Adaptation des mappings entre systèmes d'organisation de la connaissance du domaine biomédical

Mapping Adaptation between Biomedical Knowledge Organization Systems

• Auteur / Autrice : Julio Cesar Dos Reis
• Direction : Chantal Reynaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 24/10/2014
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Informatique de Paris-Sud
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en informatique (Orsay, Essonne ; 1998-2020)
• Partenaire(s) de recherche : Centre de recherche : Centre de recherche public Henri Tudor (Luxembourg)
• Jury : Président / Présidente : Stéfan Jacques Darmoni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chantal Reynaud, Stéfan Jacques Darmoni, Frank Van Harmelen, Nathalie Aussenac-Gilles, Cédric Pruski, Christine Froidevaux, Erhard Rahm
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frank Van Harmelen, Nathalie Aussenac-Gilles

Mots clés

Mots clés contrôlés

Web sémantique

Ontologies (informatique)

Mots clés libres

Systèmes d'Organisation de la Connaissance (SOCs)

SOC dans le domaine biomédical

Ontologies biomédicales

Evolution d'ontologies

Evolution de SOCs dans le domaine biomédical

Changements dans les ontologies

Mappings entre ontologies

Maintenance des mappings

Adaptation des mappings

Evolution des mappings

Patrons de changements

Knowledge Organization Systems (KOSs)

Biomedical KOS

Biomedical ontologies

Ontology evolution

KOS evolution

Ontology changes

Ontology mappings

Mapping maintenance

Mapping adaptation

Mapping evolution

Change patterns

Résumé

Les systèmes d'information biomédicaux actuels reposent sur l'exploitation de données provenant de sources multiples. Les Systèmes d'Organisation de la Connaissance (SOC) permettent d'expliciter la sémantique de ces données, ce qui facilite leur gestion et leur exploitation. Bénéficiant de l'évolution des technologies du Web sémantique, un nombre toujours croissant de SOCs a été élaboré et publié dans des domaines spécifiques tels que la génomique, la biologie, l'anatomie, les pathologies, etc. Leur utilisation combinée, nécessaire pour couvrir tout le domaine biomédical, repose sur la définition de mises en correspondance entre leurs éléments ou mappings. Les mappings connectent les entités des SOCs liées au même domaine via des relations sémantiques. Ils jouent un rôle majeur pour l'interopérabilité entre systèmes, en permettant aux applications d'interpréter les données annotées avec différents SOCs. Cependant, les SOCs évoluent et de nouvelles versions sont régulièrement publiées de façon à correspondre à des vues du domaine les plus à jour possible. La validité des mappings ayant été préalablement établis peut alors être remis en cause. Des méthodes sont nécessaires pour assurer leur cohérence sémantique au fil du temps. La maintenance manuelle des mappings est une possibilité lorsque le nombre de mappings est restreint. En présence de SOCs volumineux et évoluant très rapidement, des méthodes les plus automatiques possibles sont indispensables. Cette thèse de doctorat propose une approche originale pour adapter les mappings basés sur les changements détectés dans l'évolution de SOCs du domaine biomédical. Notre proposition consiste à comprendre précisément les mappings entre SOCs, à exploiter les types de changements intervenant lorsque les SOCs évoluent, puis à proposer des actions de modification des mappings appropriées. Nos contributions sont multiples : (i) nous avons réalisé un travail expérimental approfondi pour comprendre l'évolution des mappings entre SOCs; nous proposons des méthodes automatiques (ii) pour analyser les mappings affectés par l'évolution de SOCs, et (iii) pour reconnaître l'évolution des concepts impliqués dans les mappings via des patrons de changement; enfin (iv) nous proposons des techniques d'adaptation des mappings à base d'heuristiques. Nous proposons un cadre complet pour l'adaptation des mappings, appelé DyKOSMap, et un prototype logiciel. Nous avons évalué les méthodes proposées et le cadre formel avec des jeux de données réelles contenant plusieurs versions de mappings entre SOCs du domaine biomédical. Les résultats des expérimentations ont démontré l'efficacité des principes sous-jacents à l'approche proposée. La maintenance des mappings, en grande partie automatique, est de bonne qualité.

Modern biomedical information systems require exchanging and retrieving data between them, due to the overwhelming available data generated in this domain. Knowledge Organization Systems (KOSs) offer means to make the semantics of data explicit which, in turn, facilitates their exploitation and management. The evolution of semantic technologies has led to the development and publication of an ever increasing number of large KOSs for specific sub-domains like genomics, biology, anatomy, diseases, etc. The size of the biomedical field demands the combined use of several KOSs, but it is only possible through the definition of mappings. Mappings interconnect entities of domain-related KOSs via semantic relations. They play a key role as references to enable advanced interoperability tasks between systems, allowing software applications to interpret data annotated with different KOSs. However, to remain useful and reflect the most up-to-date knowledge of the domain, the KOSs evolve and new versions are periodically released. This potentially impacts established mappings demanding methods to ensure, as automatic as possible, their semantic consistency over time. Manual maintenance of mappings stands for an alternative only if a restricted number of mappings are available. Otherwise supporting methods are required for very large and highly dynamic KOSs. To address such problem, this PhD thesis proposes an original approach to adapt mappings based on KOS changes detected in KOS evolution. The proposal consists in interpreting the established correspondences to identify the relevant KOS entities, on which the definition relies on, and based on the evolution of these entities to propose actions suited to modify mappings. Through this investigation, (i) we conduct in-depth experiments to understand the evolution of KOS mappings; we propose automatic methods (ii) to analyze mappings affected by KOS evolution, and (iii) to recognize the evolution of involved concepts in mappings via change patterns; finally (iv) we design techniques relying on heuristics explored by novel algorithms to adapt mappings. This research achieved a complete framework for mapping adaptation, named DyKOSMap, and an implementation of a software prototype. We thoroughly evaluated the proposed methods and the framework with real-world datasets containing several releases of mappings between biomedical KOSs. The obtained results from experimental validations demonstrated the overall effectiveness of the underlying principles in the proposed approach to adapt mappings. The scientific contributions of this thesis enable to largely automatically maintain mappings with a reasonable quality, which improves the support for mapping maintenance and consequently ensures a better interoperability over time.