Combining ontologies and rules with clinical archetypes

Al igual que otros campos que dependen en gran medida de las funcionalidades ofrecidas por las tecnologías de la información y las comunicaciones (IT), la biomedicina y la salud necesitan cada vez más la implantación de normas y mecanismos ampliamente aceptados para el intercambio de datos, información y conocimiento. Dicha necesidad de compatibilidad e interoperabilidad va más allá de las cuestiones sintácticas y estructurales, pues la interoperabilidad semántica es también requerida. La interoperabilidad a nivel semántico es esencial para el soporte computarizado de alertas, flujos de trabajo y de la medicina basada en evidencia cuando contamos con la presencia de sistemas heterogéneos de Historia Clínica Electrónica (EHR). El modelo de arquetipos clínicos respaldado por el estándar CEN/ISO EN13606 y la fundación openEHR ofrece un mecanismo para expresar las estructuras de datos clínicos de manera compartida e interoperable. El modelo ha ido ganando aceptación en los últimos años por su capacidad para definir conceptos clínicos basados en un Modelo de Referencia común. Dicha separación a dos capas permite conservar la heterogeneidad de las implementaciones de almacenamiento a bajo nivel, presentes en los diferentes sistemas de EHR. Sin embargo, los lenguajes de arquetipos no soportan la representación de reglas clínicas ni el mapeo a ontologías formales, ambos elementos fundamentales para alcanzar la interoperabilidad semántica completa pues permiten llevar a cabo el razonamiento y la inferencia a partir del conocimiento clínico existente. Paralelamente, es reconocido el hecho de que la World Wide Web presenta requisitos análogos a los descritos anteriormente, lo cual ha fomentado el desarrollo de la Web Semántica. El progreso alcanzado en este terreno, con respecto a la representación del conocimiento y al razonamiento sobre el mismo, es combinado en esta tesis con los modelos de EHR con el objetivo de mejorar el enfoque de los arquetipos clínicos y ofrecer funcionalidades que se corresponden con nivel más alto de interoperabilidad semántica. Concretamente, la investigación que se describe a continuación presenta y evalúa un enfoque para traducir automáticamente las definiciones expresadas en el lenguaje de definición de arquetipos de openEHR (ADL) a una representación formal basada en lenguajes de ontologías. El método se implementa en la plataforma ArchOnt, que también es descrita. A continuación se estudia la integración de dichas representaciones formales con reglas clínicas, ofreciéndose un enfoque para reutilizar el razonamiento con instancias concretas de datos clínicos. Es importante ver como el acto de compartir el conocimiento clínico expresado a través de reglas es coherente con la filosofía de intercambio abierto fomentada por los arquetipos, a la vez que se extiende la reutilización a proposiciones de conocimiento declarativo como las utilizadas en las guías de práctica clínica. De esta manera, la tesis describe una técnica de mapeo de arquetipos a ontologías, para luego asociar reglas clínicas a la representación resultante. La traducción automática también permite la conexión formal de los elementos especificados en los arquetipos con conceptos clínicos equivalentes provenientes de otras fuentes como son las terminologías clínicas. Dichos enlaces fomentan la reutilización del conocimiento clínico ya representado, así como el razonamiento y la navegación a través de distintas ontologías clínicas. Otra contribución significativa de la tesis es la aplicación del enfoque mencionado en dos proyectos de investigación y desarrollo clínico, llevados a cabo en combinación con hospitales universitarios de Madrid. En la explicación se incluyen ejemplos de las aplicaciones más representativas del enfoque como es el caso del desarrollo de sistemas de alertas orientados a mejorar la seguridad del paciente. No obstante, la traducción automática de arquetipos clínicos a lenguajes de ontologías constituye una base común para la implementación de una amplia gama de actividades semánticas, razonamiento y validación, evitándose así la necesidad de aplicar distintos enfoques ad-hoc directamente sobre los arquetipos para poder satisfacer las condiciones de cada contexto

Implementing electronic scales to support standardized phenotypic data collection - the case of the Scale for the Assessment and Rating of Ataxia (SARA)

The main objective of this doctoral thesis was to facilitate the integration of the semantics required to automatically interpret collections of standardized clinical data. In order to address the objective, we combined the best performances from clinical archetypes, guidelines and ontologies for developing an electronic prototype for the Scale of the Assessment and Rating of Ataxia (SARA), broadly used in neurology. A scaled-down version of the Human Phenotype Ontology was automatically extracted and used as backbone to normalize the content of the SARA through clinical archetypes. The knowledge required to exploit reasoning on the SARA data was modeled as separate information-processing units interconnected via the defined archetypes. Based on this approach, we implemented a prototype named SARA Management System, to be used for both the assessment of cerebellar syndrome and the production of a clinical synopsis. For validation purposes, we used recorded SARA data from 28 anonymous subjects affected by SCA36. Our results reveal a substantial degree of agreement between the results achieved by the prototype and human experts, confirming that the combination of archetypes, ontologies and guidelines is a good solution to automate the extraction of relevant phenotypic knowledge from plain scores of rating scales

An ontology-aware integration of clinical models, terminologies and guidelines: an exploratory study of the Scale for the Assessment and Rating of Ataxia (SARA)

Background: Electronic rating scales represent an important resource for standardized data collection. However, the ability to exploit reasoning on rating scale data is still limited. The objective of this work is to facilitate the integration of the semantics required to automatically interpret collections of standardized clinical data. We developed an electronic prototype for the Scale of the Assessment and Rating of Ataxia (SARA), broadly used in neurology. In order to address the modeling challenges of the SARA, we propose to combine the best performances from OpenEHR clinical archetypes, guidelines and ontologies. Methods: A scaled-down version of the Human Phenotype Ontology (HPO) was built, extracting the terms that describe the SARA tests from free-text sources. This version of the HPO was then used as backbone to normalize the content of the SARA through clinical archetypes. The knowledge required to exploit reasoning on the SARA data was modeled as separate information-processing units interconnected via the defined archetypes. Each unit used the most appropriate technology to formally represent the required knowledge. Results: Based on this approach, we implemented a prototype named SARA Management System, to be used for both the assessment of cerebellar syndrome and the production of a clinical synopsis. For validation purposes, we used recorded SARA data from 28 anonymous subjects affected by Spinocerebellar Ataxia Type 36 (SCA36). When comparing the performance of our prototype with that of two independent experts, weighted kappa scores ranged from 0.62 to 0.86. Conclusions: The combination of archetypes, phenotype ontologies and electronic information-processing rules can be used to automate the extraction of relevant clinical knowledge from plain scores of rating scales. Our results reveal a substantial degree of agreement between the results achieved by an ontology-aware system and the human experts.This work presented in this paper was supported by the National Institute of Health Carlos III [grant no. FIS2012-PI12/00373: OntoNeurophen], FEDER for national and European funding; PEACE II, Erasmus Mundus Lot 2 Project [grant no. 2013-2443/001-001-EMA2]; and the Modern University for Business and Science (M.U.B.S)S

Establishment of Requirements and Methodology for the Development and Implementation of GreyMatters, a Memory Clinic Information System

INTRODUCTION: The aim of the paper is to establish the requirements and methodology for the development process of GreyMatters, a memory clinic system, outlining the conceptual, practical, technical and ethical challenges, and the experiences of capturing clinical and research oriented data along with the implementation of the system. METHODS: The methodology for development of the information system involved phases of requirements gathering, modeling and prototype creation, and 'bench testing' the prototype with experts. The standard Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) recommended approach for the specifications of software requirements was adopted. An electronic health record (EHR) standard, EN13606 was used, and clinical modelling was done through archetypes and the project complied with data protection and privacy legislation. RESULTS: The requirements for GreyMatters were established. Though the initial development was complex, the requirements, methodology and standards adopted made the construction, deployment, adoption and population of a memory clinic and research database feasible. The electronic patient data including the assessment scales provides a rich source of objective data for audits and research and to establish study feasibility and identify potential participants for the clinical trials. CONCLUSION: The establishment of requirements and methodology, addressing issues of data security and confidentiality, future data compatibility and interoperability and medico-legal aspects such as access controls and audit trails, led to a robust and useful system. The evaluation supports that the system is an acceptable tool for clinical, administrative, and research use and forms a useful part of the wider information architecture

Design and implementation of a federated health record server

This paper describes the practical implementation of a federated health record serverbased on a generic and comprehensive public domain architecture and deployed in alive clinical setting.The authors, working at the Centre for Health Informatics and MultiprofessionalEducation (University College London), have built up over a decade of experiencewithin Europe on the requirements and information models that are needed to underpincomprehensive multi-professional electronic health records. This work has involvedcollaboration with a wide range of healthcare and informatics organisations and partnersin the healthcare computing industry across Europe though the EU Health Telematicsprojects GEHR, Synapses, EHCR-SupA, SynEx and Medicate. The resultingarchitecture models have influenced recent European standards in this area, such asCEN TC/251 ENV 13606. UCL has now designed and built a federated health recordserver based on these models which is now running in the Department ofCardiovascular Medicine at the Whittington Hospital in north London. A new EC FifthFramework project, 6WINIT, is enabling new and innovative IPv6 and wirelesstechnology solutions to be added to this work.The north London clinical demonstrator site has provided the solid basis from which toestablish "proof of concept" verification of the design approach, and a valuableopportunity to install, test and evaluate the results of the component engineeringundertaken during the EC funded projects

Combining ontologies and rules with clinical archetypes

Al igual que otros campos que dependen en gran medida de las funcionalidades ofrecidas por las tecnologías de la información y las comunicaciones (IT), la biomedicina y la salud necesitan cada vez más la implantación de normas y mecanismos ampliamente aceptados para el intercambio de datos, información y conocimiento. Dicha necesidad de compatibilidad e interoperabilidad va más allá de las cuestiones sintácticas y estructurales, pues la interoperabilidad semántica es también requerida. La interoperabilidad a nivel semántico es esencial para el soporte computarizado de alertas, flujos de trabajo y de la medicina basada en evidencia cuando contamos con la presencia de sistemas heterogéneos de Historia Clínica Electrónica (EHR). El modelo de arquetipos clínicos respaldado por el estándar CEN/ISO EN13606 y la fundación openEHR ofrece un mecanismo para expresar las estructuras de datos clínicos de manera compartida e interoperable. El modelo ha ido ganando aceptación en los últimos años por su capacidad para definir conceptos clínicos basados en un Modelo de Referencia común. Dicha separación a dos capas permite conservar la heterogeneidad de las implementaciones de almacenamiento a bajo nivel, presentes en los diferentes sistemas de EHR. Sin embargo, los lenguajes de arquetipos no soportan la representación de reglas clínicas ni el mapeo a ontologías formales, ambos elementos fundamentales para alcanzar la interoperabilidad semántica completa pues permiten llevar a cabo el razonamiento y la inferencia a partir del conocimiento clínico existente. Paralelamente, es reconocido el hecho de que la World Wide Web presenta requisitos análogos a los descritos anteriormente, lo cual ha fomentado el desarrollo de la Web Semántica. El progreso alcanzado en este terreno, con respecto a la representación del conocimiento y al razonamiento sobre el mismo, es combinado en esta tesis con los modelos de EHR con el objetivo de mejorar el enfoque de los arquetipos clínicos y ofrecer funcionalidades que se corresponden con nivel más alto de interoperabilidad semántica. Concretamente, la investigación que se describe a continuación presenta y evalúa un enfoque para traducir automáticamente las definiciones expresadas en el lenguaje de definición de arquetipos de openEHR (ADL) a una representación formal basada en lenguajes de ontologías. El método se implementa en la plataforma ArchOnt, que también es descrita. A continuación se estudia la integración de dichas representaciones formales con reglas clínicas, ofreciéndose un enfoque para reutilizar el razonamiento con instancias concretas de datos clínicos. Es importante ver como el acto de compartir el conocimiento clínico expresado a través de reglas es coherente con la filosofía de intercambio abierto fomentada por los arquetipos, a la vez que se extiende la reutilización a proposiciones de conocimiento declarativo como las utilizadas en las guías de práctica clínica. De esta manera, la tesis describe una técnica de mapeo de arquetipos a ontologías, para luego asociar reglas clínicas a la representación resultante. La traducción automática también permite la conexión formal de los elementos especificados en los arquetipos con conceptos clínicos equivalentes provenientes de otras fuentes como son las terminologías clínicas. Dichos enlaces fomentan la reutilización del conocimiento clínico ya representado, así como el razonamiento y la navegación a través de distintas ontologías clínicas. Otra contribución significativa de la tesis es la aplicación del enfoque mencionado en dos proyectos de investigación y desarrollo clínico, llevados a cabo en combinación con hospitales universitarios de Madrid. En la explicación se incluyen ejemplos de las aplicaciones más representativas del enfoque como es el caso del desarrollo de sistemas de alertas orientados a mejorar la seguridad del paciente. No obstante, la traducción automática de arquetipos clínicos a lenguajes de ontologías constituye una base común para la implementación de una amplia gama de actividades semánticas, razonamiento y validación, evitándose así la necesidad de aplicar distintos enfoques ad-hoc directamente sobre los arquetipos para poder satisfacer las condiciones de cada contexto

TransformEHRs: a flexible methodology for building transparent ETL processes for EHR reuse

Background: During the COVID-19 pandemic, several methodologies were designed for obtaining electronic health record (EHR)-derived datasets for research. These processes are often based on black boxes, on which clinical researchers are unaware of how the data were recorded, extracted, and transformed. In order to solve this, it is essential that extract, transform, and load (ETL) processes are based on transparent, homogeneous, and formal methodologies, making them understandable, reproducible, and auditable. Objectives: This study aims to design and implement a methodology, according with FAIR Principles, for building ETL processes (focused on data extraction, selection, and transformation) for EHR reuse in a transparent and flexible manner, applicable to any clinical condition and health care organization. Methods: The proposed methodology comprises four stages: (1) analysis of secondary use models and identification of data operations, based on internationally used clinical repositories, case report forms, and aggregated datasets; (2) modeling and formalization of data operations, through the paradigm of the Detailed Clinical Models; (3) agnostic development of data operations, selecting SQL and R as programming languages; and (4) automation of the ETL instantiation, building a formal configuration file with XML. Results: First, four international projects were analyzed to identify 17 operations, necessary to obtain datasets according to the specifications of these projects from the EHR. With this, each of the data operations was formalized, using the ISO 13606 reference model, specifying the valid data types as arguments, inputs and outputs, and their cardinality. Then, an agnostic catalog of data was developed through data-oriented programming languages previously selected. Finally, an automated ETL instantiation process was built from an ETL configuration file formally defined. Conclusions: This study has provided a transparent and flexible solution to the difficulty of making the processes for obtaining EHR-derived data for secondary use understandable, auditable, and reproducible. Moreover, the abstraction carried out in this study means that any previous EHR reuse methodology can incorporate these results into them.Ministerio de Economía y Competitividad Instituto de Salud Carlos III PI18/00981, PI18/01047, PI18CIII/00019.S

Information architecture for a federated health record server

This paper describes the information models that have been used to implement a federated health record server and to deploy it in a live clinical setting. The authors, working at the Centre for Health Informatics and Multiprofessional Education (University College London), have built up over a decade of experience within Europe on the requirements and information models that are needed to underpin comprehensive multi-professional electronic health records. This work has involved collaboration with a wide range of health care and informatics organisations and partners in the healthcare computing industry across Europe though the EU Health Telematics projects GEHR, Synapses, EHCR-SupA, SynEx and Medicate. The resulting architecture models have fed into recent European standardisation work in this area, such as CEN TC/251 ENV 13606. UCL has implemented a federated health record server based on these models which is now running in the Department of Cardiovascular Medicine at the Whittington Hospital in North London. The information models described in this paper reflect a refinement based on this implementation experience