Information system based on a pharmaceutical ontology

Texto integral

Введение

В настоящее время широко используются информационные системы (ИС), автоматизирующие разнообразные бизнес-процессы [1-3]. ИС, основанные на базах знаний (БЗ), позволяют в деятельности аптек экономить время фармацевта при выполнении ежедневных рутинных операций, регулировать большинство рабочих процессов в фармацевтической организации, сократить количество ошибок, связанных с человеческим фактором. Такие задачи, как работа с поставщиками, контроль остатков препаратов, заказ товара, продажа лекарственных средств (ЛС) и др. выполняются практически одновременно, поэтому управлять работой фармацевтической организации без ИС трудно. Сложности могут возникнуть и с номенклатурой, т.к. ЛС могут выпускаться в различных дозировках и формах, предназначаться для различных категорий пользователей. Для автоматизации процессов требуется специальное программное обеспечение, которое учитывает специфику фармацевтической отрасли, например, «1С: Розница 8. Аптека»¹, «М-АПТЕКА плюс»², «F3 TAIL»³ и др. [4, 5].

В статье предлагается подход к построению ИС с использованием БЗ о лекарственных препаратах и товарах аптечного ассортимента (ТАА) в виде предметной онтологии. Решается задача автоматизации большинства ежедневных операций, выполняемых фармацевтом в аптечном пункте, таких как работа с ценами и рекламными акциями, консультирование покупателей, контроль остатков товара и т.д. В разработанной ИС реализован алгоритм семантического поиска по объектам фармацевтической онтологии, что позволяет с помощью графического интерфейса с подсказками вести поиск ЛС и их аналогов по симптомам или описаниям болезней, вносить необходимые изменения в данные о группах товаров, а также ограничивать продажу ЛС на основе указанных противопоказаний.

1 Онтологии предметных областей (ПрО)

Онтологию можно построить как некую иерархическую структуру классов, связанных понятиями, представив её в графическом виде. Данная связь реализуется с помощью триплета: субъект – отношение – объект [6, 7].

На основе онтологий создаются БЗ, которые являются необходимыми составляющими ИС [8]. Так, в работе [9] предложена ИС, основанная на онтологии взаимодействия лекарств, которая помогает врачам и фармацевтам учитывать побочные эффекты. В ней заложены семантические отношения между заболеваниями, ЛС, механизмами действия, физиологическими эффектами, дозами, способами введения и т.д. Такая ИС может быть полезна фармацевтам при учёте взаимодействия лекарств на организм пациента. В статье [10] описаны разработанная на основе онтологий ИС и её внедрение в клиническую практику. ИС генерирует оповещения при выявлении ошибок в назначении лекарств согласно данным пациента. В работе [11] рассматривается система электронного здравоохранения на основе онтологии ПрО. ИС предоставляет информацию о ближайшей больнице, лучшей машине скорой помощи, лаборатории, сведения о соответствующем отделении или враче путём сбора информации от пользователей и т.д.

В данной статье ИС «UlPharma» разработана на основе фармацевтической онтологии, построенной средствами библиотеки owlready2⁴ языка Python⁵. Редактор онтологий Protégé⁶ позволяет представить её в виде графа, проверить иерархию онтологии, а также выявить неточности, связанные, например, с названиями ЛС. На рисунке 1 показан фрагмент фармацевтической онтологии в виде графа, описывающего классы и их отношения. Некоторые экземпляры (а) и свойства (б, в) фармацевтической онтологии (конкретные препараты, болезни и симптомы) приведены на рисунке 2. При составлении данной онтологии указывались два конкретных свойства (рисунки 2б и 2в): Domain – это набор классов, к экземплярам которых применимо данное свойство; Range – это тип значений, которые они принимают.

 

Рисунок 1 – Фрагмент фармацевтической онтологии в виде графа

 

Рисунок 2 – Некоторые экземпляры (а) и свойства (б, в) фармацевтической онтологии

 

Экземпляры классов взаимодействуют друг с другом через свойства объектов (object_property, см. рисунок 2б). Свойства экземпляров, значениями которых являются число, дата или строка, задаются с помощью data_properties (рисунок 2в).

В ИС использованы следующие особенности онтологии:

• в класс «Остаток» после запуска машины логического вывода (МЛВ), согласно правилу ((осталось some xsd:integer[> 0]) and (осталось some xsd:integer[<= 2])), попадают экземпляры (ЛС и ТАА), которых мало или которые закончились;
• в класс «Срок годности» после запуска МЛВ, согласно правилу (ЛС and (годен_до some xsd:date[<= "2024-06-10"^^xsd:date])), попадают ЛС и ТАА срок годности которых заканчивается в ближайшие два месяца, начиная с даты обращения;
• в класс «Списание» после запуска МЛВ попадают ЛС и ТАА, которые были забракованы вследствие нарушения целостности упаковки. Все ЛС разделены по соответствующим фармакологическим группам согласно свойствам экземпляров (тип: str);
• после запуска МЛВ, с учётом правил для эквивалентности классов, происходит наполнение экземплярами (ЛС и ТАА) классов условия хранения (сухое, тёмное или прохладное место) и условия отпуска из аптек (без рецепта и по рецепту).

В ИС предусмотрено своевременное пополнение новых наименований ЛС и ТАА, которые можно добавить через соответствующее меню программы.

2 Выбор программных средств для ИС

Наиболее известными средствами для создания и редактирования онтологий являются Protégé, Fluent Editor и библиотека Owlready2 для языка программирования Python [12-14]. Protégé поддерживает язык описания онтологий OWL и позволяет генерировать HTML-документы, которые отражают структуру онтологии, а сложные ограничения можно реализовать с помощью Manchester Syntax [15]. Использование языка программирования Python удобно в связи с наличием возможности работы как с онтологиями (библиотека Owlready2), так и с графикой (библиотека tkinter[7]) [16, 17].

Для конечного пользователя является важным наличие русского языка в программе. Поэтому создание русскоязычных онтологий, которые могут быть положены в основу русскоязычных ИС, является актуальной задачей [18].

Для создания ИС выбрана интегрированная среда разработки PyCharm[8], которая предоставляет пользователю комплекс средств для написания кода с возможностью выявления ошибок в нём и визуальный отладчик.

Создание ИС на основе фармацевтической онтологии включает в т.ч. разработку структуры приложения и его стилистического оформления. При разработке графического интерфейса, с которым пользователь может взаимодействовать, использована библиотека tkinter.

3 Функциональность разработанной ИС

Главное окно разработанной ИС «UlPharma» для автоматизации работы аптеки на основе фармацевтической онтологии состоит из девяти основных вкладок (рисунок 3).

 

Рисунок 3 – Главное окно информационной системы UlPharma

 

Каждая вкладка (раздел) имеет заголовок с описанием выполняемой функции.

В разделе «Продажа» содержится текстовое поле, которое предназначено для внесения названия ЛС, и поле для занесения необходимого количества для продажи (рисунок 4). В нижней части окна раздела расположены функциональные кнопки. Кнопка «Цена» выводит на экран цену интересующего наименования и цену по акции, если такая имеется на соответствующую фармакологическую группу. Кнопкой «Продажа» выводятся сведения о реализации потребителю выбранного наименования и соответствующего ему количества товара. Активация этой кнопки происходит уменьшение запасов выбранного товара в аптеке. Кнопка «Очистить» служит для очистки всех полей ввода от находящейся в них информации на случай неправильных или ошибочно введённых данных. Кнопкой «Закрыть» закрывается текущая вкладка.

 

Рисунок 4 – Раздел «Продажа»

 

Одним из способов привлечения клиентов является проведение акций или скидок на выбранные группы товаров [19]. Раздел «Акции» предназначен сведений об акциях на выбранные группы (категории) товаров (см. рисунок 5). В данном разделе в поле вносится необходимый размер скидки, а из раскрывающегося списка выбирается та фармакологическая группа, к которой применяется скидка. Кнопки «Отменить» и «Закрыть» служат для удаления информации из поля ввода и закрытия окна. Активация скидки происходит с применением правил, являющихся импликацией между предпосылкой и следствием. Например, при активации определённой скидки для фармакологической группы «Простудные» действует следующее правило: 

 

Рисунок 5 – Раздел «Акции»

 

Apteka.rule = Apteka.Imp().set_as_rule("Простудные(?p), цена(?p, ?c), divide(?div, ?c, 100), multiply(?mul, ?div, 0), subtract(?sub, ?c, ?mul) -> цена_по_акции(?p, ?sub)"). Применение данного правила происходит после запуска МЛВ для онтологии, т.е. у всех ЛС, которые относятся к фармакологической группе простудные, цена уменьшается на 10%. С использованием подобных правил можно вводить ограничения на цены большого числа наименований, отвечающих определённым условиям.

Раздел «Поступление» связан с добавлением в БЗ нового наименования и его характеристик (рисунок 6). На вкладке есть несколько текстовых полей, в которые можно занести название ЛС, его фармакологическую группу, условия отпуска, место хранения, название фирмы-производителя, цену на товар, срок годности и количество. Некоторые позиции представлены раскрывающимися списками (например, из условий хранения можно выбрать сухое, тёмное или прохладное место, а для условий отпуска - без рецепта и по рецепту.

 

Рисунок 6 – Раздел «Поступление»

 

Раздел «Симптомы» позволяет получать доступ к ЛС и их аналогам по введённому симптому или заболеванию (рисунок 7). Внутри вкладки находится поле для ввода текстовой информации и функциональные кнопки поиска, очистки полей и закрытия активного окна. Поиск по симптомам осуществляется с помощью БЗ и МЛВ, что позволяет найти доступные в фармацевтической онтологии болезни и симптомы, которые входят в показания к применению имеющихся в наличии ЛС. Если перед продажей необходимо отобрать препараты с учётом их противопоказаний [20], то используется кнопка «Противопоказание» (например, при кашле можно применять Ацц, Гербион или Мукалтин; если выбрать противопоказание, связанное с язвенной болезнью желудка, то останется один препарат, соответствующий этим критериям отбора – Гербион).

 

Рисунок 7 – Раздел «Симптомы»

 

В разделе «Остаток» (рисунок 8а) можно получить информацию о товарах, которых мало или которые закончились, а в разделе «Срок годности» (рисунок 8б) - информацию о товарах, срок годности которых заканчивается в ближайшее время. Процесс осуществляется с помощью МЛВ библиотеки Owlready2 фармацевтической онтологии и модуля datetime Python⁹, после запуска которого в определённую группу попадают товары, оставшиеся в количествах один, два или закончившиеся.

  

Рисунок 8 – Разделы «Остаток» (а), «Срок годности» (б) и «Списание» (в)

 

В разделе «Списание» можно получить информацию о препаратах и их количестве, которые были забракованы и списаны, например, вследствие нарушения герметичности или целостности упаковки или истекшего срока годности (рисунок 8в).

В разделе «Справка» можно получить необходимую информацию об интересующем препарате (рисунок 9). Данная вкладка содержит текстовое поле, предназначенное для ввода названия препарата, и поля для вывода информации о препарате и его аналогах.

 

Рисунок 9 – Пример запроса в разделе «Справка»

 

В раздел «Поставщики» (рисунок 10) вносится информация о поставщиках и фирмах-производителях ЛС, по которой можно сравнивать цены у различных поставщиков. 

 

Рисунок 10 – Раздел «Поставщики»

 

4 Сравнение с аналогами

В данной ПрО разработано и используется различное программное обеспечение. В таблице 1 приведены данные для сравнительного анализа наиболее известных программных продуктов для автоматизации работы аптек и аптечных пунктов с ИС UlPharma.

 

Таблица 1 – Основные характеристики программных продуктов для автоматизации работы аптек

Характеристики и функции	Название программы
	1С: Розница 8. Аптека	F3 TAIL	Эприка10	М Аптека плюс	UlPharma
Стоимость, руб.	26500	19800	18000	25000	0
Учёт лекарственных средств	+	+	+	+	+
Формирование заказа у поставщиков	+	+	+	+	+
Инвентаризация остатков	+	+	+	+	+
Работа с ценами	+	+	+	+	+
Поиск аналогов лекарственных средств	+	+	+	+	+
Работа со справочником	+	–	–	–	+
Учёт наличия противопоказаний	–	–	–	–	+
Проверка фармацевтической онтологии на непротиворечивость	–	–	–	–	+

 

В основе предлагаемой ИС лежит OWL-онтология, что позволяет добиться согласованности и непротиворечивости данных. Под согласованностью понимается такое состояние данных, при котором на их основе обеспечивается корректный логический вывод. Непротиворечивость означает, что в ИС отсутствуют данные, противоречащие друг другу. Нарушение непротиворечивости данных при игнорировании предупреждения об ошибке может, например, привести к тому, что из определённых в онтологии аксиом будут выведены неправильные утверждения, имеющие негативные последствия. В онтологиях предусмотрены автоматический поиск ошибок и выявление новых отношений.

ИС UlPharma является автономным бесплатным приложением, способным запускаться с USB-накопителя. Преимуществом предлагаемой ИС перед SaaS¹¹-системами, к которым относится «Киберис¹²», является возможность самостоятельной актуализации БЗ ИС при отсутствии у пользователя компетенций в области программирования путём внесения данных о новых препаратах, болезнях, диагнозах и др. ИС UlPharma позволяет ограничивать продажу ЛС на основе указанных противопоказаний непосредственно на этапе продажи, минуя поиск соответствующей информации по каждому наименованию в справочнике. ИС содержит только ЛС, прошедшие государственную регистрацию [21]. Предлагаемая онтология может использоваться в русскоязычных ИС без применения дополнительных средств перевода и проверки на наличие ЛС в госреестре.

Из анализа представленных в статье ИС видно, что каждая ИС является многофункциональной и предназначена для нескольких сфер деятельности аптечной организации, однако в этих ИС возможность ограничения отпуска ЛС и ТАА с учётом указанных противопоказаний на этапе продажи отсутствует.

Заключение

В результате исследования разработана фармацевтическая онтология и заполнена БЗ на основе этой модели, которая использовалась в специализированной ИС UlPharma. БЗ выполнена на русском языке, имеет открытый доступ и содержит только препараты из государственного реестра ЛС РФ.

Разработанная ИС UlPharma с использованием созданной БЗ на основе фармацевтической онтологии может применяться для автоматизации основных процессов в аптечной организации. Отличительной особенностью данной ИС является возможность семантического поиска по объектам онтологии и ограничения на отпуск ЛС, на основе указанных противопоказаний с помощью определяемых классов и аксиом онтологии, непосредственно на этапе продажи.

 

¹ 1С: Розница 8. Аптека – отраслевое решение для автоматизации аптек и аптечных пунктов.
 https://solutions.1c.ru/catalog/drugstore.

² Программный комплекс «М-АПТЕКА плюс» предназначен для автоматизации аптек и аптечных сетей.
 https://m-apteka.com/.

³ F3 TAIL – программа для автоматизации аптек и розничной торговли. https://www.spargo.ru/app/f3tail/.

⁴ owlready2 – пакет для онтологического программирования на Python. https://owlready2.readthedocs.io/en/v0.42/.

⁵ Python – высокоуровневый язык программирования. https://www.python.org/.

⁶ Protégé – свободный, открытый редактор онтологий и фреймворк для построения баз знаний. https://protege.stanford.edu/.

⁷ Tkinter – стандартная библиотека Python для создания приложений с графическим интерфейсом. https://docs.python.org/3/library/tkinter.html.

⁸ PyCharm – кроссплатформенная интегрированная среда разработки. https://www.jetbrains.com/ru-ru/pycharm/.

⁹ Модуль datetime предоставляет инструменты для обработки времени и даты разными способами в Python. https://docs.python.org/3/library/datetime.html.

¹⁰ Эприка – совместный продукт национального фармдистрибьютора АО ЦВ ПРОТЕК и лидера отечественного рынка автоматизации товарно-складского учета аптек «Спарго Технологии». https://protek.ru/partners/servisy-dlya-aptek/eprika/.

¹¹ SaaS (software as a service — программное обеспечение как услуга) — модель обслуживания, при которой подписчикам предоставляется программное обеспечение, полностью обслуживаемое провайдером.

¹² Киберис - медицинский ассистент на основе искусственного интеллекта для диагностики и персонифицированной терапии, подбора аналогов лекарств, проверки безопасности назначений и автозаполнения медкарты. https://kiberis.ru/.

Sobre autores

Vadim Moshkin

Ulyanovsk State Technical University

Autor responsável pela correspondência
Email: v.moshkin@ulstu.ru
ORCID ID: 0000-0002-9258-4909
Scopus Author ID: 57190250573
Researcher ID: L-3578-2016

Ph. D. (2017), associate professor of the Information Systems department. Vice-Rector for Digital Transformation. Vice-President of the Russian Association of Artificial Intelligence.

Rússia, Ulyanovsk

Igor' Shchukarev

Ulyanovsk State Technical University

Email: blacxpress@gmail.com
ORCID ID: 0000-0002-8860-8103
Scopus Author ID: 56565459600
Researcher ID: AAH-6813-2019

Ph. D. (2017), an associate professor of the Information technologies and general scientific disciplines department.

Rússia, Ulyanovsk

Bibliografia

Arquivos suplementares