基于本體論的醫(yī)療設(shè)備技術(shù)培訓(xùn)在線學(xué)習(xí)平臺(tái)的構(gòu)建

潘未波

華中科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,湖北 武漢 430074

臨床醫(yī)學(xué)工程是一門(mén)以醫(yī)療設(shè)備為基礎(chǔ)對(duì)象的交叉學(xué)科。隨著醫(yī)療設(shè)備技術(shù)的高速發(fā)展，臨床醫(yī)學(xué)工程師的教育和培訓(xùn)方式也需要不斷創(chuàng)新。筆者應(yīng)用哲學(xué)領(lǐng)域的本體論（Ontology）方法，構(gòu)建了醫(yī)療設(shè)備技術(shù)培訓(xùn)在線學(xué)習(xí)平臺(tái)，將繁雜的技術(shù)培訓(xùn)知識(shí)體系規(guī)范化、系統(tǒng)化、條理化，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)義定義系統(tǒng)化管理培訓(xùn)課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)，旨在為青年臨床醫(yī)學(xué)工程師提供一個(gè)系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)和交流的平臺(tái)。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 本體論

本體最早屬于哲學(xué)范疇，是研究存在的本質(zhì)的哲學(xué)問(wèn)題。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，將本體定義為“構(gòu)成相關(guān)領(lǐng)域詞匯的基本術(shù)語(yǔ)和關(guān)系，及利用這些術(shù)語(yǔ)和關(guān)系構(gòu)成的規(guī)定這些詞匯外延的規(guī)則的定義”。本體的目標(biāo)是捕獲相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)，提供對(duì)該領(lǐng)域知識(shí)的共同理解，確定該領(lǐng)域內(nèi)共同認(rèn)可的詞匯，并從不同層次的形式化模式上給出這些詞匯和詞匯之間相互關(guān)系的明確定義[1]。

語(yǔ)義Web是對(duì)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的術(shù)語(yǔ)化定義，其實(shí)現(xiàn)依賴于3大關(guān)鍵技術(shù)：XML、RDF和本體[2-4]。語(yǔ)義Web中，本體具有非常重要的地位。網(wǎng)絡(luò)本體語(yǔ)言（Web Ontology Language, OWL），旨在提供一種語(yǔ)言，用于描述Web文檔和應(yīng)用中固有的類和類之間的關(guān)系[5]。

1.2 E-Learning

E-Learning（Electronic Learning）是指主要通過(guò)因特網(wǎng)進(jìn)行的學(xué)習(xí)與教學(xué)活動(dòng)，它充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)所提供的、具有全新溝通機(jī)制與豐富資源的學(xué)習(xí)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)一種全新的學(xué)習(xí)方式。這種學(xué)習(xí)方式將改變傳統(tǒng)教學(xué)中教師的作用和師生之間的關(guān)系，從而根本改變教學(xué)結(jié)構(gòu)和教育本質(zhì)。

2 醫(yī)療設(shè)備技術(shù)培訓(xùn)知識(shí)體系構(gòu)建

2.1 本體構(gòu)建理論

新加坡南洋理工大學(xué)的Myo-Myo Naing等人在2002年提出本體的數(shù)學(xué)代數(shù)的形式化定義OWA，被廣泛采用[6]。

OWA（Ontology-based Web Annotation）框架將本體定義為一個(gè)六元組： O={C；AC；R；AR；H；X}，其中C為概念集；AC表示概念的屬性集，AC（ci）即概念ci的屬性集；R表示關(guān)系集，每個(gè)關(guān)系ri（cp，cq）表示概念cp和cq之間的二元關(guān)系；AR表示R的屬性集；H表示概念C的層次關(guān)系，是概念集C中的父子關(guān)系集；公理集X中的每一個(gè)公理是對(duì)C和R屬性值的約束，或是概念對(duì)象之間關(guān)系的約束。

2.2 培訓(xùn)知識(shí)體系構(gòu)建

依據(jù)OWA框架模型，定義醫(yī)療設(shè)備技術(shù)培訓(xùn)的知識(shí)本體，其中包括類（概念集）、屬性、層次關(guān)系的定義[7]。利用Protégé軟件和Graphiz繪圖工具構(gòu)建的醫(yī)療設(shè)備技術(shù)培訓(xùn)知識(shí)本體結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1 醫(yī)療設(shè)備技術(shù)培訓(xùn)知識(shí)本體結(jié)構(gòu)

對(duì)知識(shí)本體內(nèi)容進(jìn)行層次細(xì)化，按設(shè)備種類進(jìn)行劃分，每類設(shè)備都有基本原理、基本操作等培訓(xùn)內(nèi)容，培訓(xùn)內(nèi)容又可以繼續(xù)細(xì)分為各類知識(shí)點(diǎn)元素。

用OWL語(yǔ)言描述以上復(fù)雜的本體網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。對(duì)應(yīng)的部分OWL代碼定義如下：

xmlns:rdf="http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#"

xmlns:owl="http://www.w3.org/2002/07/owl#">

2.3 課程本體設(shè)計(jì)

課程作為技術(shù)培訓(xùn)的基本元素，包括4個(gè)部分：測(cè)試、練習(xí)、資源以及內(nèi)容，每部分又分別包含其基本屬性，屬性的類型為字符串類型（String）。課程本體結(jié)構(gòu)及其相關(guān)屬性，見(jiàn)圖2。如果課程還需要細(xì)分為章節(jié)或知識(shí)點(diǎn)，則可繼續(xù)構(gòu)造章節(jié)與知識(shí)點(diǎn)的類及其相關(guān)屬性。

2.4 課程體系構(gòu)建

Protégé是斯坦福大學(xué)為知識(shí)獲取開(kāi)發(fā)的一個(gè)本體開(kāi)發(fā)工具，利用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的開(kāi)源軟件，提供基于圖形和交互式的知識(shí)本體設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

運(yùn)用Protégé創(chuàng)建用于語(yǔ)義檢索的課程本體實(shí)體，并以RDF、RDF schema或OWL等規(guī)范格式輸出，生成本體結(jié)構(gòu)文件MedDevice.xml。將創(chuàng)建的知識(shí)本體的關(guān)系通過(guò)XML文件直接存入數(shù)據(jù)庫(kù)，以XML形式進(jìn)行約束綁定，并通過(guò)其進(jìn)行格式解析。課程的創(chuàng)建和管理都通過(guò)XML格式的模板進(jìn)行管理。

基于知識(shí)體系的形式化定義，運(yùn)用Protégé軟件，編輯構(gòu)建課程體系[8]。課程體系創(chuàng)建技術(shù)路線，見(jiàn)圖3。

圖3 課程體系創(chuàng)建技術(shù)路線

3 在線學(xué)習(xí)平臺(tái)構(gòu)建

本平臺(tái)采用比利時(shí)魯文大學(xué)的開(kāi)源Claroline平臺(tái)為開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)。Claroline平臺(tái)搭建步驟：

（1）搭建PHP+Apache服務(wù)器平臺(tái)，構(gòu)建MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。安裝WampServer服務(wù)器工具，設(shè)置端口選項(xiàng)，開(kāi)啟Apache和MySQL服務(wù)。測(cè)試訪問(wèn)WampServer設(shè)置主頁(yè)，配置基于PHP的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）安裝Claroline。按照Claroline配置安裝向?qū)В惭bClaroline，并連接數(shù)據(jù)庫(kù)；進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置頁(yè)面，配置權(quán)限與管理界面。

（3）平臺(tái)管理員或課程制作者通過(guò)基于XML模板的平臺(tái)管理界面上傳符合本體結(jié)構(gòu)屬性的課程模板，課程模板都以規(guī)范的XML文件保存。系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用接口，將XML文件從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)入程序中。

4 討論

筆者將課程信息運(yùn)用本體的分析描述方法分解成為計(jì)算機(jī)可理解的形式，使課程信息具有顆粒度小、信息查詢獲取便捷、重用性高、便于共享、易于統(tǒng)計(jì)分析、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)；構(gòu)建了醫(yī)療設(shè)備技術(shù)培訓(xùn)在線學(xué)習(xí)平臺(tái)，為青年臨床醫(yī)學(xué)工程師搭建了技術(shù)培訓(xùn)和交流平臺(tái)。但本體創(chuàng)建的方法和效率還有待提高，之后會(huì)采用更加智能的本體創(chuàng)建方式，構(gòu)建更加完善的本體知識(shí)結(jié)構(gòu)。

[1]Mechouche A,Golbreich C,Morandi X.Ontology-based annotation of brain MRI images[J].AMIA Annu Symp Proc,2008,(6):460-464.

[2]白同強(qiáng),劉磊.語(yǔ)義Web的研究與展望[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2004,22(2):154-159.

[3]顧德訪.語(yǔ)義Web環(huán)境下基于ontology的語(yǔ)義檢索應(yīng)用研究[D].南京:南京理工大學(xué),2005.

[4]陳偉.語(yǔ)義Web服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2006.

[5]徐天任.Web本體語(yǔ)言與語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)言的知識(shí)表示及其轉(zhuǎn)換的研究[D].昆明:云南師范大學(xué),2005.

[6]宋振華.基于本體的Web服務(wù)注解與查找研究[D].鄭州:鄭州大學(xué),2005.

[7]惠長(zhǎng)江.基于本體論的E-Learning系統(tǒng)研究[D].西安:西北大學(xué),2007.

[8]蔡群英,黃鎮(zhèn)建.基于proté gé的課程內(nèi)容本體的構(gòu)建[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2012,21(12):202,209.