脊柱疾病本体及三维软件的开发

摘要

KISTI正在推进“为应对老龄社会，针对脊椎疾病的e-Spine项目”(NAP)。本研究的目的是建立一个与KISTI仿真模型相兼容的脊柱本体，以表达脊柱的解剖结构和疾病信息。本体论的最终用途包括对疾病的诊断和临床医生制定治疗方向。采用三维软件表示本体。在与脊柱专家讨论后，选择20种疾病作为代表。回顾了一些本体论研究，为每种疾病选择了参考书，并将其组织在MS Excel中。然后由专家对所有内容进行审查。采用Altova SemanticWorks和Protégé对OWL Full模型进行本体编码。本体中包含KISTI的图像链接和疾病的样本图像。OWL本体也通过Protégé再次由专家评审。 We represented unidirectional ontology from anatomical structure to disease, images, and treatment. The ontology was human understandable. It would be useful for the education of medical students or residents studying diseases of spine. But in order for the computer to understand the ontology, a new model with OWL DL or Lite is needed.

1.介绍

韩国科学技术信息研究院(KISTI)正在研究“国家议程项目(NAP)”，该项目是为了开发老年脊柱疾病治疗和康复的老年人人体模型。本研究的目的是通过数学建模建立一个虚拟的人体脊柱作为仿真模型，用于虚拟实验代替真实的人体脊柱。本项目期望能准确诊断和治疗脊柱疾病。为了项目的成功，我们尝试开发包含脊柱和相关疾病信息的脊柱本体论。

本体是利用计算机建立一个模型来表示可识别的概念及其之间的关系而完成的系统化过程[1］．Neches等人(1991)将本体定义为“构成主题领域词汇的基本术语和关系，以及组合术语和关系来定义词汇扩展的规则”[2和Gruber(1993)将其定义为“概念化的显式规范”[3.］．

此次研究的重点是针对韩国人经常发生的脊柱疾病，开发脊柱本体论。它包含了脊柱的解剖学、治疗方法、病因和脊柱相关的分类信息。此外，脊柱本体论可以连接到模拟模型，以教育医学生，为医生和生物医学工程师提供必要的信息在他们的领域。

2.方法

作者由广泛的专业研究人员、医学信息学、计算机专业人员和临床专家(如护士、一名神经外科医生和两名影像专家)组成。研究分5个阶段进行(图)1):(1)审查相关现有本体的建设模型,(2)选择脊柱相关疾病和研究的主题同时,(3)发展/评估脊髓本体,(4)创建OWL本体按照医生的反馈,和(5)审查OWL本体的专家。此外，为了便于理解，采用三维图像软件表示本体。

2．1．现有本体的回顾

我们使用Protégé回顾了本体项目的结果，该项目是1987年由斯坦福大学领导的一个公共项目[4］．其中，我们通过对大鼠解剖本体和疾病分类的分析，收集了脊柱本体论所需的信息。

2．2.选择脊柱疾病

脊柱疾病的选择依据如下三个标准。首先，该疾病必须是韩国人中发病率最高的脊椎疾病之一。第二，疾病必须发生在脊柱的特定区域，而不是整个脊柱。这样，本体论就可以向韩国人提供适合疾病特点的信息。而且，与根据韩国人制作的KISTI模拟模型相连接也更加容易。最后，疾病的OWL本体论应该能够在计算机上表达，以便用于诊所或医学院的教育。

2．3.资料的发展/检讨

利用Microsoft Excel软件对所开发的本体进行组织。由本体论组成的解剖学定义引用自一本医学词典[5]，并从临床医生推荐的出版物中提取疾病相关信息[6］．我们将解剖信息分为两类;解剖位置和解剖性质用OWL本体表示(表)1)．


条目	本体	猫头鹰的表情

位置	解剖位置	脊柱:isPartOf

属性	部件名称	rdfs: label
	解剖分类	rdfs: subClassOf
	结构标准规范	脊柱:KOSTOM
	结构的定义和描述	脊柱:定义脊柱:描述

疾病相关信息分为五类，见表2；解剖位置、疾病性质、症状/体征、治疗方法和图像在OWL本体中表示。


条目	本体	猫头鹰的表情

位置	解剖疾病位置	脊柱:hasSite

疾病的性质	疾病的名称	rdfs: label
	疾病分类	rdfs: subClassOf
	应用标准代码	脊柱:KOSTOM
	疾病的定义	脊柱:定义
	疾病的定义	脊柱:描述
	临床诊断	脊柱:诊断
	导致	脊柱:hasCause
	伴随疾病	脊柱:hasConcomitantDisease
	并发症	脊柱:hasComplication

症状/标志	症状	脊柱:hasSymptom
	症状	脊柱:causeOfSymptom
	标志	脊柱:hasSign

治疗	外科处置	脊柱:hasSurgicalTreatment
	非手术治疗	脊柱:hasNonSurgicalTreatment
	保守治疗	脊柱:hasTreatmentConservative

图像	术前图像	脊柱:hasImageBeforeTx
图像	术后图片	脊柱:hasImageAfterTx

一名神经外科医生和两名影像专家对脊柱本体论进行了回顾。研究期间，在首尔圣母医院收集了与疾病相关的CT或核磁共振(mri)影像样本。

2．4．OWL本体的开发/回顾

OWL Full模型是W3C (World Wide Web Consortium)开发的标准本体语言。利用Altova Semantic Works和Protégé对OWL本体进行了构建和评价。

在OWL表示的过程中，我们试图确定类(资源对象)或个体(文字对象)中的表达级别。例如，如果疾病相关信息为“髓核突出”，被标识为超类和，,根据其位置，可分为髓核疝下亚纲。每个类包含与发生区域相关的附加信息。

2．5．OWL本体在三维软件中的表示

采用三维图像S/W表示脊柱OWL本体内容。该软件有三个模块:三维绘制模块、OWL查询模块和来自本体的疾病信息显示模块。用户可选择问题脊柱图像的一部分。然后通过OWL查询操作，显示OWL脊柱本体文件中的疾病列表。当选择列表中的某一疾病时，查询模块将搜索该疾病的病因、症状、诊断、治疗、并发症和图像等相关信息。

3.结果

3．1.选择脊柱疾病

表中列出了20种选定的疾病3.．如果科学论文是在教科书之外引用的，则在表格中添加它们作为参考文献。


阿特拉斯断裂骨髓变性改变(Modic型改变) 腰椎间盘退变分级[7] 刽子手的骨折髓核突出[8] 感染性脊柱炎驼背脑脊髓膜突出(9] 齿状的断裂过程后纵韧带骨化	黄韧带骨化小关节骨关节炎(Pfirman级)[10，11] 骨质疏松症骨质疏松性压缩骨折脊柱侧凸脊髓狭窄 Spondyloarthropathy 脊椎前移轴下骨折(C3骨折C7) [12] 胸腰椎脊柱骨折

３．２．本体的发展

数字2给出了Protégé OWL本体论图，该本体论图由20种被选疾病的脊柱本体论生成。解剖类代表了构成脊柱的整个结构。有50个班级;1根椎骨，5根椎骨，33根椎骨，其他11种椎骨材料。每个类有6个属性。为了表达OWL Full模型中“C1颈椎是颈椎的一部分”这句话，我们将解剖结构“C1”和“颈椎”定义为一个类和作为表示谓词的属性。定义为超类，并将所选的20种疾病作为类处理。因此，针对疾病的概念组成了21个班，每个班有18个属性。

收集到的100多张图片与20种疾病有关，每种疾病一张。将图像链接到本体的其他部分的谓词包括和．

3．3．脊柱本体在三维软件中的表示

用户界面由三部分组成(图3.)．(1)三维绘制部分:用户可以对窗口左上方的整个脊柱进行旋转、移动、放大、缩小等操作，在左下方的窗口中以文本关系显示所选解剖结构的大尺度详细信息。(2)疾病列表:根据解剖部位与疾病的本体论关系，将三维渲染部分解剖部位相关的疾病显示在窗口右上方。(3)疾病特异性信息的详细信息:当在右上角窗口中选择某一疾病时，在右下角窗口中列出该疾病的信息，包括疾病属性、治疗方法以及相关的诊断图像。如果属性上有文本描述，它们也会显示在右下角的窗口上。

4.结论

我们建立了脊柱的本体论，链接到韩国人高发病率脊柱疾病的原因、症状、治疗方法和解剖学信息。

完整的脊柱本体论表达了脊柱各部位的解剖联系及其垂直关系，以及脊柱疾病的信息。通过对脊柱解剖结构的概念化和三维图像的显示，可以很容易地了解脊柱的结构和疾病。

本研究采用OWL Full模型的文字对象，将脊柱相关的主要参考词典和出版物的内容进行文字表达。但是，为了使计算机能够对本体进行解释，需要一个新的OWL DL或Lite模型。进一步的研究需要包括文字对象通过文字对象完成的项目的结构化过程将文字对象转化为资源对象的过程，进一步系统化概念。此外，有必要回顾脊柱的分类和性质，以显示脊柱的解剖信息和具体的疾病信息。另外，提供可视化信息的方法的研究也与KISTI的仿真模型有关。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

参考文献

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