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

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

DETAILED CLINICAL MODELS AND THEIR RELATION WITH ELECTRONIC HEALTH RECORDS

Tesis por compendio[EN] Healthcare domain produces and consumes big quantities of people's health data. Although data exchange is the norm rather than the exception, being able to access to all patient data is still far from achieved. Current developments such as personal health records will introduce even more data and complexity to the Electronic Health Records (EHR). Achieving semantic interoperability is one of the biggest challenges to overcome in order to benefit from all the information contained in the distributed EHR. This requires that the semantics of the information can be understood by all involved parties. It has been stablished that three layers are needed to achieve semantic interoperability: Reference models, clinical models (archetypes), and clinical terminologies. As seen in the literature, information models (reference models and clinical models) are lacking methodologies and tools to improve EHR systems and to develop new systems that can be semantically interoperable. The purpose of this thesis is to provide methodologies and tools for advancing the use of archetypes in three different scenarios: - Archetype definition over specifications with no dual model architecture native support. Any EHR architecture that directly or indirectly has the notion of detailed clinical models (such as HL7 CDA templates) can be potentially used as a reference model for archetype definition. This allows transforming single-model architectures (which contain only a reference model) into dual-model architectures (reference model with archetypes). A set of methodologies and tools has been developed to support the definition of archetypes from multiple reference models. - Data transformation. A complete methodology and tools are proposed to deal with the transformation of legacy data into XML documents compliant with the archetype and the underlying reference model. If the reference model is a standard then the transformation is a standardization process. The methodologies and tools allow both the transformation of legacy data and the transformation of data between different EHR standards. - Automatic generation of implementation guides and reference materials from archetypes. A methodology for the automatic generation of a set of reference materials is provided. These materials are useful for the development and use of EHR systems. These reference materials include data validators, example instances, implementation guides, human-readable formal rules, sample forms, mindmaps, etc. These reference materials can be combined and organized in different ways to adapt to different types of users (clinical or information technology staff). This way, users can include the detailed clinical model in their organization workflow and cooperate in the model definition. These methodologies and tools put clinical models as a key part of the system. The set of presented methodologies and tools ease the achievement of semantic interoperability by providing means for the semantic description, normalization, and validation of existing and new systems.[ES] El sector sanitario produce y consume una gran cantidad de datos sobre la salud de las personas. La necesidad de intercambiar esta información es una norma más que una excepción, aunque este objetivo está lejos de ser alcanzado. Actualmente estamos viviendo avances como la medicina personalizada que incrementarán aún más el tamaño y complejidad de la Historia Clínica Electrónica (HCE). La consecución de altos grados de interoperabilidad semántica es uno de los principales retos para aprovechar al máximo toda la información contenida en las HCEs. Esto a su vez requiere una representación fiel de la información de tal forma que asegure la consistencia de su significado entre todos los agentes involucrados. Actualmente está reconocido que para la representación del significado clínico necesitamos tres tipos de artefactos: modelos de referencia, modelos clínicos (arquetipos) y terminologías. En el caso concreto de los modelos de información (modelos de referencia y modelos clínicos) se observa en la literatura una falta de metodologías y herramientas que faciliten su uso tanto para la mejora de sistemas de HCE ya existentes como en el desarrollo de nuevos sistemas con altos niveles de interoperabilidad semántica. Esta tesis tiene como propósito proporcionar metodologías y herramientas para el uso avanzado de arquetipos en tres escenarios diferentes: - Definición de arquetipos sobre especificaciones sin soporte nativo al modelo dual. Cualquier arquitectura de HCE que posea directa o indirectamente la noción de modelos clínicos detallados (por ejemplo, las plantillas en HL7 CDA) puede ser potencialmente usada como modelo de referencia para la definición de arquetipos. Con esto se consigue transformar arquitecturas de HCE de modelo único (solo con modelo de referencia) en arquitecturas de doble modelo (modelo de referencia + arquetipos). Se han desarrollado metodologías y herramientas que faciliten a los editores de arquetipos el soporte a múltiples modelos de referencia. - Transformación de datos. Se propone una metodología y herramientas para la transformación de datos ya existentes a documentos XML conformes con los arquetipos y el modelo de referencia subyacente. Si el modelo de referencia es un estándar entonces la transformación será un proceso de estandarización de datos. La metodología y herramientas permiten tanto la transformación de datos no estandarizados como la transformación de datos entre diferentes estándares. - Generación automática de guías de implementación y artefactos procesables a partir de arquetipos. Se aporta una metodología para la generación automática de un conjunto de materiales de referencia de utilidad en el desarrollo y uso de sistemas de HCE, concretamente validadores de datos, instancias de ejemplo, guías de implementación , reglas formales legibles por humanos, formularios de ejemplo, mindmaps, etc. Estos materiales pueden ser combinados y organizados de diferentes modos para facilitar que los diferentes tipos de usuarios (clínicos, técnicos) puedan incluir los modelos clínicos detallados en el flujo de trabajo de su sistema y colaborar en su definición. Estas metodologías y herramientas ponen los modelos clínicos como una parte clave en el sistema. El conjunto de las metodologías y herramientas presentadas facilitan la consecución de la interoperabilidad semántica al proveer medios para la descripción semántica, normalización y validación tanto de sistemas nuevos como ya existentes.[CA] El sector sanitari produeix i consumeix una gran quantitat de dades sobre la salut de les persones. La necessitat d'intercanviar aquesta informació és una norma més que una excepció, encara que aquest objectiu està lluny de ser aconseguit. Actualment estem vivint avanços com la medicina personalitzada que incrementaran encara més la grandària i complexitat de la Història Clínica Electrònica (HCE). La consecució d'alts graus d'interoperabilitat semàntica és un dels principals reptes per a aprofitar al màxim tota la informació continguda en les HCEs. Açò, per la seua banda, requereix una representació fidel de la informació de tal forma que assegure la consistència del seu significat entre tots els agents involucrats. Actualment està reconegut que per a la representació del significat clínic necessitem tres tipus d'artefactes: models de referència, models clínics (arquetips) i terminologies. En el cas concret dels models d'informació (models de referència i models clínics) s'observa en la literatura una mancança de metodologies i eines que en faciliten l'ús tant per a la millora de sistemes de HCE ja existents com per al desenvolupament de nous sistemes amb alts nivells d'interoperabilitat semàntica. Aquesta tesi té com a propòsit proporcionar metodologies i eines per a l'ús avançat d'arquetips en tres escenaris diferents: - Definició d'arquetips sobre especificacions sense suport natiu al model dual. Qualsevol arquitectura de HCE que posseïsca directa o indirectament la noció de models clínics detallats (per exemple, les plantilles en HL7 CDA) pot ser potencialment usada com a model de referència per a la definició d'arquetips. Amb açò s'aconsegueix transformar arquitectures de HCE de model únic (solament amb model de referència) en arquitectures de doble model (model de referència + arquetips). S'han desenvolupat metodologies i eines que faciliten als editors d'arquetips el suport a múltiples models de referència. - Transformació de dades. Es proposa una metodologia i eines per a la transformació de dades ja existents a documents XML conformes amb els arquetips i el model de referència subjacent. Si el model de referència és un estàndard llavors la transformació serà un procés d'estandardització de dades. La metodologia i eines permeten tant la transformació de dades no estandarditzades com la transformació de dades entre diferents estàndards. - Generació automàtica de guies d'implementació i artefactes processables a partir d'arquetips. S'hi inclou una metodologia per a la generació automàtica d'un conjunt de materials de referència d'utilitat en el desenvolupament i ús de sistemes de HCE, concretament validadors de dades, instàncies d'exemple, guies d'implementació, regles formals llegibles per humans, formularis d'exemple, mapes mentals, etc. Aquests materials poden ser combinats i organitzats de diferents maneres per a facilitar que els diferents tipus d'usuaris (clínics, tècnics) puguen incloure els models clínics detallats en el flux de treball del seu sistema i col·laborar en la seua definició. Aquestes metodologies i eines posen els models clínics com una part clau del sistemes. El conjunt de les metodologies i eines presentades faciliten la consecució de la interoperabilitat semàntica en proveir mitjans per a la seua descripció semàntica, normalització i validació tant de sistemes nous com ja existents.Boscá Tomás, D. (2016). DETAILED CLINICAL MODELS AND THEIR RELATION WITH ELECTRONIC HEALTH RECORDS [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62174TESISCompendi

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

SemDQ: A Semantic Framework for Data Quality Assessment

Objective: Access to, and reliance upon, high quality data is an enabling cornerstone of modern health delivery systems. Sadly, health systems are often awash with poor quality data which contributes both to adverse outcomes and can compromise the search for new knowledge. Traditional approaches to purging poor data from health information systems often require manual, laborious and time-consuming procedures at the collection, sanitizing and processing stages of the information life cycle with results that often remain sub-optimal. A promising solution may lie with semantic technologies - a family of computational standards and algorithms capable of expressing and deriving the meaning of data elements. Semantic approaches purport to offer the ability to represent clinical knowledge in ways that can support complex searching and reasoning tasks. It is argued that this ability offers exciting promise as a novel approach to assessing and improving data quality. This study examines the effectiveness of semantic web technologies as a mechanism by which high quality data can be collected and assessed in health settings. To make this assessment, key study objectives include determining the ability to construct of valid semantic data model that sufficiently expresses the complexity present in the data as well as the development of a comprehensive set of validation rules that can be applied semantically to test the effectiveness of the proposed semantic framework. Methods: The Semantic Framework for Data Quality Assessment (SemDQ) was designed. A core component of the framework is an ontology representing data elements and their relationships in a given domain. In this study, the ontology was developed using openEHR standards with extensions to capture data elements used in for patient care and research purposes in a large organ transplant program. Data quality dimensions were defined and corresponding criteria for assessing data quality were developed for each dimension. These criteria were then applied using semantic technology to an anonymized research dataset containing medical data on transplant patients. Results were validated by clinical researchers. Another test was performed on a simulated dataset with the same attributes as the research dataset to confirm the computational accuracy and effectiveness of the framework. Results: A prototype of SemDQ was successfully implemented, consisting of an ontological model integrating the openEHR reference model, a vocabulary of transplant variables and a set of data quality dimensions. Thirteen criteria in three data quality dimensions were transformed into computational constructs using semantic web standards. Reasoning and logic inconsistency checking were first performed on the simulated dataset, which contains carefully constructed test cases to ensure the correctness and completeness of logical computation. The same quality checking algorithms were applied to an established research database. Data quality defects were successfully identified in the dataset which was manually cleansed and validated periodically. Among the 103,505 data entries, application of two criteria did not return any error, while eleven of the criteria detected erroneous or missing data, with the error rates ranging from 0.05% to 79.9%. Multiple review sessions were held with clinical researchers to verify the results. The SemDQ framework was refined to reflect the intricate clinical knowledge. Data corrections were implemented in the source dataset as well as in the clinical system used in the transplant program resulting in improved quality of data for both clinical and research purposes. Implications: This study demonstrates the feasibility and benefits of using semantic technologies in data quality assessment processes. SemDQ is based on semantic web standards which allows easy reuse of rules and leverages generic reasoning engines for computation purposes. This mechanism avoids the shortcomings that come with proprietary rule engines which often make ruleset and knowledge developed for one dataset difficult to reuse in different datasets, even in a similar clinical domain. SemDQ can implement rules that have shown to have a greater capacity of detect complex cross-reference logic inconsistencies. In addition, the framework allows easy extension of knowledge base to cooperate more data types and validation criteria. It has the potential to be incorporated into current workflow in clinical care setting to reduce data errors during the process of data capture

An Extended Semantic Interoperability Model for Distributed Electronic Health Record Based on Fuzzy Ontology Semantics

Semantic interoperability of distributed electronic health record (EHR) systems is a crucial problem for querying EHR and machine learning projects. The main contribution of this paper is to propose and implement a fuzzy ontology-based semantic interoperability framework for distributed EHR systems. First, a separate standard ontology is created for each input source. Second, a unified ontology is created that merges the previously created ontologies. However, this crisp ontology is not able to answer vague or uncertain queries. We thirdly extend the integrated crisp ontology into a fuzzy ontology by using a standard methodology and fuzzy logic to handle this limitation. The used dataset includes identified data of 100 patients. The resulting fuzzy ontology includes 27 class, 58 properties, 43 fuzzy data types, 451 instances, 8376 axioms, 5232 logical axioms, 1216 declarative axioms, 113 annotation axioms, and 3204 data property assertions. The resulting ontology is tested using real data from the MIMIC-III intensive care unit dataset and real archetypes from openEHR. This fuzzy ontology-based system helps physicians accurately query any required data about patients from distributed locations using near-natural language queries. Domain specialists validated the accuracy and correctness of the obtained resultsThis work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korean government (MSIT) (NRF-2021R1A2B5B02002599)S

Computing Healthcare Quality Indicators Automatically: Secondary Use of Patient Data and Semantic Interoperability

Harmelen, F.A.H. van [Promotor]Keizer, N.F. de [Copromotor]Cornet, R. [Copromotor]Teije, A.C.M. [Copromotor

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

Exploring openEHR-based clinical guidelines in acute stroke care and research

Largely speaking, health information systems today are not able to exchange data between each other and understand the data’s meaning automatically by means of their information technology components. This lack of ‘interoperability’ also leads to patients experiencing an undesired discontinuity in their care. This thesis is a part of a health informatics field which tackles interoperability barriers by offering standardised information models for electronic health records. More specifically, this work explores possibilities of combining standardised information models offered by the openEHR interoperability approach with knowledge from evidence-based clinical practice guidelines. The applied methodology includes openEHR archetypes, the openEHR reference information model, standard medical terminologies such as SNOMED CT, the international stroke treatment registry SITS, a newly developed model for representing guideline knowledge (the ‘Care Entry-Network Model’), and rules authored in the Guideline Definition Language, a formalism recently endorsed by openEHR as a part of its specifications. The study design used is based on evaluating the work done by means of retrospectively checking the compliance of completed patient cases with guidelines from the domain of acute stroke management in Europe, both experimentally and using thousands of real patient cases from SITS. Our overall findings are that i) the Care Entry-Network Model facilitates an intermediate step between narrative guideline text and computer-interpretable guidelines to be deployed in openEHR systems, ii) the Guideline Definition Language is practicable for creating and automatically running openEHR-based computer-interpretable guidelines, where we also provide detailed accounts of our employed GDL technologies, and iii) the Guideline Definition Language combined with real patient data from patient data registries can generate new clinical knowledge, which in our case has benefited stroke carers and researchers working with acute stroke thrombolysis. In conclusion, using our methodology, health care stakeholders would get evidence-based knowledge components in their electronic health records based on shareable, well maintainable information and knowledge models in the form of archetypes and GDL rules respectively. However, our approach still needs to be tested at the point of clinical decision making and compared to other approaches for providing exchangeable computer-interpretable guidelines

A Two-Level Information Modelling Translation Methodology and Framework to Achieve Semantic Interoperability in Constrained GeoObservational Sensor Systems

As geographical observational data capture, storage and sharing technologies such as in situ remote monitoring systems and spatial data infrastructures evolve, the vision of a Digital Earth, first articulated by Al Gore in 1998 is getting ever closer. However, there are still many challenges and open research questions. For example, data quality, provenance and heterogeneity remain an issue due to the complexity of geo-spatial data and information representation. Observational data are often inadequately semantically enriched by geo-observational information systems or spatial data infrastructures and so they often do not fully capture the true meaning of the associated datasets. Furthermore, data models underpinning these information systems are typically too rigid in their data representation to allow for the ever-changing and evolving nature of geo-spatial domain concepts. This impoverished approach to observational data representation reduces the ability of multi-disciplinary practitioners to share information in an interoperable and computable way. The health domain experiences similar challenges with representing complex and evolving domain information concepts. Within any complex domain (such as Earth system science or health) two categories or levels of domain concepts exist. Those concepts that remain stable over a long period of time, and those concepts that are prone to change, as the domain knowledge evolves, and new discoveries are made. Health informaticians have developed a sophisticated two-level modelling systems design approach for electronic health documentation over many years, and with the use of archetypes, have shown how data, information, and knowledge interoperability among heterogenous systems can be achieved. This research investigates whether two-level modelling can be translated from the health domain to the geo-spatial domain and applied to observing scenarios to achieve semantic interoperability within and between spatial data infrastructures, beyond what is possible with current state-of-the-art approaches. A detailed review of state-of-the-art SDIs, geo-spatial standards and the two-level modelling methodology was performed. A cross-domain translation methodology was developed, and a proof-of-concept geo-spatial two-level modelling framework was defined and implemented. The Open Geospatial Consortium’s (OGC) Observations & Measurements (O&M) standard was re-profiled to aid investigation of the two-level information modelling approach. An evaluation of the method was undertaken using II specific use-case scenarios. Information modelling was performed using the two-level modelling method to show how existing historical ocean observing datasets can be expressed semantically and harmonized using two-level modelling. Also, the flexibility of the approach was investigated by applying the method to an air quality monitoring scenario using a technologically constrained monitoring sensor system. This work has demonstrated that two-level modelling can be translated to the geospatial domain and then further developed to be used within a constrained technological sensor system; using traditional wireless sensor networks, semantic web technologies and Internet of Things based technologies. Domain specific evaluation results show that twolevel modelling presents a viable approach to achieve semantic interoperability between constrained geo-observational sensor systems and spatial data infrastructures for ocean observing and city based air quality observing scenarios. This has been demonstrated through the re-purposing of selected, existing geospatial data models and standards. However, it was found that re-using existing standards requires careful ontological analysis per domain concept and so caution is recommended in assuming the wider applicability of the approach. While the benefits of adopting a two-level information modelling approach to geospatial information modelling are potentially great, it was found that translation to a new domain is complex. The complexity of the approach was found to be a barrier to adoption, especially in commercial based projects where standards implementation is low on implementation road maps and the perceived benefits of standards adherence are low. Arising from this work, a novel set of base software components, methods and fundamental geo-archetypes have been developed. However, during this work it was not possible to form the required rich community of supporters to fully validate geoarchetypes. Therefore, the findings of this work are not exhaustive, and the archetype models produced are only indicative. The findings of this work can be used as the basis to encourage further investigation and uptake of two-level modelling within the Earth system science and geo-spatial domain. Ultimately, the outcomes of this work are to recommend further development and evaluation of the approach, building on the positive results thus far, and the base software artefacts developed to support the approach