Cohort Identification Using Semantic Web Technologies: Ontologies and Triplestores as Engines for Complex Computable Phenotyping

Electronic health record (EHR)-based computable phenotypes are algorithms used to identify individuals or populations with clinical conditions or events of interest within a clinical data repository. Due to a lack of EHR data standardization, computable phenotypes can be semantically ambiguous and difficult to share across institutions. In this research, I propose a new computable phenotyping methodological framework based on semantic web technologies, specifically ontologies, the Resource Description Framework (RDF) data format, triplestores, and Web Ontology Language (OWL) reasoning. My hypothesis is that storing and analyzing clinical data using these technologies can begin to address the critical issues of semantic ambiguity and lack of interoperability in the context of computable phenotyping. To test this hypothesis, I compared the performance of two variants of two computable phenotypes (for depression and rheumatoid arthritis, respectively). The first variant of each phenotype used a list of ICD-10-CM codes to define the condition; the second variant used ontology concepts from SNOMED and the Human Phenotype Ontology (HPO). After executing each variant of each phenotype against a clinical data repository, I compared the patients matched in each case to see where the different variants overlapped and diverged. Both the ontologies and the clinical data were stored in an RDF triplestore to allow me to assess the interoperability advantages of the RDF format for clinical data. All tested methods successfully identified cohorts in the data store, with differing rates of overlap and divergence between variants. Depending on the phenotyping use case, SNOMED and HPO’s ability to more broadly define many conditions due to complex relationships between their concepts may be seen as an advantage or a disadvantage. I also found that RDF triplestores do indeed provide interoperability advantages, despite being far less commonly used in clinical data applications than relational databases. Despite the fact that these methods and technologies are not “one-size-fits-all,” the experimental results are encouraging enough for them to (1) be put into practice in combination with existing phenotyping methods or (2) be used on their own for particularly well-suited use cases.Doctor of Philosoph

The National COVID Cohort Collaborative (N3C): Rationale, design, infrastructure, and deployment

OBJECTIVE: Coronavirus disease 2019 (COVID-19) poses societal challenges that require expeditious data and knowledge sharing. Though organizational clinical data are abundant, these are largely inaccessible to outside researchers. Statistical, machine learning, and causal analyses are most successful with large-scale data beyond what is available in any given organization. Here, we introduce the National COVID Cohort Collaborative (N3C), an open science community focused on analyzing patient-level data from many centers. MATERIALS AND METHODS: The Clinical and Translational Science Award Program and scientific community created N3C to overcome technical, regulatory, policy, and governance barriers to sharing and harmonizing individual-level clinical data. We developed solutions to extract, aggregate, and harmonize data across organizations and data models, and created a secure data enclave to enable efficient, transparent, and reproducible collaborative analytics. RESULTS: Organized in inclusive workstreams, we created legal agreements and governance for organizations and researchers; data extraction scripts to identify and ingest positive, negative, and possible COVID-19 cases; a data quality assurance and harmonization pipeline to create a single harmonized dataset; population of the secure data enclave with data, machine learning, and statistical analytics tools; dissemination mechanisms; and a synthetic data pilot to democratize data access. CONCLUSIONS: The N3C has demonstrated that a multisite collaborative learning health network can overcome barriers to rapidly build a scalable infrastructure incorporating multiorganizational clinical data for COVID-19 analytics. We expect this effort to save lives by enabling rapid collaboration among clinicians, researchers, and data scientists to identify treatments and specialized care and thereby reduce the immediate and long-term impacts of COVID-19

The National COVID Cohort Collaborative (N3C): Rationale, design, infrastructure, and deployment.

OBJECTIVE: Coronavirus disease 2019 (COVID-19) poses societal challenges that require expeditious data and knowledge sharing. Though organizational clinical data are abundant, these are largely inaccessible to outside researchers. Statistical, machine learning, and causal analyses are most successful with large-scale data beyond what is available in any given organization. Here, we introduce the National COVID Cohort Collaborative (N3C), an open science community focused on analyzing patient-level data from many centers. MATERIALS AND METHODS: The Clinical and Translational Science Award Program and scientific community created N3C to overcome technical, regulatory, policy, and governance barriers to sharing and harmonizing individual-level clinical data. We developed solutions to extract, aggregate, and harmonize data across organizations and data models, and created a secure data enclave to enable efficient, transparent, and reproducible collaborative analytics. RESULTS: Organized in inclusive workstreams, we created legal agreements and governance for organizations and researchers; data extraction scripts to identify and ingest positive, negative, and possible COVID-19 cases; a data quality assurance and harmonization pipeline to create a single harmonized dataset; population of the secure data enclave with data, machine learning, and statistical analytics tools; dissemination mechanisms; and a synthetic data pilot to democratize data access. CONCLUSIONS: The N3C has demonstrated that a multisite collaborative learning health network can overcome barriers to rapidly build a scalable infrastructure incorporating multiorganizational clinical data for COVID-19 analytics. We expect this effort to save lives by enabling rapid collaboration among clinicians, researchers, and data scientists to identify treatments and specialized care and thereby reduce the immediate and long-term impacts of COVID-19

Desiderata for the development of next-generation electronic health record phenotype libraries

Background High-quality phenotype definitions are desirable to enable the extraction of patient cohorts from large electronic health record repositories and are characterized by properties such as portability, reproducibility, and validity. Phenotype libraries, where definitions are stored, have the potential to contribute significantly to the quality of the definitions they host. In this work, we present a set of desiderata for the design of a next-generation phenotype library that is able to ensure the quality of hosted definitions by combining the functionality currently offered by disparate tooling. Methods A group of researchers examined work to date on phenotype models, implementation, and validation, as well as contemporary phenotype libraries developed as a part of their own phenomics communities. Existing phenotype frameworks were also examined. This work was translated and refined by all the authors into a set of best practices. Results We present 14 library desiderata that promote high-quality phenotype definitions, in the areas of modelling, logging, validation, and sharing and warehousing. Conclusions There are a number of choices to be made when constructing phenotype libraries. Our considerations distil the best practices in the field and include pointers towards their further development to support portable, reproducible, and clinically valid phenotype design. The provision of high-quality phenotype definitions enables electronic health record data to be more effectively used in medical domains

Desiderata for the development of next-generation electronic health record phenotype libraries

BackgroundHigh-quality phenotype definitions are desirable to enable the extraction of patient cohorts from large electronic health record repositories and are characterized by properties such as portability, reproducibility, and validity. Phenotype libraries, where definitions are stored, have the potential to contribute significantly to the quality of the definitions they host. In this work, we present a set of desiderata for the design of a next-generation phenotype library that is able to ensure the quality of hosted definitions by combining the functionality currently offered by disparate tooling.MethodsA group of researchers examined work to date on phenotype models, implementation, and validation, as well as contemporary phenotype libraries developed as a part of their own phenomics communities. Existing phenotype frameworks were also examined. This work was translated and refined by all the authors into a set of best practices.ResultsWe present 14 library desiderata that promote high-quality phenotype definitions, in the areas of modelling, logging, validation, and sharing and warehousing.ConclusionsThere are a number of choices to be made when constructing phenotype libraries. Our considerations distil the best practices in the field and include pointers towards their further development to support portable, reproducible, and clinically valid phenotype design. The provision of high-quality phenotype definitions enables electronic health record data to be more effectively used in medical domains

Introducing Hermes: Executing Clinical Quality Language (CQL) at over 66 Million Resources per Second (inexpensively)

Clinical Quality Language (CQL) has emerged as a standard for rule representation in Clinical Decision Support (CDS) and Electronic Clinical Quality Measurement (eCQM) in healthcare. While open-source reference implementations and a few commercial engines exist, there is still a market need for high-performance engines that can execute CQL queries on the scales of millions of patients. We introduce the \Hermes{} engine as the world's fastest commercial CQL execution engine.Comment: 9 pages, 9 figures, 2 appendice

Collaborative Cloud Computing Framework for Health Data with Open Source Technologies

The proliferation of sensor technologies and advancements in data collection methods have enabled the accumulation of very large amounts of data. Increasingly, these datasets are considered for scientific research. However, the design of the system architecture to achieve high performance in terms of parallelization, query processing time, aggregation of heterogeneous data types (e.g., time series, images, structured data, among others), and difficulty in reproducing scientific research remain a major challenge. This is specifically true for health sciences research, where the systems must be i) easy to use with the flexibility to manipulate data at the most granular level, ii) agnostic of programming language kernel, iii) scalable, and iv) compliant with the HIPAA privacy law. In this paper, we review the existing literature for such big data systems for scientific research in health sciences and identify the gaps of the current system landscape. We propose a novel architecture for software-hardware-data ecosystem using open source technologies such as Apache Hadoop, Kubernetes and JupyterHub in a distributed environment. We also evaluate the system using a large clinical data set of 69M patients.Comment: This paper is accepted in ACM-BCB 202

Systematic review on ai-blockchain based e-healthcare records management systems

Electronic health records (EHRs) are digitally saved health records that provide information about a person's health. EHRs are generally shared among healthcare stakeholders, and thus are susceptible to power failures, data misuse, a lack of privacy, security, and an audit trail, among other problems. Blockchain, on the other hand, is a groundbreaking technology that provides a distributed and decentralized environment in which nodes in a list of networks can connect to each other without the need for a central authority. It has the potential to overcome the limits of EHR management and create a more secure, decentralized, and safer environment for exchanging EHR data. Further, blockchain is a distributed ledger on which data can be stored and shared in a cryptographically secure, validated, and mutually agreed-upon manner across all mining nodes. The blockchain stores data with a high level of integrity and robustness, and it cannot be altered. When smart contracts are used to make decisions and conduct analytics with machine-learning algorithms, the results may be trusted and unquestioned. However, Blockchain is not always indestructible and suffers from scalability and complexity issues that might render it inefficient. Combining AI and blockchain technology can handled some of the drawbacks of these two technical ecosystems effectively. AI algorithms rely on data or information to learn, analyze, and reach conclusions. The performance of AI algorithms is enhanced through the data obtained from a data repository or a reliable, secure, trustworthy, and credible platform. Researchers have identified three categories of blockchain-based potential solutions for the management of electronic health records: conceptual, prototype, and implemented. The purpose of this research work is to conduct a Systematic Literature Review (SLR) to identify and assess research articles that were either conceptual or implemented to manage EHRs using blockchain technology. The study conducts a comprehensive evaluation of the literature on blockchain technology and enhanced health record management systems utilizing artificial intelligence technologies. The study examined 189 research papers collected from various publication categories. The in-depth analysis focuses on the privacy, security, accessibility, and scalability of publications. The SLR has illustrated that blockchain technology has the potential to deliver decentralization, security, and privacy that are frequently lacking in traditional EHRs. Additionally, the outcomes of the extensive analysis inform future researchers about the type of blockchain to use in their research. Additionally, methods used in healthcare are summarized per application area while their pros and cons are highlighted. Finally, the emphasized taxonomy combines blockchain and artificial intelligence, which enables us to analyze possible blockchain and artificial intelligence applications in health records management systems. The article ends with a discussion on open issues for research and future directions

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