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1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme Datenbanken (Uebung: Datenbanken CARDIO) Integrative Datenbanken (Uebung: Integration) 3. Biomedizinische Wissensverarbeitung Online Bücher, www, Datenbanken Informationssysteme (Expertensysteme) Vorlesung SS07

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Page 1: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

1. MotivationInformationsverarbeitungInformationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische

Informatik2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

Datenbanken (Uebung: Datenbanken CARDIO)

Integrative Datenbanken (Uebung: Integration)3. Biomedizinische WissensverarbeitungOnline Bücher, www, Datenbanken

Informationssysteme (Expertensysteme)

Vorlesung SS07

Page 2: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

SS 04 Biomedizinische InformationssystemeInhalte

4. Datenbankintegration (Übung: Vertiefung)Heterogenität, Anforderungen, Merkmale

Föderierte DBS, Wrapper, Data Warehouse

5. Modellierung/Simulation (Übung: ZA, Life Game, Infektionskrankheiten)Zellulare Automaten – Infektionskrankheiten etc.6. Entwicklung von InformationssystemenSoftware Engineering, Prozessmodelle

Projektmanagement

7. Beispiel – RAMEDIS (CARDIOBENCH) (Übung: Vertiefung)

Page 3: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

DIE WELTApril 2005

Kunstfehler töten mehr Deutsche als Verkehrsunfälle

Präsident der Chirurgischen Gesellschaft beklagt "Politik des Schweigens" - internationale Studien liefern "schockierende Ergebnisse"

So hatten US-Forscher vom Institute of Medicine herausgefunden, dass in den USA jährlich bis zu 98 000 Menschen an Fehlern im Krankenhaus sterben. Studien aus England und Australien ergaben, dass zwischen zwölf und 16 Prozent aller Klinikpatienten bei ihrer Behandlung "ein unerwünschtes Ereignis widerfährt".

SS 05 Medizinische Wissensverarbeitung EINFÜHRUNG

Page 4: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

Genotyp

Metabolic Pathways

Phänotyp

Drugs

SynthesisReg

ulatio

n

Influence

Effect

SS 04 BIOMED-Informationssysteme MOTIVATION

Page 5: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

Informationssystem (IS): Komplexes, zusammengesetztes Softwaresystem mit aufeinander bezogenen informationsverarbeitenden Komponenten. Diese können in Erzeugung, Speicherung, Umformung, Transport und Darstellung gegliedert werden.

Eigenschaften eines IS:: -    Realisiert eine dauerhafte (persistente) Speicherung von Daten. Dabei ist

eine Datenbank oder ein Datenbanksystem Bestandteil eines Informationssystems.

-      Wertet die gespeicherten Daten anwendungsspezifisch aus.

-        Durch Anpassung und Erweiterung dynamisch.

-       Integriert weitere (externe) Informationsquellen.

In der BioMedizin werden die Begriffe Informationssystem und Datenbank häufig synonym verwendet.

SS 04 BIOMED-Informationssysteme MOTIVATION

Page 6: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

SS 04 BIOMED-Informationssysteme Metabolische Informationssysteme

BioMed-Informationssysteme

1. Elektronische Netzwerke – Fragestellungen direkt im Expertenkreis diskutieren.

BIONET-Netzwerk !

2. Erfassen der Datenbestände (Datenbanken)

Kann in vielen Bereichen weitgehend automatisiert werden: Sequenzierung, Proteomics, Laborwertbestimmung usw.

3. Elektronische Datenhaltung erlaubt über Internet den weltweiten direkten Zugriff (Informationssysteme aufbauen).

Datenbankabfragesprachen ermöglichen auch erste Methoden der Datenanalyse.

Page 7: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

Genotype

Metabolic Pathways

Phenotype

Drugs

SynthesisReg

ulatio

n

Influence

Effect

EMBL

TRANSFAC

KEGG

WIT

Ramedis

METAGENE

OMIM

ASDB

RListe

......

......SS 04 BIOMED-Informationssysteme MOTIVATION

Page 8: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

I – Anstieg in MEDLINE II – Anzahl Transistoren/Chip

III – GenBank Einträge IV – Wachstum PDB (3D)

SS 04 BIOMED-Informationssysteme MOTIVATION

Page 9: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

Sichten auf (komplexe) Datenbestände-Visualisierung-Statistik-Analysealgorithmen …

Informatik/Data Mining/Informationsfusion

-Integration von Datenbanken und AnalysetoolsCollado-Vides, Magasanik, Smith: Integrative Approaches to Molecular Biology. MIT Press 1996

Integrative Bioinformatik

SS 04 BIOMED-Informationssysteme MOTIVATION

Page 10: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

SS 04 BIOMED-Informationssysteme Metabolische Informationssysteme

Modellentwicklung auf der Basis dieser BioMed-Daten führt direkt

auch zur Implementation hypothetischer Welten.

Modellierung und Simulation !

Informationssystem im Internet – Kennzeichen:

1. Persistente Speicherung von Daten

2. Möglichkeit der Datenabfrage

3. Auswertung und Analyse der Daten

4. Einhaltung der Integritätsbedingungen

5. Integration externer Datenquellen

6. Existenz einer Benutzerschnittstelle

7. Möglichkeit der verteilten Modellierung

Page 11: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

Web-basierte Datenbank und Publikationswerkzeug

für seltene Stoffwechselerkrankungen- Eingebettet in das Deutsche Humangenomprojekt (DHGP)- Weltweite Sammlung seltener Stoffwechselerkrankungen- Speicherung einzelner Fälle in standardisierter Struktur- Zugriff über http://www.ramedis.de

Ramedis : Rare Metabolic Diseases Database

Ramedis

SS 04 BIOMED-Informationssysteme MOTIVATION

Page 12: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

Oracle-DBSDateneingabe(Java-Anwendung)

Datenauswertung(Web-Browser)

Ramedis - Komponenten

SS 04 BIOMED-Informationssysteme MOTIVATION

Page 13: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

Ramedis – SuchmenüAuswahl eines Suchkriteriums

• Autor• Diagnose• Diät/Medikamente• Grafiken• Kombinierte Suche• Laboruntersuchungen• Mutationen • Symptome• Therapie/Entwicklung

z.B. Diät/MedikamenteSS 04 BIOMED-Informationssysteme MOTIVATION

Page 14: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

Fall:ProblembeschreibungSymptome mit Ausprägung und Laborwerte

ProblemlösungDiagnose oder Differentialdiagnose

ZusatzInfos: Arzt und Krankengeschichte

Ramedis

SS 04 BIOMED-Informationssysteme MOTIVATION

Page 15: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

Ramedis – Falldaten IPatientendaten für ID 156

Darstellung allgemeiner Informationen, z.B.• Geschlecht• Ethnische Herkunft• Alter bei Diagnosestellung

SS 04 BIOMED-Informationssysteme MOTIVATION

Page 16: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

Ramedis – Falldaten IIPatientendaten für ID 156

Darstellung der Molekulargenetik zu den speziellen Mutationen und beobachtete Symptome

SS 04 BIOMED-Informationssysteme MOTIVATION

Page 17: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

Ramedis – Falldaten IIIPatientendaten für ID 156

Grafische Darstellung von Laborwerten

SS 04 BIOMED-Informationssysteme MOTIVATION

Page 18: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

Suchanfrage: Ähnlichsten Fall ermitteln

Eingabe (WEB Maske):Geschlecht, Symptome (5) und Laborwerte (5) sowie ethnische Herkunft

Case Retrieval (Vorauswahl notwendig)Ramedis – Vorauswahl – partielle Gleichheit:Wenn nur ein Symptom oder ein Laborwert übereinstimmt, dann Aufnahme in die Vorauswahl

RamedisCase Based Reasoning

SS 04 BIOMED-Informationssysteme MOTIVATION

Page 19: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

Fallbasiertes SuchenÄhnliche Fälle

Ramedis

Neuer Fall

SS 04 BIOMED-Informationssysteme MOTIVATION

Page 20: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

KEGGASDB BrendaMD-CaveMetagene Ramedis

MARGBench

KBSDIAMETD3

Case-Based

SimulationMetabSim

Applications

MetabolicKnowledge

Base

IS in WWW

User

Metabolic Knowledge Base

SS 04 BIOMED-Informationssysteme MOTIVATION

Page 21: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

SS 04 Biomedizinische InformationssystemeMotivation

Informatik:

Wissenschaft von der automatischen Informationsverarbeitung mit Hilfe von Computern, insbesondere dem Entwurf und der Formulierung von Algorithmen in angemessenen Sprachen sowie ihrer physikalischen Realisation. (Meyers Lexikon)

Aus der Empfehlung der Gesellschaft fhr Informatik Informatik ist die Wissenschaft von der systematischen und automatisierten Verarbeitung von Information. Sie wendet vorwiegend formale und ingenieurmä8ig orientierte Techniken an. Die Informatik befaßt sich daher mit:

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SS 04 Biomedizinische InformationssystemeMotivation

a) mit den Strukturen, den Eigenschaften und den Beschreibungsmöglichkeiten von Information und Informationsverarbeitung,

b) mit dem Aufbau, der Arbeitsweise und den Konstruktionsprinzipien von Rechnersystemen,

c) mit der Entwicklung sowohl experimenteller als auch produktorientierter informationsverarbeitender Systeme moderner Konzeption,

d) mit den Möglichkeiten der Strukturierung, der Formalisierung und der Mathematisierung von Anwendungsgebieten in Form spezieller Modelle und Simulationen und

e) mit der ingenieurmäßigen Entwicklung von Softwaresystemen für verschiedene Anwendungsgebiete unter besonderer Berücksichtigung der hohen Anpassungsfähigkeit und der Mensch-Maschine-Interaktion solcher Systeme.

Page 23: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

SS 04 Biomedizinische InformationssystemeMotivation

Medizin

Die Wissenschaft von der Krankheitsursache, der Heilung und Vorbeugung von Krankheiten.

 

Medizinische Informatik (Trampisch)

Mittels Methoden und Werkzeuge der Informatik sollen Struktur und Wirkungsweise der informationsverarbeitenden Systeme in der Medizin analysiert werden. Hier stehen die Komponenten im Bereich der Gesundheitsversorgung im Mittelpunkt.

Es werden Methoden aus der Mathematik (Statistik usw.), der Informatik, der Linguistik und der Biometrie eingesetzt.

Page 24: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

SS 04 Biomedizinische InformationssystemeMotivation

Aktuelle Stand dieser Disziplin:

Die Datenanwendungen (uninterpretierte Präsentation von Daten, wie z.B. EKG, CT, Labor, Intensiv-Pflege-Überwachung) sind ausgereift, werden in der Praxis breits angewendet und heute stetig verbessert.

Die Informations-Anwendungen (interpretierte, sinnvermittelnde Daten, wie z.B. die Krankenakte) sind ins Stadium der Anwendungsreife getreten.

In der Wissensverarbeitung werden derzeit weltweit Prototypen entwickelt, deren Anwendungsreife abzusehen ist.

Page 25: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

SS 04 Biomedizinische InformationssystemeMotivation

American Medical Association (AMA)  

Medizinische Informatik ist eine Disziplin, die mit der Hilfe von Computer und Netzwerken versucht, Informationen zur Unterstützung der Pflege, der biomedizinischen Forschung und der Lehre bereitzustellen.

Anwendungen werden von der AMA in vier Gruppen eingeteilt:

(1) Speichern / Wiederfinden (Retrieval) von Informationen

(2) Kommunikation

(3) Aus- und Weiterbildung in der Medizin

(4) entscheidungsuntersthtzende Systeme in der Medizin

Page 26: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

SS 04 Biomedizinische InformationssystemeMotivation

 Topics der Medizinischen Informatik

- Medizinische Terminologie

- Gesundheitsversorgungssystem der BRD

- Medizinische Physik und Biophysik

Tomographie, Mikroskopie, Chromatographie, ...

- Bild- und Signalverarbeitung in Medizin und Biologie

Schnittbilder, Mikroskopie, Laborsysteme

- Krankenhauskommunikations- und -informationssysteme

KKIS, Kommunikationssysteme, Datenbanken,

Archivsysteme, Workflow-Modelle, BWL

- Wissensbasierte Systeme

-Bioinformatik dynamischer Systeme 

Page 27: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

Wissensarten

In der Literatur finden wir:unscharfes, oberflächliches, tiefes, fallbasiertes

Wissen,

Kontroll- und Erfahrungswissen.

Es gibt keine allgemeine Definition zu Wissen.

Einteilung des Wissens - dazu sind einige Begriffe erforderlich:

Krankheit (im engeren Sinn) Bezeichnet das Vorhandensein von subjektiv Empfindungen bzw. objektiv feststellbaren körperlichen, geistigen bzw. seelischen Veränderungen bzw. Störungen.SS 04 Biomedizinische Informationssysteme MOLEKULARER WISSENSSERVER

Page 28: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

Pathologie Lehre von den abnormen und krankhaften Veränderungen im (menschlichen) Organismus, so dass der Pathologe die Krankheiten insbesondere bzgl. ihrer

- Gewebeveränderung (Morphologie)- Ursachen (Ätiologie),- Entstehung und Entwicklung (Pathogenese) und ihrer- funktionellen Auswirkungen (Pathophysiologie) erforscht.

Nosologie (Krankheitslehre)Krankheiten systematisch beschreiben (Teilgebiet der Pathologie)

Bei der Krankheitsursache unterscheidet man innere Bedingungen (Disposition) und äußere (Exposition), die die Krankheit begünstigen. Zur Disposition gehören z.B. der Zustand des Immunsystems.SS 04 Biomedizinische Informationssysteme MOLEKULARER WISSENSSERVER

Page 29: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

Symptome Krankheitszeichen, so dass man auch die pathologischen Befunde unter diesen Begriff fassen kann. Deshalb wird von Symptomen gesprochen, obwohl man Symptome und Befunde meint.

TherapieKrankheit mit ihrem Kontext und eventuell früherer Therapien berücksichtigen.

Ärztliches GrundlagenwissenDiagnostik, Prognostik und Therapie.

Ärztliches Kontrollwissen (Handlungswissen)Wissen, wie wann warum dieses Wissen bei einem spezifischen Patienten und spezifischen Bedingungen eingesetzt wird.SS 04 Biomedizinische Informationssysteme MOLEKULARER WISSENSSERVER

Page 30: 1. Motivation Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung – Biologie/Medizin/Medizinische Informatik 2. Grundlagen Datenbanken, Informationssysteme

Die Fälle die der Arzt kennen lernt führen zu typischen Erscheinungsbildern - fallbasiertes Schließen.

Arzt kommt zur Diagnose, indem er eine Krankheit erkennt/benennt.

Differentialdiagnose Ähnliche Krankheitsbilder werden unterschieden.

Um eine Krankheit erkennen zu können – Diagnostik:Direkte und indirekte Verfahren - es fallen Daten

an.

Diagnose ist Voraussetzung für die Therapie und die Prognose.SS 04 Biomedizinische Informationssysteme MOLEKULARER WISSENSSERVER

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Informationsquellen für die Diagnose: Anamnese, Untersuchungsbefunde und Krankheitsverlauf.

Auf der Grundlage dieser Daten ist die Diagnose zu finden.

Krankheitsbild eines Patienten: Symptome und pathologische Befunde.

Reihe von möglichen Krankheiten (Hypothesenfokus), die diese Symptome erklären können.SS 04 Biomedizinische Informationssysteme MOLEKULARER WISSENSSERVER