ηµέρα θα πρέπει να γίνει το συγκεκριµένο σχέδιο άσκησης hasfrequencyperweek Τύπου integer, αναφέρεται στο Exercise_Plan και προσδιορίζει τη συχνότητα της άσκησης, δηλαδή πόσες φορές την εβδοµάδα θα πρέπει να γίνει το συγκεκριµένο σχέδιο άσκησης hashr_rest Τύπου integer, αναφέρεται στον καρδιακό ρυθµό του ασθενή σε κατάσταση ηρεµίας hashrmax Τύπου integer, αναφέρεται στον µέγιστο καρδιακό ρυθµό του ασθενή hashrr Τύπου integer, είναι το αποτέλεσµα της πράξης 56

58 Κεφάλαιο 4 Βάση Γνώσης για Μοντελοποίηση Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο HRmax-HRrest hasmaxintensity Τύπου float, αναφέρεται στη µέγιστη ένταση µιας κατηγορίας έντασης (ελαφριά, µέτρια, έντονη) σύµφωνα µε τον πίνακα και εκφράζεται σε δεκαδικό (ποσοστό που έχει µετατραπεί σε δεκαδικό) hasminintensity Τύπου float, αναφέρεται στην ελάχιστη ένταση µιας κατηγορίας έντασης (ελαφριά, µέτρια, έντονη) σύµφωνα µε τον πίνακα και εκφράζεται σε δεκαδικό (ποσοστό που έχει µετατραπεί σε δεκαδικό) has_phase_hrmax Τύπου float, αναφέρεται στο µέγιστο καρδιακό ρυθµό της κάθε φάσης του προγράµµατος άσκησης has_phase_hrmin Τύπου float, αναφέρεται στον ελάχιστο καρδιακό ρυθµό της κάθε φάσης του προγράµµατος άσκησης has_safe_hrmax Τύπου float, αναφέρεται στην ασφαλή µέγιστη τιµή του καρδιακού ρυθµού της κάθε φάσης του προγράµµατος άσκησης has_safe_hrmin Τύπου float, αναφέρεται στην ασφαλή ελάχιστη τιµή του καρδιακού ρυθµού της κάθε φάσης του προγράµµατος άσκησης hasspecialhrmax Τύπου string, αναφέρεται σε ειδικές περιπτώσεις ασθενών, όπου δεν ισχύει ο γενικός κανόνας για τον µέγιστο καρδιακό ρυθµό Πίνακας Datatype properties Κανόνες συστήµατος Όπως προαναφέρθηκε, στόχος του συστήµατος που σχεδιάστηκε είναι η απόφαση για το κατάλληλο πρόγραµµα άσκησης ασθενών µε στεφανιαία νόσο. Για τις ανάγκες του συστήµατος και τη διεξαγωγή των αποφάσεων χρησιµοποιήθηκε η γλώσσα κανόνων SWRL (Semantic Web Rule Language) η οποία υποστηρίζεται στο περιβάλλον του Protégé µέσω του πρόσθετου (plugin) SWRLJessTab. Η εκτέλεση των κανόνων γίνεται µέσω της µηχανής κανόνων Jess. Οι κανόνες οι οποίοι δηµιουργήθηκαν είναι: Κανόνας που αποφασίζει το Exercise Plan για έναν ασθενή 57

59 Κεφάλαιο 4 Βάση Γνώσης για Μοντελοποίηση Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο Patient(?P) ^ hasrisk(?p,?risk) ^ has_plan_activity_level(?p,?level) ^ has_disease_or_specific_condition(?p,?dis) ^ has_preference(?p,?mode) ^ Exercise_Plan(?E) ^ is_for_disease(?e,?dis) ^ is_for_patient_risk(?e,?risk) ^ has_activily_level(?e,?level) ^ has_main_exercise(?e,?m) ^ hasmode(?m,?mode) hasexercise_plan(?p,?e) Με λίγα λόγια, ο κανόνας υλοποιεί την εξής λογική: Ο ασθενής?p που έχει επικινδυνότητα?risk, έχει φυσική κατάσταση κάποιο?level, έχει κάποια ασθένεια?disease και έχει προτίµηση στον τύπο της άσκησης?mode, και ένα Exercise Plan?Ε που είναι κατάλληλο για ασθενείς µε επικινδυνότητα?risk, έχει κάποια ένταση?level, είναι κατάλληλο για ασθένεια?disease και έχει τύπο κύριας άσκησης?mode τότε το Exercise Plan?Ε είναι κατάλληλο για τον συγκεκριµένο ασθενή. 58

60 Κεφάλαιο 4 Βάση Γνώσης για Μοντελοποίηση Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο Εικόνα Κανόνας που αποφασίζει το Exercise Plan Κανόνας που υπολογίζει το HRR Patient(?P) ^ hashrmax(?p,?max) ^ hashr_rest(?p,?rest) ^ swrlb:subtract(?hrr,?max,?rest) hashrr(?p,?hrr) Ουσιαστικά, ο κανόνας υλοποιεί την πράξη της αφαίρεσης του HRrest από το HRmax. Εικόνα Κανόνας που υπολογίζει το HRR Κανόνας που αποφασίζει το HRmax ασθενή που πάσχει από Angina Patient(?P) ^ has_disease_or_specific_condition(?p, Angina) hasspecialhrmax(?p, "10 bpm below appropriate threshold") Με λίγα λόγια: Ο ασθενής που πάσχει από Angina έχει ένα HRmax 10 bpm below appropriate threshold 59

61 Κεφάλαιο 4 Βάση Γνώσης για Μοντελοποίηση Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο Αντίστοιχα µε τον παραπάνω κανόνα, συµβαίνει για τον ασθενή που πάσχει από Ischemia. Εικόνα Κανόνας που υπολογίζει το HRmax ασθενή µε στηθάγχη Κανόνας που αποφασίζει το activity level ενός Exercise plan µιας άσκησης µε βάση την ένταση του κυρίως προγράµµατος Exercise_Plan(?E) ^ has_main_exercise(?e,?m) ^ hasintensity(?m, light20-30) has_activily_level(?e, light) Με λίγα λόγια το Exercise Plan που έχει κυρίως πρόγραµµα που έχει ένταση ελαφριά (HRmax:20-30) έχει επίπεδο δραστηριότητας χαµηλό. 60

62 Κεφάλαιο 4 Βάση Γνώσης για Μοντελοποίηση Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο Εικόνα Κανόνας που αποφασίζει το επίπεδο δυσκολίας µιας άσκησης Κανόνας που δείχνει το HRmax του κυρίως προγράµµατος Exercise_Main(?main) ^ hasintensity(?main,?intens) ^ hasmaxintensity(?intens,?max) has_phase_hrmax(?main,?max) Με λίγα λόγια το κυρίως πρόγραµµα που είναι έντασης?intens η οποία ένταση έχει µέγιστη τιµή HRmax την τιµή?max =>τότε αυτό το πρόγραµµα έχει επιτρεπόµενη µέγιστη τιµή HR?max 61

63 Κεφάλαιο 4 Βάση Γνώσης για Μοντελοποίηση Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο Εικόνα Κανόνας που δείχνει το επιτρεπόµενο HRmax του κυρίως προγράµµατος Αντίστοιχα, έχουν δηµιουργηθεί οι κανόνες για κάθε φάση αλλά και για το HRmin. Οι κανόνες αυτοί εξυπηρετούν στην κατανόηση της έντασης της άσκησης απεικονίζοντας τα HRmax & HRmin µε ποσοστό αύξησης. 62

64 5 Κεφάλαιο 5 Σύστηµα Στήριξης Απόφασης για Επιλογή Προγράµµατος Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται ορισµένα παραδείγµατα εκτέλεσης των κανόνων µέσα από την εφαρµογή Protégé ενώ αρχικά περιγράφεται η µηχανή εκτέλεσης των κανόνων Jess. 5.1 Η µηχανή εκτέλεσης κανόνων Jess Το Jess είναι µια µηχανή εκτέλεσης κανόνων γλώσσας προγραµµατισµού που αναπτύχθηκε στα εργαστήρια της Sandia στο Livermore της Καλιφόρνια στις αρχές του δεκαετίας του 90. Είναι γραµµένη σε Java και άρα είναι το ιδανικό εργαλείο για την προσθήκη της τεχνολογίας κανόνων σε συστήµατα που βασίζονται στην Java. Το κελυφωτό σύστηµα CLIPS, µια ανοιχτή µηχανή κανόνων σε γλώσσα C, αποτέλεσε έµπνευση για τη δηµιουργία του Jess. Το Jess είναι δυναµικό εργαλείο που βασίζεται σε Java, οπότε αυτόµατα δίνει πρόσβαση σε όλες τις εφαρµογές και τα Java APIs που αφορούν δικτύωση, γραφικά, πρόσβαση σε βάση δεδοµένων, κτλ. Για τις ανάγκες της παρούσας εργασίας, χρησιµοποιήθηκε µια έκδοση της µηχανής Jess µε άδεια για εκπαιδευτικούς σκοπούς της Ιατρικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου. Για την εκτέλεση του Jess, απαιτείται να είναι εγκατεστηµένη η Java2 Platform ( Το Protégé συνεργάζεται µε τη µηχανή Jess µέσω του πρόσθετου (plugin) που έχει ενσωµατωµένο, που ονοµάζεται SWRLJessTab, εφόσον προστεθεί το.jar αρχείο της µηχανής Jess στα plugins του Protégé (

65 Κεφάλαιο 5 Σύστηµα Στήριξης Απόφασης για Επιλογή Προγράµµατος Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο Για τη δηµιουργία ενός κανόνας στη γλώσσα SWRL και µέσα από το περιβάλλον της εφαρµογής Protégé επιλέγεται η καρτέλα SWRL Rules και ένας κανόνας συντάσσεται επιλέγοντας τη δηµιουργία του από το κατάλληλο εικονίδιο (Create new rule). Εικόνα Περιβάλλον SWRLJessTab Η αλληλεπίδραση µεταξύ της γλώσσας OWL και του µηχανισµού Jess γίνεται χειροκίνητα από τον χρήστη. Ο χρήστης ελέγχει πότε η γνώση που είναι αποθηκευµένη στην γλώσσα OWL θα µεταφερθεί στον µηχανισµό Jess επιλέγοντας «OWL+SWRL->Jess». Στην περίπτωση αυτή το παράθυρο κατάστασης θα δείξει το πλήθος των κανόνων, τις κλάσεις, τις ιδιότητες που έχουν µεταφερθεί στον µηχανισµό. 64

66 Κεφάλαιο 5 Σύστηµα Στήριξης Απόφασης για Επιλογή Προγράµµατος Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο Εικόνα Μεταφορά OWL & SWRL σε Jess Οι καρτέλες Rules, Classes, Property Assertion Axioms, Individuals, Axioms αναπαριστούν τη γνώση που µεταφέρεται στον µηχανισµό Jess. Για να ξεκινήσει η διαδικασία εξαγωγής συµπεράσµατος θα πρέπει να επιλεχθεί «Run Jess». Αφού εκτελεστεί ο µηχανισµός Jess στις καρτέλες «Inferred Individuals» και «Inferred Axioms» φαίνεται η γνώση που προκύπτει από τους κανόνες που δηµιουργήθηκαν. Εικόνα Αποτελέσµατα µετά την εκτέλεση του µηχανισµού Jess 65

67 Κεφάλαιο 5 Σύστηµα Στήριξης Απόφασης για Επιλογή Προγράµµατος Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο Τέλος, για να επιστρέψει αυτή η γνώση και τα συµπεράσµατα στην γλώσσα OWL θα πρέπει να επιλεχθεί «Jess->OWL» οπότε γίνονται ορατά στα στιγµιότυπα µέσα στο περιβάλλον Protégé. 5.2 Παραδείγµατα εκτέλεσης κανόνων Ως περιβάλλον διεπαφής, χρησιµοποιείται το περιβάλλον που προσφέρει η εφαρµογή Protégé. Θα µπορούσε πολύ εύκολα να δηµιουργηθεί σαν περιβάλλον διεπαφής µια απλή ιστοσελίδα µέσα από την οποία το ιατρικό προσωπικό θα έχει πρόσβαση οποιαδήποτε στιγµή σε όλην αυτήν τη βάση γνώσης. Για την εκτέλεση των κανόνων και την απόδοση της κατάλληλης άσκησης σε κάποιον ασθενή απαραίτητο είναι να υπάρχουν καταχωρηµένα προγράµµατα άσκησης (Exercise plans) κάτι που αποτελεί αποκλειστικά ευθύνη ενός φυσ-ιατρου. Από τα προγράµµατα άσκησης αυστηρά πρέπει να τηρούνται τα όρια µέσα στο οποία θα πρέπει να κυµαίνεται ο καρδιακός ρυθµός του ασθενή. Στις αµέσως επόµενες ενότητες δίνονται ορισµένα παραδείγµατα εισαγωγής στοιχείων για τέτοια προγράµµατα ηµιουργία στιγµιότυπων πλάνων προθέρµανσης, κυρίως προγράµµατος και αποθεραπείας Ένα πλάνο άσκησης αποτελείται πάντα από τις εξής φάσεις που αποτελούν και ξεχωριστές κλάσεις της οντολογίας που δηµιουργήθηκε: Προθέρµανση Κυρίως πρόγραµµα Αποθεραπεία Ανάκαµψη Οποιοσδήποτε συνδυασµός στιγµιότυπων (Instances) των παραπάνω κλάσεων δίνει ένα πλήρες πρόγραµµα άσκησης. Εποµένως αρχικά, θα πρέπει να δηµιουργηθούν στιγµιότυπα για τις παραπάνω κλάσεις. Κατά την εισαγωγή παραµέτρων για τις φάσεις της προθέρµανσης, του κυρίως προγράµµατος, της αποθεραπείας και της ανάκαµψης απαραίτητα είναι να αποδοθούν τιµές σε: Ένταση ιάρκεια 66

68 Κεφάλαιο 5 Σύστηµα Στήριξης Απόφασης για Επιλογή Προγράµµατος Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο Τύπος (walk, cycle etc) Ασφαλές HRmax & HRmin Παρακάτω δίνεται ένα παράδειγµα δηµιουργίας στιγµιότυπου για την φάση της αποθεραπείας. Όπως φαίνεται, έχει επιλεγεί ως τύπος άσκησης το βάδισµα (walking), ως ένταση ένα στιγµιότυπο έντασης από την κλάση Exercise_Plan_activity_level και συγκεκριµένα το «light20-30» το οποίο έχει επιτρεπτές τιµές αύξησης του καρδιακού ρυθµού µεταξύ 20%-30% του HRR, ως διάρκεια «5min», ως ασφαλής µέγιστος καρδιακός ρυθµός η τιµή «0.9» που σηµαίνει 90% του HRmax και ως ασφαλής ελάχιστος καρδιακός ρυθµός η φράση «50bpm(bradycardia)»που είναι επικίνδυνη για τον ασθενή. Οι τιµές των phase_hrmin & phase_hrmax έχουν υπολογιστεί από κανόνες µε βάση το instance της έντασης που επιλέχθηκε και αποτελούν το ποσοστό σε δεκαδική µορφή της αύξησης του καρδιακού ρυθµού. Εικόνα Στιγµιότυπο προγράµµατος αποθεραπείας Με τον ίδιο ακριβώς τρόπο, δηµιουργούνται και στιγµιότυπα για όλες τις φάσεις του πλάνου άσκησης. Παρακάτω φαίνεται ένα παράδειγµα στιγµιότυπου της φάσης κυρίως προγράµµατος µε επίπεδο έντασης µεσαίο και τύπο άσκησης «έντονο βάδισµα». 67

69 Κεφάλαιο 5 Σύστηµα Στήριξης Απόφασης για Επιλογή Προγράµµατος Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο Εικόνα Στιγµιότυπο κυρίως προγράµµατος Exercise_Main_moderate_brisk_walking ηµιουργία Exercise Plan Εφόσον η βάση γνώσης περιέχει τα απαραίτητα στιγµιότυπα για τη δηµιουργία ενός πλήρους πλάνου άσκησης µπορούν πλέον να δηµιουργηθούν τα στιγµιότυπα ολοκληρωµένων πλάνων ασκήσεων. Κατά την εισαγωγή, λοιπόν, στοιχείων ενός στιγµιότυπου Exercise Plan απαραίτητα είναι τα: Συχνότητα την ηµέρα Συχνότητα την εβδοµάδα Προθέρµανση Κυρίως πρόγραµµα Αποθεραπεία Ανάκαµψη (Recovery) Για ποια/ποιες επικινδυνότητα ασθενών είναι κατάλληλο Για ποια/ποιες ασθένειες προτείνεται 68

70 Κεφάλαιο 5 Σύστηµα Στήριξης Απόφασης για Επιλογή Προγράµµατος Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο Παρακάτω δίνεται ένα παράδειγµα σχεδίου προγράµµατος (Exercise_Plan) για υπερτασικούς ή ηλικιωµένους ασθενείς το οποίο περιλαµβάνει έντονο βάδισµα min. Οι παράµετροι του προγράµµατος έχουν ως εξής: Συχνότητα την ηµέρα = 1 Συχνότητα την εβδοµάδα = 5 Προθέρµανση = Στιγµιότυπο «Exercise_Warm_up_light_10min_walk» Κυρίως πρόγραµµα = Στιγµιότυπο «Exercise_Main_moderate_brisk_walking» Αποθεραπεία = Στιγµιότυπο «Exercise_Cool_down_light_walk» Ανάκαµψη (Recovery) = Στιγµιότυπο «Passive_recovery_sit_down_5min» Για επικινδυνότητα ασθενών = Low & Moderate Για τις ασθένειες/ιδιαιτερότητες = Υπέρταση, µεγάλη ηλικία Καθένα από τα παραπάνω στιγµιότυπα έχει τις δικές του παραµέτρους. Το activity_level (επίπεδο έντασης του προγράµµατος = moderate) έχει υπολογιστεί από κανόνα (SWRL) µε βάση το είδος της κύριας άσκησης που επιλέχθηκε. Εικόνα Στιγµιότυπο σχεδίου προγρ/ατος Exercise_Plan_Hypertense_elder_brisk_walking 69

71 Κεφάλαιο 5 Σύστηµα Στήριξης Απόφασης για Επιλογή Προγράµµατος Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο ηµιουργία στιγµιότυπου ασθενή Έχοντας τη βάση γνώσης συµπληρωµένη µε προγράµµατα άσκησης κατάλληλα για διαφορετικές περιπτώσεις ασθενών, είναι πλέον δυνατόν να δηµιουργηθούν τα στιγµιότυπα ασθενών στα οποία το σύστηµα αποφασίζει το κατάλληλο πρόγραµµα άσκησης µε βάση τις παραµέτρους αυτών. Κατά την εισαγωγή στοιχείων ενός στιγµιότυπου ασθενή απαραίτητες παράµετροι που πρέπει να συµπληρωθούν είναι : Risk (επικινδυνότητα) HRmax (µέγιστος καρδιακός ρυθµός σύµφωνα µε τον κανόνα 220-age) HRrest (καρδιακός ρυθµός σε κατάσταση ηρεµίας) Φυσική κατάσταση του ασθενή (σύµφωνα µε την φυσική κατάσταση του ασθενή επιλέγεται και η ένταση του προγράµµατος,very light, light, moderate, vigorous) Ασθένεια ή ειδική συνθήκη (π.χ. παχύσαρκος) Επιθυµητός τύπος άσκησης (περπάτηµα, ποδήλατο κτλ) Έστω, για παράδειγµα, ένας ασθενής µε τις παρακάτω παραµέτρους: Risk= Χαµηλό HRmax = 167 HRrest = 67 Φυσική κατάσταση του ασθενή = µέτρια Ασθένεια ή ειδική συνθήκη = Υπέρταση Επιθυµητός τύπος άσκησης= Ποδηλασία Ο κανόνας που αποφασίζει το κατάλληλο πρόγραµµα άσκησης για τον συγκεκριµένο ασθενή θα πρέπει να επιλέξει ανάµεσα στα στιγµιότυπα ασκήσεων που είναι αποθηκευµένα στη βάση γνώσης, αυτό που πληροί τις παραπάνω προϋποθέσεις όσον αφορά στην επικινδυνότητα, στην ασθένεια, στην ένταση (ανάλογη της φυσικής κατάστασης) και στον επιθυµητό τύπο άσκησης. Στην παρακάτω εικόνα δίνεται το πλήρες πρόγραµµα άσκησης που συµφωνεί µε τα παραπάνω κριτήρια. 70

72 Κεφάλαιο 5 Σύστηµα Στήριξης Απόφασης για Επιλογή Προγράµµατος Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο Εικόνα Στιγµιότυπο πλάνου άσκησης Εποµένως, η εκτέλεση του κανόνα Patient(?P) ^ hasrisk(?p,?risk) ^ has_plan_activity_level(?p,?level) ^ has_disease_or_specific_condition(?p,?dis) ^ has_preference(?p,?mode) ^ Exercise_Plan(?E) ^ is_for_disease(?e,?dis) ^ is_for_patient_risk(?e,?risk) ^ has_activily_level(?e,?level) ^ has_main_exercise(?e,?m) ^ hasmode(?m,?mode) hasexercise_plan(?p,?e) θα δώσει στον παραπάνω ασθενή το πρόγραµµα άσκησης Exercise_Plan_hypertense_elder_cycling όπως φαίνεται και στην εικόνα που προέκυψε µετά την εκτέλεση του. Αυτό σηµαίνει ότι ο ασθενής θα πρέπει να ασκείται σύµφωνα µε το σχέδιο άσκησης που δίνεται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ και αφορά υπερτασικούς ασθενείς. 71

73 Κεφάλαιο 5 Σύστηµα Στήριξης Απόφασης για Επιλογή Προγράµµατος Άσκησης Ασθενών µε Στεφανιαία Νόσο Εικόνα Στιγµιότυπο υπερτασικού ασθενή µέτριας φυσικής κατάστασης, χαµηλής επικινδυνότητα και µε προτίµηση στην ποδηλασία Στην εικόνα αυτή φαίνεται ότι έχει υπολογιστεί και το HRR του ασθενή από τον κατάλληλο κανόνα. Με τον ίδιο τρόπο µπορούν να δηµιουργηθούν τα στιγµιότυπα και άλλων ασθενών. 72