病理生理学领域本体构建探索

陈红霞，曹 霞，黎亚雄

(1.湖北科技学院 基础医学院病生教研室，湖北 咸宁 437100;2.湖北科技学院 网络管理中心，湖北 咸宁 437100)

病理生理学领域本体构建探索

陈红霞1，曹 霞1，黎亚雄2

(1.湖北科技学院 基础医学院病生教研室，湖北 咸宁 437100;2.湖北科技学院 网络管理中心，湖北 咸宁 437100)

病理生理学探索疾病的病因与条件、发病机制和患病机体的代谢和机能变化。该学科与生物物理学、病理学、免疫学、生物化学与分子生物学、生理学等学科存在大量知识交叉，使得其知识的范围和边界交叉，而且不断扩张。我们根据病理生理学学科的特点将病理生理学领域本体分为P-Core(病理生理学基础本体)，P-Process(病理生理过程本体)，P- Administrative(规则文档本体)，使其具体应用于以医学教育为目的的知识基础体系，以诊断帮助信息为目的临床辅助工具。

教学领域本体；病理生理学；OWL；本体开发与集成

引言

本体(Ontology)源自 “形而上学”的哲学分支，是对客观世界本质的描述。知识工程学者借用了这个概念并赋予新的涵义[1-2]，用以解决知识表示和知识组织方面等方面的问题。构建领域本体的目的是捕获领域内及相关领域的知识，确定领域内共同认可的词汇，从不同层次的形式化模式上给出这些概念和概念之间相互关系的明确定义，并通过本体工程的推理机制精确地表示其中的隐含信息。近年来从正式出版的文献来看，国内外学者对本体理论、本体建模、本体应用研究较多，相对于具体领域的本体开发研究较少，对于教学领域尤其是医学教学领域则更少。

我们尝试使用protégé4.1为开发工具，以OWL作为本体的描述语言，以病理生理学领域为研究对象来开发领域本体，为病理生理学教学知识基础体系和临床诊断辅助工具打下比较坚实的基础。

二、病理生理学与领域本体

病理生理学作为基础医学基石学科之一，肩负着基础医学课程到临床课程之间的“桥梁”作用。其主要研究疾病发生的原因和条件，疾病过程中患病机体的机能、代谢的动态变化及其发生机理，揭示疾病发生和发展规律，阐明疾病的本质。病理生理学以生理学、生物化学与分子生物学、免疫学、病理学、生物物理学等学科为基础，同时与这些学科又存在大量的知识交叉。

该学科的特点导致其医学事实的知识表达是一项复杂的事情，几乎不可能用一个单一的本体描述出来。因此我们将病理生理学领域本体设计为一个联合相关的本体集合，每一个本体代表一个章节或者某种疾病相关的条目。这些子本体分别为：

(1)P-Core：病理生理学基础本体。

(2)P-Process：病理生理过程本体，此本体为本体类型中的任务本体。

(3)P- Administrative：规则文档本体。

三、工具、方法和知识表达语言的选择

为了方便本体(Ontology)的开发与应用，国内外的研究团体开发了多种类型的本体构建工具比较著名的有KAON、OILEd、OntoEdit和Protégé等。

Protégé由斯坦福大学医学院医学情报研究小组开发。因其特性有：集本体编辑和知识库编辑于一体，支持各种知识表示要素，方便定义各种知识规则等。几乎成为国内外本体研究机构的首选工具，我们选取Protégé4.1作为本体开发工具，以Protégé内置插件Pellet作为推理机。

与开发工具类似的是，出于本体自身的需求和具体工程的考虑，研究人员提出了多种构建方法如：骨架法(Skeletal Methodology)，企业建模法(Gruninger & Fox“评价法”)，Methontology法，循环获取法等，我们遵循斯坦福大学医学院开发的七步法。

本体描述语言起源于知识工程领域对知识表示的研究。近年来为了使本体构建好后推理方便，描述逻辑悄然盛行，已经成为知识工程研究中一种重要的知识表示方法，目前正被积极应用于本体的描述。以此为基础的本体描述语言主要有：OIL、DAML+OIL、OWL等。

OWL(Web Ontology Language)是W3C 2004年推荐的本体描述语言的标准， 有三个子语言：OWL Full、OWL DL和OWL Lite。OWL Full 以资源描述架构(resource description framwork：RDF)[3]并提供兼容叙述。OWL Lite仅仅提供精准属性计算。OWL DL基于描述逻辑同时具有丰富表达方式。我们选取OWL DL作为本体的描述语言。

四、病理生理学教学领域本体构建实例

为了进行领域本体的构造，首先应确定该领域内的概念集。我们从实用性角度出发，兼顾基础教学与临床，拟建立一套完整的病理生理学知识表示体系，概念集中概念的确定主要来自三个方面：

(1)人民卫生出版社2013年出版的国家十二五普通高等教育本科国家级规划教材 《病理生理学(第8版)》(王建枝，殷莲华等主编)。

(2)《MeSH》词表，依照此词表来确定概念之间的等级以及概念之间的相互关系。

(3)从Wikipeidia中选取，结合《MeSH》来修正概念之间的层次关系。

我们以教材《病理生理学(第8版)》(王建枝，殷莲华等主编)中的第12章：缺血-再灌注损伤为例，来说明病理生理学教学领域本体的构建。

1.IRIP-Core：缺血-再灌注损伤基础本体

这部分焦点集中在描述缺血-再灌注损伤研究与实践的基本信息，主要工作是：收集缺血-再灌注损伤相关的术语，复用Geno Ontology、蛋白质本体[4]等国际上著名本体中的数据，使用语义Wiki来保证知识获取的有效性。同时还依赖于作为科研支持的顶级本体Basic Formal Ontology所辖基础范围。为了将这些知识有效的融合为一体，我们采用了类似Minimal Information to ReferenceExternal Ontology Terms(MIREOT)的实验方法[5]。其OWL示例如下：

红细胞

2.IRIP-Process：描述缺血-再灌注损伤病理的过程本体

这部分旨在描述身体组织中缺血-再灌注损伤病理原因条件、发生的机制及影响等，归类于任务本体一类。其OWL示例如下：

3.IRIP- Administrative：规则文档本体

这部分可以从病理生理学独立开来，旨在覆盖与病理生理学相关的官方文档如：管理机构、法律、规章制度、官方认可的分类系统和标准等。举个例子来说，跟本章相关的国际定义的标签系统ISBT-128。ISBT-128标准化了血液及其相关产物的象征编码，允许它们在全世界的血库和注射服务中可读。伪OWL示例如下：

>(此处为我们描述Pathological_status的信息).

五、讨论

本研究首次构建了病理生理学领域本体，并以缺血-再灌注损伤为例子阐述了构建的基本方法、本体描述语言和编辑工具的选择。我们不仅仅是要构建一个以教育为目的的知识基础，还希望构建一个以诊断帮助信息为目的临床辅助工具和可以作为医学语义计算的推理基础、作为开发协同系统的核心词汇集等。在实践过程中，研究人员发现存在一些问题：如概念与概念之间存在交叉，明确划分界限存在问题。该领域本体集并未能包含所有病理生理学的本体知识。

本文侧重对面向病理生理学领域本体构造进行探讨，本课题组后续将进行实证性研究，以证明其有效性。另外，还将继续开展病理生理学领域本体的其它应用性研究。如通过本体推理机制来发现隐含知识，进行医学语义计算和医学知识挖掘；使用本体映射或本体集成技术使其成为构建其他本体的基石等。

[1]Gruber T R.A TransIation Approach to PortabIe OntoIogy Specifications[J].KnowIedge Acguisition，1993，(5)：199 ～ 220.

[2] Studer R，Benjamins V R，FenseI D. KnowIedge Engineering，PrincipIes and Methods[J]. Data and KnowIedge Engineering，1998，25(1-2)：161 ～ 197.

[3] 姜恩波. RDF原理、结构初探[J]. 现代图书情报技术, 2001, (5): 32-33.

[4] Darren A. Natale, et al., “Protein Ontology: a controlled structured network of protein entities”, Nucleic Acids Research, 2013, 42(1): D415-21.

[5] Almeida, M.B.; Proetti, A.B.; Ai, J. (2011); Smith, B. The Blood Ontology: an ontology in the domain of hematology - Proceedings of the International Conference of Biomedical Ontologies,? (ICBO), 2011.

2095-4654(2015)11-0084-03

2015-08-01

湖北科技学院教研项目(2011B057；2013-AX-013)

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