Μελέτη και αρχιτεκτονική συνεργατικής πλατφόρμας για την απομακρυσμένη παροχή εξατομικευμένων υπηρεσιών υγείας

Abstract

Remote healthcare service provisioning and covering of emergency cases is inherently a complex task which is characterized by high-level requirements for integration and interoperability among the various involved entities in the patient's healthcare treatment regimen of a patient. The collaboration establishment among various heterogeneous and distributed healthcare information systems imposes the addressing of a variety of technical challenges and requirements. The most significant challenges are related to integration and interoperability issues between the various applications and terminal devices offered by a variety of healthcare providers. These requirements cannot be addressed by the existing distributed healthcare systems that have been developed for these purposes. This is mainly due to the fact that they have developed independently and functioned within the strict limits of individual isolated medical structures, such as a hospital with its health centers. Therefore they have limited capabilities in cooperating with each other since there is a lack of common ICT standardized architectures and truly plug-and-play infrastructures among them. In order to address the aforementioned issues, this dissertation thesis focuses on providing innovative architectures, mechanisms and functionality for the integration and interoperability across different services, information and applications. To be more specific, it proposes an innovative and collaborative platform that enables ubiquitous personalized healthcare service provisioning for patients suffering from chronic diseases. The main pillars of this research so as to achieve collaboration lie in the three following levels: application, network and information composition and execcution. The present disseratation thesis, deals with the design and the deployment of a collaborative platform for the healthcare service provisioning oriented to patients suffering from chronic diseases. In this context, the author proposes the general architecture and the functionality for an autonomous, self organizing and self configured platform in order to achieve interoperability and integration between information and services for the composition and the execution of new added value personalized services based on users' current needs. The aim of this platform is to enable the integration of the electronic healthcare records (EHRs) which are distributed in various heterogeneous institutes and individual doctors for the immediate and accurate response to critical events, the reduction in medical errors or costs of hospitalizations and the creation of new added value services based on the patient's profile. Given the complexity of developing a standalone collaboration platform, notably by small-scale providers, the author proposed the deployment of the collaborative platform based on cloud computing paradigm. Deploying the collaborative platform upon cloud computing schemes enables the providers to rent or reuse existing components for messaging, integration, security, management purposes as well as for the development of new applications. The present work strengthens the presence of the healthcare professionals and caregivers into the collaborative scheme in order to avoid wrong diagnosis, medical errors, drug interaction problems and inadequate staffing. For this purpose, two innovative hierarchically distributed networks have been proposed and developed that interconnect the medical and paramedical professionals into groups with common characteristics or interests. The aforementioned hierarchical networks incorporate mechanisms which allow the efficient cooperation of the participants and ensure their interactions providing secure and efficient searching of the required data. In addition, an innovative mechanism has been proposed and implemented for information searching and sharing with multiple criteria based on the principles of controlled flooding in order to support complex queries. This mechanism achieves low response time and limits messaging and signaling overhead which furtherly enhances the efficiency and timely service provisioning. Finally, the patient-centric model has been enhanced taking into acccount the exisstence of comorbidities and multimorbidities so as to prevent the exacerbation episodes and minimizing the diagnostic uncertainty. In this context, a novel framework for general purposes has been incorporated in the architecture of the collaborative platform enabling the management of multiple dideases. It uses machine learning algorithms for evaluating data, detecting exacerbation events and making decisions about the severity level of patient's healthcare status. Through this framework, the healthcare system providers, the institutes and caretakers could dynamically assess and share information regarding to patient's profile as well as manage or prevent exacerbation episodes. As a consequence, the medical errors due to diagnostic uncertainty are reduced.

Η παροχή απομακρυσμένων υπηρεσιών υγειονομικής περίθαλψης και η κάλυψη έκτακτων αναγκών είναι εγγενώς μια πολύπλοκη διαδικασία, η οποία απαιτεί καθολική συνεργασία μεταξύ των εμπλεκομένων οντοτήτων στο σχήμα θεραπείας του ασθενούς. Η καθολική συνεργασία προϋποθέτει την ικανοποίηση ενός συνόλου από απαιτήσεις και την αντιμετώπιση πολλαπλών τεχνικών προκλήσεων και ζητημάτων. Οι πιο σημαντικές προκλήσεις σχετίζονται με ζητήματα ολοκλήρωσης και διαλειτουργικότητας μεταξύ των ποικίλων εφαρμογών και τερματικών συσκευών που προσφέρονται από πληθώρα παρόχους υπηρεσιών υγείας. Οι απαιτήσεις αυτές δεν μπορούν να ικανοποιηθούν από τις υπάρχουσες κεντρικές αρχιτεκτονικές που έχουν προταθεί για το σκοπό αυτό, διότι αναπτύχθηκαν και λειτούργησαν στα αυστηρά όρια μεμονωμένων ιατρικών δομών, όπως, για παράδειγμα ένα νοσοκομείο με τα δορυφορικά του κέντρα υγείας και αγροτικά ιατρεία. Με στόχο την αντιμετώπιση των προαναφερθέντων ζητημάτων, η παρούσα Διδακτορική Διατριβή προσφέρει καινοτόμες λύσεις στους τομείς της ολοκλήρωσης και της διαλειτουργικότητας των υπηρεσιών, των δεδομένων και των εφαρμογών. Συγκεκριμένα, προτείνει μια καινοτόμα πλατφόρμα υποστήριξης παντού και πάντοτε εξατομικευμένων υπηρεσιών υγείας σε ασθενείς που πάσχουν από χρόνιες παθήσεις. Οι βασικοί πυλώνες της έρευνας αυτής για την επίτευξη συνεργασίας εκτείνονται σε τρία διαφορετικά επίπεδα: στο επίπεδο εφαρμογών, δικτύου και σύνθεσης της πληροφορίας. Αρχικά, η παρούσα διδακτορική διατριβή, πραγματεύεται το σχεδιασμό και την υλοποίηση μιας πλατφόρμας καθολικής συνεργασίας για την παροχή υπηρεσιών υγειονομικής περίθαλψης σε ασθενείς που πάσχουν από χρόνιες παθήσεις. Στο πλαίσιο αυτό, προτείνεται η γενική αρχιτεκτονική και οι λειτουργίες που πρέπει να υποστηρίζονται για την επίτευξη διαλειτουργικότητας, την ολοκλήρωση των πληροφοριών και τη σύνθεση νέων υπηρεσιών με βάση τις τρέχουσες ανάγκες των τελικών χρηστών. Στόχος της πλατφόρμας αυτής είναι να επιτρέψει την ολοκλήρωση του ηλεκτρονικού ιατρικού φακέλου του ασθενούς που βρίσκεται διασκορπισμένος σε διαφορετικούς ετερογενείς οργανισμούς και ιδιώτες ιατρούς για την άμεση αντιμετώπιση κρίσιμων γεγονότων και τη δημιουργία νέων υπηρεσιών προστιθέμενης αξίας, που βασίζονται στο προφίλ του χρήστη. Δεδομένης της πολυπλοκότητας της ανάπτυξης μιας πλατφόρμας καθολικής συνεργασίας, κυρίως από παρόχους μικρής κλίμακας, προτάθηκε και η λογική υλοποίησης συνεργατικών σχημάτων με τη χρήση τεχνολογιών νέφους, τα οποία θα επιτρέπουν στους παρόχους αυτούς να ενοικιάζουν και να χρησιμοποιούν τα δομικά τους στοιχεία για λειτουργίες μηνυματοδοσίας, ολοκλήρωσης, ασφάλειας, διαχείρισης και ανάπτυξης νέων εφαρμογών. Η παρούσα εργασία, ενισχύει την αλληλεπίδραση και τη συνεργασία των επαγγελματιών του χώρου της υγείας και των φροντιστών. Για το σκοπό αυτό, προτάθηκαν και αναπτύχθηκαν δύο καινοτόμα κατανεμημένα ιεραρχικά δίκτυα, τα οποία οργανώνουν σε ομάδες με κοινά χαρακτηριστικά το ιατρικό και παραϊατρικό ανθρώπινο δυναμικό. Τα ιεραρχικά αυτά δίκτυα ενσωματώνουν μηχανισμούς που επιτρέπουν την αποδοτική συνεργασία των συμμετεχόντων και διασφαλίζουν τις μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις, ελαχιστοποιώντας τη διαδικασία αναζήτησης των επιθυμητών πληροφοριών. Επιπλέον, προτάθηκε η ενσωμάτωση ενός καινοτόμου μηχανισμού αναζήτησης πληροφοριών με πολλαπλά κριτήρια που βασίζεται στις αρχές της ελεγχόμενης πλημμύρας μηνυμάτων (flooding). Αυτός ο μηχανισμός χαρακτηρίζεται από έναν μικρό χρόνο απόκρισης και ένα χαμηλό επίφορτo μηνυμάτων που βελτιώνει περαιτέρω την απόδοση και την έγκαιρη παροχή των υπηρεσιών. Τέλος, μελετήθηκε το ανθρωποκεντρικό μοντέλο φροντίδας και προτάθηκαν βελτιώσεις του με στόχο την έγκαιρη πρόληψη των επεισοδίων παρόξυνσης και την ελαχιστοποίηση της διαγνωστικής αβεβαιότητας. Για το σκοπό αυτό, ενσωματώνεται στην αρχιτεκτονική της συνεργατικής πλατφόρμας ένα καινοτόμο πλαίσιο (framework) γενικού σκοπού για την διαχείριση πολλαπλών νοσημάτων. Το προτεινόμενο πλαίσιο χρησιμοποιεί αλγορίθμους εκμάθησης μηχανής (machine learning) για να αξιολογήσει τα δεδομένα που συνέλεξε, εντοπίζει την πιθανότητα εμφάνισης επεισοδίων παρόξυνσης και λαμβάνει αποφάσεις για το επίπεδο σοβαρότητας της κατάστασης της υγείας του ασθενούς, καθώς και τις υπηρεσίες που πρέπει να ενεργοποιηθούν. Κάνοντας χρήση του πλαισίου αυτού, οι πάροχοι υγειονομικής περίθαλψης, οι οργανισμοί και οι φροντιστές μπορούν δυναμικά να αξιολογήσουν και να μοιραστούν πληροφορίες σχετιζόμενες με το προφίλ του ασθενούς. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση των ιατρικών λαθών λόγω διαγνωστικής αβεβαιότητας.