Rethink Digital Health Innovation: Understanding Socio-Technical Interoperability as Guiding Concept

Diese Dissertation sucht nach einem theoretischem Grundgerüst, um komplexe, digitale Gesundheitsinnovationen so zu entwickeln, dass sie bessere Erfolgsaussichten haben, auch in der alltäglichen Versorgungspraxis anzukommen. Denn obwohl es weder am Bedarf von noch an Ideen für digitale Gesundheitsinnovationen mangelt, bleibt die Flut an erfolgreich in der Praxis etablierten Lösungen leider aus. Dieser unzureichende Diffusionserfolg einer entwickelten Lösung - gern auch als Pilotitis pathologisiert - offenbart sich insbesondere dann, wenn die geplante Innovation mit größeren Ambitionen und Komplexität verbunden ist. Dem geübten Kritiker werden sofort ketzerische Gegenfragen in den Sinn kommen. Beispielsweise was denn unter komplexen, digitalen Gesundheitsinnovationen verstanden werden soll und ob es überhaupt möglich ist, eine universale Lösungsformel zu finden, die eine erfolgreiche Diffusion digitaler Gesundheitsinnovationen garantieren kann. Beide Fragen sind nicht nur berechtigt, sondern münden letztlich auch in zwei Forschungsstränge, welchen ich mich in dieser Dissertation explizit widme. In einem ersten Block erarbeite ich eine Abgrenzung jener digitalen Gesundheitsinnovationen, welche derzeit in Literatur und Praxis besondere Aufmerksamkeit aufgrund ihres hohen Potentials zur Versorgungsverbesserung und ihrer resultierenden Komplexität gewidmet ist. Genauer gesagt untersuche ich dominante Zielstellungen und welche Herausforderung mit ihnen einhergehen. Innerhalb der Arbeiten in diesem Forschungsstrang kristallisieren sich vier Zielstellungen heraus: 1. die Unterstützung kontinuierlicher, gemeinschaftlicher Versorgungsprozesse über diverse Leistungserbringer (auch als inter-organisationale Versorgungspfade bekannt); 2. die aktive Einbeziehung der Patient:innen in ihre Versorgungsprozesse (auch als Patient Empowerment oder Patient Engagement bekannt); 3. die Stärkung der sektoren-übergreifenden Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Versorgungpraxis bis hin zu lernenden Gesundheitssystemen und 4. die Etablierung daten-zentrierter Wertschöpfung für das Gesundheitswesen aufgrund steigender bzgl. Verfügbarkeit valider Daten, neuen Verarbeitungsmethoden (Stichwort Künstliche Intelligenz) sowie den zahlreichen Nutzungsmöglichkeiten. Im Fokus dieser Dissertation stehen daher weniger die autarken, klar abgrenzbaren Innovationen (bspw. eine Symptomtagebuch-App zur Beschwerdedokumentation). Vielmehr adressiert diese Doktorarbeit jene Innovationsvorhaben, welche eine oder mehrere der o.g. Zielstellung verfolgen, ein weiteres technologisches Puzzleteil in komplexe Informationssystemlandschaften hinzufügen und somit im Zusammenspiel mit diversen weiteren IT-Systemen zur Verbesserung der Gesundheitsversorgung und/ oder ihrer Organisation beitragen. In der Auseinandersetzung mit diesen Zielstellungen und verbundenen Herausforderungen der Systementwicklung rückte das Problem fragmentierter IT-Systemlandschaften des Gesundheitswesens in den Mittelpunkt. Darunter wird der unerfreuliche Zustand verstanden, dass unterschiedliche Informations- und Anwendungssysteme nicht wie gewünscht miteinander interagieren können. So kommt es zu Unterbrechungen von Informationsflüssen und Versorgungsprozessen, welche anderweitig durch fehleranfällige Zusatzaufwände (bspw. Doppeldokumentation) aufgefangen werden müssen. Um diesen Einschränkungen der Effektivität und Effizienz zu begegnen, müssen eben jene IT-System-Silos abgebaut werden. Alle o.g. Zielstellungen ordnen sich dieser defragmentierenden Wirkung unter, in dem sie 1. verschiedene Leistungserbringer, 2. Versorgungsteams und Patient:innen, 3. Wissenschaft und Versorgung oder 4. diverse Datenquellen und moderne Auswertungstechnologien zusammenführen wollen. Doch nun kommt es zu einem komplexen Ringschluss. Einerseits suchen die in dieser Arbeit thematisierten digitalen Gesundheitsinnovationen Wege zur Defragmentierung der Informationssystemlandschaften. Andererseits ist ihre eingeschränkte Erfolgsquote u.a. in eben jener bestehenden Fragmentierung begründet, die sie aufzulösen suchen. Mit diesem Erkenntnisgewinn eröffnet sich der zweite Forschungsstrang dieser Arbeit, der sich mit der Eigenschaft der 'Interoperabilität' intensiv auseinandersetzt. Er untersucht, wie diese Eigenschaft eine zentrale Rolle für Innovationsvorhaben in der Digital Health Domäne einnehmen soll. Denn Interoperabilität beschreibt, vereinfacht ausgedrückt, die Fähigkeit von zwei oder mehreren Systemen miteinander gemeinsame Aufgaben zu erfüllen. Sie repräsentiert somit das Kernanliegen der identifizierten Zielstellungen und ist Dreh- und Angelpunkt, wenn eine entwickelte Lösung in eine konkrete Zielumgebung integriert werden soll. Von einem technisch-dominierten Blickwinkel aus betrachtet, geht es hierbei um die Gewährleistung von validen, performanten und sicheren Kommunikationsszenarien, sodass die o.g. Informationsflussbrüche zwischen technischen Teilsystemen abgebaut werden. Ein rein technisches Interoperabilitätsverständnis genügt jedoch nicht, um die Vielfalt an Diffusionsbarrieren von digitalen Gesundheitsinnovationen zu umfassen. Denn beispielsweise das Fehlen adäquater Vergütungsoptionen innerhalb der gesetzlichen Rahmenbedingungen oder eine mangelhafte Passfähigkeit für den bestimmten Versorgungsprozess sind keine rein technischen Probleme. Vielmehr kommt hier eine Grundhaltung der Wirtschaftsinformatik zum Tragen, die Informationssysteme - auch die des Gesundheitswesens - als sozio-technische Systeme begreift und dabei Technologie stets im Zusammenhang mit Menschen, die sie nutzen, von ihr beeinflusst werden oder sie organisieren, betrachtet. Soll eine digitale Gesundheitsinnovation, die einen Mehrwert gemäß der o.g. Zielstellungen verspricht, in eine existierende Informationssystemlandschaft der Gesundheitsversorgung integriert werden, so muss sie aus technischen sowie nicht-technischen Gesichtspunkten 'interoperabel' sein. Zwar ist die Notwendigkeit von Interoperabilität in der Wissenschaft, Politik und Praxis bekannt und auch positive Bewegungen der Domäne hin zu mehr Interoperabilität sind zu verspüren. Jedoch dominiert dabei einerseits ein technisches Verständnis und andererseits bleibt das Potential dieser Eigenschaft als Leitmotiv für das Innovationsmanagement bislang weitestgehend ungenutzt. An genau dieser Stelle knüpft nun der Hauptbeitrag dieser Doktorarbeit an, in dem sie eine sozio-technische Konzeptualisierung und Kontextualisierung von Interoperabilität für künftige digitale Gesundheitsinnovationen vorschlägt. Literatur- und expertenbasiert wird ein Rahmenwerk erarbeitet - das Digital Health Innovation Interoperability Framework - das insbesondere Innovatoren und Innovationsfördernde dabei unterstützen soll, die Diffusionswahrscheinlichkeit in die Praxis zu erhöhen. Nun sind mit diesem Framework viele Erkenntnisse und Botschaften verbunden, die ich für diesen Prolog wie folgt zusammenfassen möchte: 1. Um die Entwicklung digitaler Gesundheitsinnovationen bestmöglich auf eine erfolgreiche Integration in eine bestimmte Zielumgebung auszurichten, sind die Realisierung eines neuartigen Wertversprechens sowie die Gewährleistung sozio-technischer Interoperabilität die zwei zusammenhängenden Hauptaufgaben eines Innovationsprozesses. 2. Die Gewährleistung von Interoperabilität ist eine aktiv zu verantwortende Managementaufgabe und wird durch projektspezifische Bedingungen sowie von externen und internen Dynamiken beeinflusst. 3. Sozio-technische Interoperabilität im Kontext digitaler Gesundheitsinnovationen kann über sieben, interdependente Ebenen definiert werden: Politische und regulatorische Bedingungen; Vertragsbedingungen; Versorgungs- und Geschäftsprozesse; Nutzung; Information; Anwendungen; IT-Infrastruktur. 4. Um Interoperabilität auf jeder dieser Ebenen zu gewährleisten, sind Strategien differenziert zu definieren, welche auf einem Kontinuum zwischen Kompatibilitätsanforderungen aufseiten der Innovation und der Motivation von Anpassungen aufseiten der Zielumgebung verortet werden können. 5. Das Streben nach mehr Interoperabilität fördert sowohl den nachhaltigen Erfolg der einzelnen digitalen Gesundheitsinnovation als auch die Defragmentierung existierender Informationssystemlandschaften und trägt somit zur Verbesserung des Gesundheitswesens bei. Zugegeben: die letzte dieser fünf Botschaften trägt eher die Färbung einer Überzeugung, als dass sie ein Ergebnis wissenschaftlicher Beweisführung ist. Dennoch empfinde ich diese, wenn auch persönliche Erkenntnis als Maxim der Domäne, der ich mich zugehörig fühle - der IT-Systementwicklung des Gesundheitswesens

Leveraging Self-Adaptive Dynamic Software Architecture

Software systems are growing complex due to the technological innovations and integration of businesses. There is ever increasing need for changes in the software systems. However, incorporating changes is time consuming and costly. Self-adaptation is therefore is the desirable feature of any software that can have ability to adapt to changes without the need for manual reengineering and software update. To state it differently robust, self adaptive dynamic software architecture is the need of the hour. Unfortunately, the existing solutions available for self-adaptation need human intervention and have limitations. The architecture like Rainbow achieved self-adaptation. However, it needs to be improves in terms of quality of service analysis and mining knowledge and reusing it for making well informed decisions in choosing adaptation strategies. In this paper we proposed and implemented Enhanced Self-Adaptive Dynamic Software Architecture (ESADSA) which provides automatic self-adaptation based on the runtime requirements of the system. It decouples self-adaptation from target system with loosely coupled approach while preserves cohesion of the target system. We built a prototype application that runs in distributed environment for proof of concept. The empirical results reveal significance leap forward in improving dynamic self-adaptive software architecture

Motor Imagery to Facilitate Sensorimotor Re-Learning (MOTIFS): Integrating Dynamic Motor Imagery in Current Treatment of Knee Injury

Traumatic knee injury is common in physical activity that includes jumping and cutting movements, and most commonly include anterior cruciate ligament (ACL) or meniscus injuries. Surgical or non-surgical intervention strategies may be chosen, but treatment will include a physical-therapist led physical training program. The aim of this training is to strengthen and stabilize the knee. Despite receiving best-practice treatment, many are unable to return to their pre-injury activity level. Recent research has suggested that this may be explained, in part, by psychological factors such as fear of re-injury or lack of confidence. In addition to physical treatment, guidelines include recommendations to address psychological factors. The detail of how this can be done is lacking, and the extent to which psychological variables are adequately addressed is questionable. In response to this gap, we have developed the novel Motor Imagery to Facilitate Sensorimotor Re-Learning (MOTIFS) model, which integrates psychological training into physical rehabilitation protocols using a dynamic motor imagery intervention. MOTIFS increases realism and relevance while simultaneously physically and psychologically simulating activity-specific and individualized rehabilitation exercises. The aim of this thesis is therefore to develop and explore the efficacy of the MOTIFS model in physically and psychologically preparing knee-injured people for return to activity compared to care-as-usual rehabilitation. The primary hypothesis of this thesis is that the MOTIFS model will provide greater effects on patient-relevant outcomes and muscle function than current programs. In a first step, the effect of MOTIFS model on enjoyment and other self-reported outcomes was evaluated in a cross-over study (Paper I) in which uninjured people underwent training according to both MOTIFS and care-as-usual training protocols. Next, a protocol detailing an ongoing randomized controlled trial (Paper II) which will compare 12 weeks of MOTIFS and care-as-usual training in terms of psychological readiness to return to activity and functional performance. Finally, two interview studies were conducted in which physical therapists (Paper III) and Patients (Paper IV) in both MOTIFS and care-as-usual groups were interviewed about the experiences of rehabilitation training following traumatic knee injury.Results of this thesis show that the MOTIFS model has the potential to increase enjoyment of knee injury prevention and treatment exercises. Other self-reported outcomes were also improved, and the MOTIFS model does not seem to sacrifice movement quality, indicating that it is possible to modify exercises by integrating a dynamic motor imagery intervention. Results of the interview study with physical therapists indicates that those in the MOTIFS group perceive a greater focus on psychological factors while using the new training model, and believe that it is an effective method of increasing patient readiness to return to activity. Those in the care-as-usual group described their perception of rehabilitation training as having a mainly physical focus. They expressed a desire for more tools to address psychological factors, as they perceived patient reactions to be psychological in nature and felt they were ill equipped to handle these factors. Patients in the MOTIFS group perceived MOTIFS to be meaningful and a positive method of increasing their readiness to return to sport, owing to early exposure to activity, which helps them to feel that they have longer to prepare for their return. Those in the care-as-usual group perceive a lack of psychological focus, and their success was measured in terms of their physical progress through rehabilitation. Results indicate that the MOTIFS model may be a feasible and clinically implementable method of addressing psychological factors in rehabilitation training. As the randomized controlled trial is still ongoing, no conclusions can be drawn regarding the efficacy of the intervention on rehabilitation outcomes. However, given the results of Papers I, III and IV, it seems a promising start to bridge the gap between physical and psychological rehabilitation outcomes

Arts, Health and Well-Being across the Military Continuum

Is there an active, meaningful role for the arts and creative arts therapies in addressing this vast array of critical human readiness issues across the military continuum? In general, "readiness" is the #1 issue for the military at all times. The connection of the arts to the human dimension of readiness is key. Military leaders say we need every weapon in our arsenal to meet the many challenges we face today. However, one of the most powerful tools we have in our arsenal -- the arts -- is often under-utilized and not well understood within the military and the healthcare system. The arts and creative arts therapists are -- and have been -- a part of military tradition and missions across all branches, supporting military health services, wellness, and mission readiness, including family support. For example, the War Department ordered the use of music in rehabilitation for the war wounded in World War II. In June 1945, the Department of War issued "Technical Bulletin 187: Music in Reconditioning in American Service Convalescent and General Hospitals." This bulletin was a catalyst for the growth and development of music therapy being used as a rehabilitative service for active duty service members and veterans alike during and after WWII. Although many gaps exist in our knowledge regarding the arts in military settings, what we do know to date holds great promise for powerful outcomes for our service members, veterans, their families, and the individuals who care for them. Today, a growing number of members of the public and private sectors are eager to collaborate with military leaders to help make these outcomes a reality.Nowhere was the momentum for greater collaboration more evident than in October 2011, when the first National Summit: Arts in Healing for Warriors was held at Walter Reed National Military Medical Center (now referred to as Walter Reed Bethesda) and the National Intrepid Center of Excellence (NICoE). Rear Admiral Alton L. Stocks, Commander of Walter Reed Bethesda, hosted the National Summit, in partnership with a national planning group of military, government, and nonprofit leaders. The 2011 Summit marked the first time various branches of the military collaborated with civilian agencies to discuss how engaging with the arts provides opportunities to meet the key health issues our military faces -- from pre-deployment to deployment to homecoming.Building upon its success, a multi-year National Initiative for Arts & Health in the Military was established in 2012, with the advice and guidance of federal agency, military, nonprofit, and private sector partners (see Figure 2). The National Initiative for Arts & Health in the Military (National Initiative) represents an unprecedented military/civilian collaborative effort whose mission is to "advance the arts in health, healing, and healthcare for military service members, veterans, their families, and caregivers."Members of the National Initiative share a commitment to optimize health and wellness, with a deep understanding and awareness that the arts offer a unique and powerful doorway into healing in ways that many conventional medical approaches do not. The Initiative's goals include working across military, government, private, and nonprofit sectors to: 1. Advance the policy, practice, and quality use of arts and creativity as tools for health in the military; 2. Raise visibility, understanding, and support of arts and health in the military; and 3. Make the arts as tools for health available to all active duty military, medical staff, family members, and veterans

Eye quietness and quiet eye in expert and novice golf performance: an electrooculographic analysis

Quiet eye (QE) is the final ocular fixation on the target of an action (e.g., the ball in golf putting). Camerabased eye-tracking studies have consistently found longer QE durations in experts than novices; however, mechanisms underlying QE are not known. To offer a new perspective we examined the feasibility of measuring the QE using electrooculography (EOG) and developed an index to assess ocular activity across time: eye quietness (EQ). Ten expert and ten novice golfers putted 60 balls to a 2.4 m distant hole. Horizontal EOG (2ms resolution) was recorded from two electrodes placed on the outer sides of the eyes. QE duration was measured using a EOG voltage threshold and comprised the sum of the pre-movement and post-movement initiation components. EQ was computed as the standard deviation of the EOG in 0.5 s bins from –4 to +2 s, relative to backswing initiation: lower values indicate less movement of the eyes, hence greater quietness. Finally, we measured club-ball address and swing durations. T-tests showed that total QE did not differ between groups (p = .31); however, experts had marginally shorter pre-movement QE (p = .08) and longer post-movement QE (p < .001) than novices. A group × time ANOVA revealed that experts had less EQ before backswing initiation and greater EQ after backswing initiation (p = .002). QE durations were inversely correlated with EQ from –1.5 to 1 s (rs = –.48 - –.90, ps = .03 - .001). Experts had longer swing durations than novices (p = .01) and, importantly, swing durations correlated positively with post-movement QE (r = .52, p = .02) and negatively with EQ from 0.5 to 1s (r = –.63, p = .003). This study demonstrates the feasibility of measuring ocular activity using EOG and validates EQ as an index of ocular activity. Its findings challenge the dominant perspective on QE and provide new evidence that expert-novice differences in ocular activity may reflect differences in the kinematics of how experts and novices execute skills

Executable cancer models: successes and challenges

Making decisions on how best to treat cancer patients requires the integration of different data sets, including genomic profiles, tumour histopathology, radiological images, proteomic analysis and more. This wealth of biological information calls for novel strategies to integrate such information in a meaningful, predictive and experimentally verifiable way. In this Perspective we explain how executable computational models meet this need. Such models provide a means for comprehensive data integration, can be experimentally validated, are readily interpreted both biologically and clinically, and have the potential to predict effective therapies for different cancer types and subtypes. We explain what executable models are and how they can be used to represent the dynamic biological behaviours inherent in cancer, and demonstrate how such models, when coupled with automated reasoning, facilitate our understanding of the mechanisms by which oncogenic signalling pathways regulate tumours. We explore how executable models have impacted the field of cancer research and argue that extending them to represent a tumour in a specific patient (that is, an avatar) will pave the way for improved personalized treatments and precision medicine. Finally, we highlight some of the ongoing challenges in developing executable models and stress that effective cross-disciplinary efforts are key to forward progress in the field

Predicting future state for adaptive clinical pathway management

Clinical decision support systems are assisting physicians in providing care to patients. However, in the context of clinical pathway management such systems are rather limited as they only take the current state of the patient into account and ignore the possible evolvement of that state in the future. In the past decade, the availability of big data in the healthcare domain did open a new era for clinical decision support. Machine learning technologies are now widely used in the clinical domain, nevertheless, mostly as a tool for disease prediction. A tool that not only predicts future states, but also enables adaptive clinical pathway management based on these predictions is still in need. This paper introduces weighted state transition logic, a logic to model state changes based on actions planned in clinical pathways. Weighted state transition logic extends linear logic by taking weights -- numerical values indicating the quality of an action or an entire clinical pathway -- into account. It allows us to predict the future states of a patient and it enables adaptive clinical pathway management based on these predictions. We provide an implementation of weighted state transition logic using semantic web technologies, which makes it easy to integrate semantic data and rules as background knowledge. Executed by a semantic reasoner, it is possible to generate a clinical pathway towards a target state, as well as to detect potential conflicts in the future when multiple pathways are coexisting. The transitions from the current state to the predicted future state are traceable, which builds trust from human users on the generated pathway