Wissensbasen und Expertensysteme in der Medizin: Kl-Ansätze zwischen klinischer Entscheidungsunterstützung und medizinischem Wissensmanagement PDF
Preview Wissensbasen und Expertensysteme in der Medizin: Kl-Ansätze zwischen klinischer Entscheidungsunterstützung und medizinischem Wissensmanagement
Cord Spreckelsen I Klaus Spitzer Wissensbasen und Expertensysteme in der Medizin Medizinische Informatik Herausgegeben von Prof. Dr.rer. nat. Heinz Handels, Hamburg Prof. Dr.Dr.Siegfried Pappi, Lubeck DieStudienbiicher Medizinische Informatik behandeln anschaulich, syste matisch undfachlich fundiert Themen ausder Medizinischen Informatik entsprechend dem aktuellen Stand derWissenschaft. Die BandederReihe wenden sich sowohl anStudierende der Informatik und Medizinischen Informatik im Haupt-und Nebenfach an Universitaten und Fachhochschulen als auch an Lehrende und Praktiker. www.viewegteubner.de -------' I Cord Spreckelsen Klaus Spitzer Wissensbasen und Expertensysteme in der Medizin Kl-Ansatze zwischen klinischer Entscheidungsunterstutzung und medizinischem Wissensmanagement STUDIUM I I VIEWEG+ TEUBNER Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnet diesePublikation inder Deutschen Nationalbibliografie;detaillierte bibliografische Datensindim Internet uber <http://dnb.d-nb.de>abrufbar. 1.Auflage2008 Aile Rechtevorbehalten © Vieweg+Teubner[GWV FachverlageGmbH,Wiesbaden2008 Lektorat: Ulrich Sandten I KerstinHoffmann Vieweg+TeubneristTeilder FachverlagsgruppeSpringerScience+BusinessMedia. www.viewegteubner.de Das Werk einschlieBlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiltzt. Jede Verwertung auBerhalb der engen Grenzendes Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulassig und strafbar. Das gilt insbesondere fur Vervielfaltlgungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung undVerarbeitung inelektronischen Systemen. DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnungnicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinneder Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebungalsfrei zubetrachten waren und daher vonjedermann benutzt werdendiirften. Umschlaggestaltung: Kunkell.opkaMedienentwicklung, Heidelberg Druck undbuchbinderische Verarbeitung: StraussOffsetdruck, Miirlenbach Gedruckt aufsaurefreiern undchlorfrei gebleichtem Papier. PrintedinGermany ISBN978-3-8351-0251-4 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 Ausgangspunktund Entwicklung . 1 1.2 Aufbaudes Buches . . . . . . . . 4 I Grundlagen 7 2 MedizinischeWissensverarbeitung- Anwendungsszenarien 9 2.I Verftigbarkeitvon Wissen. . . . . . . . 10 2.2 BesonderheitenmedizinischenWissens ..... 10 2.3 KlassischeSystemansatze . . . . . . . . . . . . . 11 2.4 Anwendungsproblematikund Integrationsaspekte 17 2.5 Aktuelle Anwendungsfelder . . . . . . . . . . . 19 3 BegriffskIarungen 27 3.1 Wissen .... 27 3.2 Symbolverarbeitung. 28 3.3 Konnektionismus .. 29 4 Formale Grundlagen- Wissensreprasentationund Inferenz 31 4.1 Syntax, Semantik,PragmatikeinerSprache 31 4.2 FormaleLogik .... 32 4.3 FoIgerungund Kalktil . . . 35 4.4 Aussagenlogik....... 38 4.5 AussagenlogischeKalktile 41 4.6 PradikatenlogikersterStufe . 51 4.7 PradikatenlogischeKalktile . 57 4.8 NichtmonotonesSchlieBen 63 4.9 Weitereformale Logiken .. 65 5 Formale Grundlagen- NeuronaleNetze 67 5.1 Basiselemente. 67 5.2 Netztopologien . 68 5.3 Lemen . 70 5.4 Anwendungsgebiete. 71 VI Inhaltsverzeichnis II Medizinische Wissensreprasentation und Inferenz 75 6 DatenbankenundWissensreprasentation 77 6.1 RelationaleDatenbanken . . . . 78 6.2 Entity-RelationshipDiagramme 84 6.3 Datenbankabfragen... 94 6.4 DeduktiveDatenbanken. . . . . 98 6.5 Data Mining. . . . . . . . . . . 103 6.6 ObjektorientierteDatenmodelle . 109 7 SpezielleReprasentationsformateund Inferenzstrategien 119 7.1 Entscheidungstafelnund -diagramme . 120 7.2 Regeln . 125 7.3 SemantischeNetze und Frames. 131 7.4 Beschreibungslogiken . 134 7.5 ArdenSyntax . . . . . . . . . . 143 7.6 Systemarchitekturund Strategiekompontenten . 146 III EntscheidungsunterstiitzungunterUnsicherheit 151 8 Verarbeitnng unsicherenmedizinischenWissens 153 8.1 Unsicheres Wissen inder Medizin 153 8.2 Certainty-Faktoren . 154 8.3 Dempster-ShaferEvidenztheorie 157 8.4 Fuzzy Logik. . . . . . . . . . . 161 8.5 RoughSets . . . . . . . . . . . 167 8.6 GrundlagenprobabilistischerAnsatze 171 8.7 BayesschesSchlieBen . 177 8.8 Bayes-Netze . 179 9 EntscheidnngsanalyseimklinischenKontext 185 9.1 ErweiterteEntscheidungsbaume . 185 9.2 Entscheidungsanalyse . 189 9.3 Leitlinien und Behandlungspfade . 192 IV Medizinisches Knowledge Engineering 197 10 Grundbegriffe 199 10.1 Ubersicht . . . . . . . . . . . . . . . 199 10.2 Akquisitionsansatze . . . . . . . . . . . 199 10.3 Wissensakquisitionals Modellbildung . 201 10.4 Wissensmanagement . . . . . . . . . .202 Inhaltsverzeichnis VII 10.5 WissensarteninderMedizin .204 10.6 Wissenserhebung ... .209 11 Akquisitionsmethodologien 215 I1.1 OntologiebasierteWissensakquisition . 216 11.2 Ontologieninden Biowissenschaften. .220 I1.3 KADS undCommonKADS. . . . . . . 221 11.4 EvolutionareAnsatze . . . . . . . . . .225 11.5 Werkzeuge des Knowledge Engineerings . .226 12 Evaluation 229 12.1 Evaluationsmethodik .229 12.2 AusgewahlteErgebnisse .240 Anhang 245 A LosungenderSelbsttestaufgaben 247 Abbildungsverzeichnis 261 Literaturverzeichnis 265 Abkiirzungsverzeichnis 273 Sachverzeichnis 275 1 Einleitung 1.1 Ausgangspunkt und Entwicklung Konnten nicht Computerprogramme, die etwas vonMedizin verstehen, dabei helfen, schnellere undbessere medizinischeEntscheidungenzutreffen? Bereits imJahr 1959publiziertenA. LED LEY und B. LUSTED [LL59] die Idee, dafur medizinisches Wissen zu formalisieren und durch Algorithmen zu verarbeiten. Wenn von Wissensbasierten Systemen inder Medizin die Rede ist, geht esgrundsatzlichnoch immerdarum. Vorausgegangen war im Jahre 1956 ein - inzwischen berlihmter - Workshop in Dartmouth. Er giltalsGeburtsstundeder Kiinstlichenlntelligenz(Kl). SeineTeilnehmerbrachten dieForschung auf diesem Gebiet in den folgenden Jahren entscheidend voran. Anfang der 1970er Jahre ent standen dann Systeme, diealsklassische medizinischeExpertensystemeeine Pionierrolleftirdie weitere Entwicklungder KIspielten. Solche ExpertensystemesindSpezialfallewissensbasierter Systeme. Sie versuchen dieFahigkeitenmenschlicherExpertennachzubilden. Jahr Abbi1dung1.1: Entwick1ung der Publikationstatigkeit in den Biowissenschaften zum Thema »Experten systeme« seit 1985. Die Daten entstammender bib1iographischen DatenbankMed1ine.Dargestelltist die Zah1derimjewei1igenJahr veroffentlichenFachartike1zumMeSH-Sch1agwort»ExpertSystems«. 2 1 Einleitung Vi 'e". .. e ,cg '" :~c :::> 0.. Jahr Abbildung 1.2: Wissenschaftliche Publikationstatigkeir im biomedizinischen Bereich zum Thema »Ent scheidungsunterstiitzungssysteme« (Datengrundlage: Medline - Zahl der jahrlich neu veroffentlichten Fachartikelzum MeSH-Schlagwort»DecisionSupportSystems,Clinical«) Expertensysteme sollten - so die Hoffnung - hochspezialisiertes medizinisches Fachwissen si mulieren und so auch aulserhalb von Spezialkliniken oder Zentren verfugbar machen. Gerade diehohen ErwartungenandiagnostischeundtherapeutischeExpertensystemeerfulltensichaber nicht. Tatsachlich konnten sich diese Systeme nicht dauerhaft inder klinischen Routine etablie reno Inzwischen wurden Wissensbasierte Systeme in einigen medizinischen Anwendungsfeldern Z.B.fur dieintensivmedizinischePrognose, zurEKG-Interpretationoder Klassifikation vonLa bordaten - erfolgreichund nutzbringendeingesetzt. Erfolgreich waren wissensbasierte Ansatze, wenn siegenau definierte TeilaufgabenimRahmen klinischerRoutinenlosten undsich modular in andere informationsverarbeitende Systeme einbetten Iiefsen, oder Medizinernbei der eigenen klinischen Problemli::isungassistierten. Der Blick aufdie wissensschaftlichePublikationstatigkeitist aufschlussreich: Abdem Ende der 1980erJahre wurden im biomedizinischen Bereich fureinknappes Jahrzehntdeutlich mehr Pu blikationen zum Schlagwort »Expertensystem« veroffentlichtals seitEnde der 1990erJahre bis 2007. Erst seit 2005 scheint sich das Feld wieder etwas zu beleben (s. Abbildung 1.1). Publi kationen zum Schlagwort »Entscheidungsunterstlitzungssystem« kommen bis 1995 nicht vor, urn danach rasant anzusteigen und sich in den letzten erfassten Jahrgangen zu stabilisieren (s. Abbildung 1.2). Dem Schlagwort »Kimstliche Intelligenz« ist eine seit Mitte der 1980er Jah re kontinuierlich stark steigende (und insgesamt hohe) Zahl von Publikationen zuzuordnen (s. Abbildung 1.3). 1 IDieZahlenangaben wurden aus derfur den biomedizinischen Bereich mafigeblichenbibliographischen Datenbank
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