Healthcare Computer Reasoning Addressing Chronically Ill Societies Using IoT: Deep Learning AI to the Rescue of Home-Based Healthcare

The authors present a proposal to develop intelligent assisted living environments for home based healthcare. These environments unite the chronical patient clinical history sematic representation with the ability of monitoring the living conditions and events recurring to a fully managed Semantic Web of Things (SWoT). Several levels of acquired knowledge and the case based reasoning that is possible by knowledge representation of the health-disease history and acquisition of the scientific evidence will deliver, through various voice based natural interfaces, the adequate support systems for disease auto management but prominently by activating the less differentiated caregiver for any specific need. With these capabilities at hand, home based healthcare providing becomes a viable possibility reducing the institutionalization needs. The resulting integrated healthcare framework will provide significant savings while improving the generality of health and satisfaction indicators.

An Overview of IoT and Healthcare

This paper is an overview of some of the implications of IoT on the healthcare field. Due to the increasing of IoT solutions, healthcare cannot be outside of this paradigm. The contribution of this paper is to introduce directions to achieve a global connectivity between the Internet of Things (IoT) and the medical environments. The need to integrate all in a global environment is a huge challenge to all (from electrical engineers to data engineers).This revolution is redesigning the way we see healthcare, from the smallest sensor to the big data collected.

Sviluppo di sensori elettrochimici per la determinazione di amine biogene e microrganismi patogeni in alimenti di origine animale

La possibilità di monitorare la presenza di residui di farmaci veterinari e contaminanti biologici negli alimenti può trarre beneficio dall’uso di metodi di screening affidabili e di facile utilizzo. A tal fine, sono in fase di sviluppo molteplici applicazioni di biosensori in grado di coniugare sistemi di rilevamento biologico-specifici con trasduttori elettronici o ottici capaci di rilevare, amplificare, elaborare e misurare il segnale derivante dall’interazione tra un substrato costituito da enzimi, anticorpi o apteni e contaminanti ambientali o alimentari. Lo sviluppo di biosensori permette di rilevare la presenza di quantità residuali di un determinato analita in varie matrici sia animali che alimentari. Per questo Progetto di Ricerca sono state messe a punto tecniche di analisi elettrochimiche per rilevare quantitativamente la presenza di istamina e di batteri istaminogeni in campioni di pesce e determinare la presenza di ceppi di Escherichia coli nel latte crudo. Sono stati condotti anche degli studi riguardanti la presenza di residui di farmaci veterinari negli alimenti. Lo scopo di queste ricerche era quello di: • Sviluppare diversi tipi di sensori elettrochimici ed immunoenzimatici e valutare le loro potenzialità come metodi di analisi rapida. • Validare i risultati mediante comparazione con metodi analitici di riferimento. • Avviare uno studio per lo sviluppo di biosensori basato sulla valutazione del rischio

Progettazione e prototipazione di un dispositivo per ustionati pediatrici in contesti poveri di risorse

Ogni anno, circa il 95% delle morti per ustioni si verifica in contesti poveri di risorse e di queste più di un terzo sono rappresentate da bambini con meno di 4 anni. Per determinare le caratteristiche del dispositivo è stata necessaria una lunga fase preliminare alla progettazione, dove si è analizzata l’entità del problema delle ustioni e i trattamenti attualmente eseguiti. La principale causa di morte per ustioni è dovuta alle infezioni per cui la priorità è creare un ambiente pulito e disinfettato, dove il paziente può essere trattato o trasportato ad un ospedale specializzato. Successivamente a questa fase di analisi dei bisogni, si sono identificate le funzionalità del dispositivo: il controllo della temperatura e dell’umidità per contrastare l’ipotermia e l’ipermetabolismo, la ventilazione d’aria filtrata per prevenire le infezioni e il sistema di lavaggio per disinfettare le lesioni. Il dispositivo è stato progettato per bambini con statura inferiore ad un metro. Da qui si sono derivate le specifiche tecniche di progetto, su cui è stata svolta l’analisi dei rischi e progettato un sistema di mitigazione più o meno efficace per ottenere un rischio residuo accettabile. Terminata la progettazione generale, si è disegnato lo schema circuitale e si sono scelti i componenti elettronici per l’implementazione del prototipo. Il sistema deve esser fornito di sensori di temperatura, umidità, anidride carbonica, ed attuatori per regolare questi parametri, come l’elemento riscaldante, la ventola e la pompa idraulica. Per la realizzazione del prototipo si è utilizzata una schema Wemos e un sistema di comunicazione I2C. Successivamente alla costruzione della struttura e al cablaggio, si è implementato un modello in Simulink per testare i coefficienti del controllore PID per il sistema di termoregolazione. In fine, si sono eseguiti dei test per valutare il controllo della temperatura all’interno dello scompartimento del bambino, e si sono ottenuti buoni risultati.

Realizzazione di sensori di posizione attraverso integrazione di fibre coassiali allineate

Il seguente elaborato presenta le varie fasi della realizzazione di sensori di posizione attraverso l'integrazione di fibre coassiali piezoelettriche allineate. Grazie all'effetto piezoelettrico diretto, un sensore piezoelettrico è in grado di rilevare l'esatta posizione della sollecitazione meccanica, confrontando le varie differenze di potenziale rilevate dagli elettrodi.

Valutazione cinematica 3D di un test per il ritorno allo sport post-lesione di legamento crociato anteriore: confronto tra sistema optoelettronico e sensori indossabili

I sistemi di analisi del movimento sono in continua espansione e vengono sempre maggiormente utilizzati in ambito sportivo e riabilitativo. In particolare, la valutazione delle lesioni di LCA è, attualmente, affidata a procedure classiche, oltre che a strumenti analitici Gold Standard come il sistema optoelettronico. L’utilizzo dei sensori inerziali per l’analisi del movimento è in notevole aumento e sempre più utilizzato anche negli ambiti descritti. Tuttavia, è da valutare l’accuratezza di tali sistemi nell’esecuzione di gesti complessi ad alta dinamica. L’obiettivo del presente elaborato è stato quello di validare un sistema di sensori inerziali tramite uno optoelettronico, per lo svolgimento di specifici task motori in un’ottica di prevenzione dell’infortunio al LCA. Sono stati valutati 30 soggetti sani, attraverso l’utilizzo sincrono di due tecnologie: il sistema optoelettronico Vicon e il sistema inerziale Xsens. I movimenti svolti dai soggetti rientravano in un protocollo per la prevenzione del LCA, sviluppato presso il centro Isokinetic, il quale comprende 6 task ad elevata dinamica, ricorrenti negli sport maggiori. Si è evinta un’ottima correlazione e basso errore per tutti gli angoli articolari analizzati sul piano sagittale, una buona correlazione sul piano frontale per la maggior parte degli angoli (esclusi caviglia e pelvi), ed una minore riproducibilità sul piano trasverso, in particolare negli angoli di caviglia ginocchio e pelvi. I risultati hanno mostrato una scarsa dipendenza dalla tipologia di task analizzato. La tecnologia inerziale ha dimostrato di essere un’ottima alternativa per l’analisi del movimento in task specifici per la valutazione della biomeccanica di LCA. Le discrepanze evinte possono essere riconducibili ai diversi protocolli cinematici utilizzati ed al posizionamento dei markers. Evoluzioni della tecnologia potrebbero migliorare la precisione di questi sensori offrendo informazioni ancor più dettagliate dove ora ci sono lacune.

Sensori elettrochimici a base di PEDOT:PSS stampati a getto di inchiostro

Conductive polymers (CPS) are a class of carbon-based materials, capable of conducting electric current, characterized by metallic properties in combination with the intrinsic properties of conventional polymers. The structural model of the CP consists of a system of double π-conjugated on the backbone (polyene structure) which can easily undergo reversible doping reaching a wide range of conductivity. Thanks to their versatility and peculiar properties (mechanical flexibility, biocompatibility, transparency, ease of chemical functionalization, high thermal stability), CPS have revolutionized the science of materials giving rise to Organic Bioelectronics, the discipline resulting from the convergence between biology and electronics. The Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) : poly (styrenesulfonate) (PEDOT: PSS), complex polyelectrolyte, in the form of a thin film, currently represents the reference standard in applications concerning Bioelectronics. In this project, two types of electrochemical sensors ink-jet printed on a flexible polymeric substrate, the polyethylene terephthalate, have been developed and characterized. The Drop on Demand (DOD) inkjet technology has allowed to control the positioning of fluid volumes of the order of picoliters with an accuracy of ± 25μm. This resulted in the creation of amperometric sensors and organic electrochemical transistors (OECT) all-PEDOT: PSS with high reproducibility. The sensors have been used for the determination of Ascorbic Acid (AA) which is currently considered an important benchmark in the field of sensors. In Cyclic Voltammetry, the amperometric sensor has detected AA at potentials less than 0.2 V vs. SCE thanks to the electrocatalytic properties of the PEDOT: PSS. On the other hand, the OECT detected AA concentrations equal to 10 nanomolar in Chronoamperometry. Furthermore, a promising new generation of all-printed OECTS, consisting of silver metal contacts, has been created. Preliminary results are presented.

Studio degli effetti del biochar sulla mobilità dell'azoto nei suoli

Il seguente lavoro analizza l’influenza che il biochar ha nel ciclo dell’azoto nei suoli, in particolare in riferimento alla possibilità di diminuire il fenomeno di lisciviazione dei nitrati dato il continuo aumento in agricoltura dell’uso di fertilizzanti azotati. La scelta di questo tipo di ammendante è dovuta alle sue ampie potenzialità d’impiego e si pone in un percorso di economia circolare con la valorizzazione delle biomasse di scarto. Il lavoro si divide in un’approfondita ricerca bibliografica con elaborazione critica delle informazioni e una parte sperimentale. Si sono analizzate le interazioni che il biochar ha sui vari processi che compongono il ciclo dell’azoto. Sono stati riportati e discussi i principali metodi di determinazione delle capacità adsorbenti del biochar oltre ad un’analisi e una descrizione dei più comuni modelli di isoterme di adsorbimento. Si è testata la capacità adsorbente, tramite test di screening in batch, di sette tipi di biochar che presentavano origine e sintesi differenti. I biochar hanno presentato adsorbimenti molto modesti nei confronti dei nitrati evidenziando solo una diminuzione della quantità di nitrati rilasciati dal biochar stesso. Per quanto concerne l’ammonio, invece, i biochar hanno presentato percentuali di adsorbimento tra il 60-70% con un massimo del 80%.

Studio del processo di progettazione di una stampella sensorizzata

Lo studio presentato in questa tesi vuole riportare la ricerca e l’analisi di una nuova esperienza di utilizzo di una stampella, spinto dalla richiesta di migliorare la performance e l’interfaccia dello strumento con un paziente con rilevanti difficoltà motorie. Analizzando lo stato dell’arte e la ricerca in ambito ortopedico, la stampella risulta essere lo strumento più comunemente utilizzato in caso di riabilitazione o difficoltà motorie, ma, allo stesso tempo, comporta rischi e ulteriori danni al paziente, nel caso vi sia un uso scorretto dello strumento. Lo scopo principale del progetto è fornire un supporto, sia al paziente, sia alla terapia, tramite l’ottimizzazione e il miglioramento di alcuni elementi costituenti di una stampella e l’implementazione di un nuovo servizio. Durante lo studio sono stati sfruttati i metodi dell’ingegneria industriale, utili per le fasi di sviluppo del progetto, ma si è cercato anche di dare importanza alla user experience, riportando considerazioni e opinioni di diversi utilizzatori della stampella. Si spera che il risultato sia uno strumento funzionale, utile e soprattutto che vada incontro alle esigenze non solo dell’utente, ma anche delle figure che lo assistono, come il medico ortopedico o il fisioterapista.

Information Usefulness To Support Dialogue Management in Healthcare

The main objective of the framework we are proposing is to help the physician obtain information about the patient's condition in order to reach the \emph{correct} diagnosis as soon as possible. In our proposal, the number of interactions between the physician and the patient is reduced to a strict minimum on the one hand and, on the other hand, it is made possible to increase the number of questions to be asked if the uncertainty about the diagnosis persists. These advantages are due to the fact that (i) we implement a reasoning component that allows us to predict a symptom from another symptom without explicitly asking the patient, (ii) we consider non-binary values for the weights associated with the symptoms, we introduce a dataset filtering process in order to choose which partition should be used with respect to some particular characteristics of the patient, and, in addition, (iv) it was added new functionality to the framework: the ability to detect further future risks of a patient already knowing his pathology. The experimental results we obtained are very encouraging

Perspective of Healthcare Workers about Digitization in the Healthcare Sector in Armed Forces Hospitals in Taif Region, Saudi Arabia

Aim: The purpose of the present study was to determine the impact of digitization in healthcare on health workers' perceptions in Armed Forces Hospital, Taif. Methodology: A quantitative descriptive design based on deductive approach was used in the study. 370 participants employed in Armed Force hospitals in Taif were recruited based on convenience sampling. A survey was distributed among participants to collect demographic data and data on digitization benefits, challenges, and status and perceptions of health workers. The collected responses were then entered into SPSS software for performing descriptive stats, ANOVA test and regression analysis to determine the relationship between research variables. Results: The demographic results showed more male participants (64.9%) than females (35%), with more participants having a Master's education. Results from the ANOVA test and regression analysis revealed a positive and significant correlation between digitization benefits (0.842), digitization challenges (0.838), and digitization status (0.898) with health workers' perceptions. Also, a 1% change in digitization benefits, challenges, and status can result in an 18% change in perceptions. Conclusion: Overall, the study found a significant and positive relationship impact of digitization of health on perceptions of health workers. Recommendation: It is suggested that future studies investigate the factors and strategies influencing the change of perceptions associated with the digitization of health.

Methods and tools for analysis and management of risks and regulatory compliance in the healthcare sector: the hospital at home – HaH

Changing or creating an organisation means creating a new process. Each process involves many risks that need to be identified and managed. The main risks considered here are procedural and legal risks. The former are related to the risks of errors that may occur during processes, while the latter are related to the compliance of processes with regulations. Managing the risks implies proposing changes to the processes that allow the desired result: an optimised process. In order to manage a company and optimise it in the best possible way, not only should the organisational aspect, risk management and legal compliance be taken into account, but it is important that they are all analysed simultaneously with the aim of finding the right balance that satisfies them all. This is the aim of this thesis, to provide methods and tools to balance these three characteristics, and to enable this type of optimisation, ICT support is used. This work isn’t a thesis in computer science or law, but rather an interdisciplinary thesis. Most of the work done so far is vertical and in a specific domain. The particularity and aim of this thesis is not to carry out an in-depth analysis of a particular aspect, but rather to combine several important aspects, normally analysed separately, which however have an impact and influence each other. In order to carry out this kind of interdisciplinary analysis, the knowledge base of both areas was involved and the combination and collaboration of different experts in the various fields was necessary. Although the methodology described is generic and can be applied to all sectors, the case study considered is a new type of healthcare service that allows patients in acute disease to be hospitalised to their home. This provide the possibility to perform experiments using real hospital database.

Smart Textile Sensors for Healthcare Monitoring

Wearable electronic textiles are an emerging research field playing a pivotal role among several different technological areas such as sensing, communication, clothing, health monitoring, information technology, and microsystems. The possibility to realise a fully-textile platform, endowed with various sensors directly realised with textile fibres and fabric, represents a new challenge for the entire research community. Among several high-performing materials, the intrinsically conductive poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), doped with poly(styrenesulfonic acid) (PSS), or PEDOT:PSS, is one of the most representative and utilised, having an excellent chemical and thermal stability, as well as reversible doping state and high conductivity. This work relies on PEDOT:PSS combined with sensible materials to design, realise, and develop textile chemical and physical sensors. In particular, chloride concentration and pH level sensors in human sweat for continuous monitoring of the wearer's hydration status and stress level are reported. Additionally, a prototype smart bandage detecting the moisture level and pH value of a bed wound to allow the remote monitoring of the healing process of severe and chronic wounds is described. Physical sensors used to monitor the pressure distribution for rehabilitation, workplace safety, or sport tracking are also presented together with a novel fully-textile device able to measure the incident X-ray dose for medical or security applications where thin, comfortable, and flexible features are essential. Finally, a proof-of-concept for an organic-inorganic textile thermoelectric generator that harvests energy directly from body heat has been proposed. Though further efforts must be dedicated to overcome issues such as durability, washability, power consumption, and large-scale production, the novel, versatile, and widely encompassing area of electronic textiles is a promising protagonist in the upcoming technological revolution.

Valutazione cinematica complessiva, in vivo e sotto carico, di un modello protesico di caviglia a 3 componenti.

Nonostante le importanti ricadute che gli impianti protesici di caviglia hanno nella qualità della vita dei pazienti che si sottopongono ad intervento di sostituzione articolare, le reali proprietà biomeccaniche e cinematiche in-vivo e sotto carico degli impianti protesici sono state scarsamente studiate e descritte in letteratura. Lo scopo di questa trattazione è quella di valutare la cinematica protesica complessiva, in vivo, attraverso l’utilizzo dell’Analisi Radiostereometrica model-based (MB-RSA) e di ulteriori metodiche clinico-strumentali. La valutazione cinematica è stata permessa dall’analisi della posizione degli impianti attraverso la MB-RSA. Tra gli obiettivi secondari, i pazienti sono stati valutati clinicamente mediante AOFAS Ankle-Hindfoot score e SF-36, mediante full-body gait analysis con sensori inerziali e valutazione posturale-stabilometrica mediante Y Balance Test e workstation dedicata Delos DPPS. I pazienti sottoposti ad iter completo con valutazione clinica e strumentale a fine follow-up sono risultati 18 (2 drop-out). Il ROM complessivo a catena cinetica chiusa ha evidenziato una dorsi-plantarflessione complessiva media di 19.84°. Gli score clinici hanno mostrato tutti un netto miglioramento nel post-operatorio. La gait analysis ha evidenziato uno schema del passo composto dai tre principali spike e compatibile con schemi fisiologici. Dal punto di vista cinematico, i risultati angolari MB-RSA ricavati durante questo lavoro di tesi evidenziano tutti e 6 i gradi di libertà, dato coerente con la mobilità di una caviglia nativa. Valori di articolarità differenti sono stati registrati mediante sensori inerziali. Infine, in una valutazione cinematica complessiva, le possibili implicazioni sul bilanciamento posturale e propriocettivo presente nelle caviglie artrosiche e successivamente sottoposte a sostituzione protesica totale sono ampiamente descritte e discusse. I dati raccolti in questo lavoro di tesi rappresentano il risultato di una valutazione cinematica complessiva, e potranno aiutare a definire una tipologia di soggetto artrosico in cui i risultati siano verosimilmente migliori ed eventualmente a migliorare design e strumentari futuri.

Integration of heterogeneous data sources and automated reasoning in healthcare and domotic IoT systems

In recent years, IoT technology has radically transformed many crucial industrial and service sectors such as healthcare. The multi-facets heterogeneity of the devices and the collected information provides important opportunities to develop innovative systems and services. However, the ubiquitous presence of data silos and the poor semantic interoperability in the IoT landscape constitute a significant obstacle in the pursuit of this goal. Moreover, achieving actionable knowledge from the collected data requires IoT information sources to be analysed using appropriate artificial intelligence techniques such as automated reasoning. In this thesis work, Semantic Web technologies have been investigated as an approach to address both the data integration and reasoning aspect in modern IoT systems. In particular, the contributions presented in this thesis are the following: (1) the IoT Fitness Ontology, an OWL ontology that has been developed in order to overcome the issue of data silos and enable semantic interoperability in the IoT fitness domain; (2) a Linked Open Data web portal for collecting and sharing IoT health datasets with the research community; (3) a novel methodology for embedding knowledge in rule-defined IoT smart home scenarios; and (4) a knowledge-based IoT home automation system that supports a seamless integration of heterogeneous devices and data sources.