Heath-PRIOR: An Intelligent Ensemble Architecture to Identify Risk Cases in Healthcare

Smart city environments, when applied to healthcare, improve the quality of people\u27s lives, enabling, for instance, disease prediction and treatment monitoring. In medical settings, case prioritization is of great importance, with beneficial outcomes both in terms of patient health and physicians\u27 daily work. Recommender systems are an alternative to automatically integrate the data generated in such environments with predictive models and recommend actions, content, or services. The data produced by smart devices are accurate and reliable for predictive and decision-making contexts. This study main purpose is to assist patients and doctors in the early detection of disease or prediction of postoperative worsening through constant monitoring. To achieve this objective, this study proposes an architecture for recommender systems applied to healthcare, which can prioritize emergency cases. The architecture brings an ensemble approach for prediction, which adopts multiple Machine Learning algorithms. The methodology used to carry out the study followed three steps. First, a systematic literature mapping, second, the construction and development of the architecture, and third, the evaluation through two case studies. The results demonstrated the feasibility of the proposal. The predictions are promising and adherent to the application context for accurate datasets with a low amount of noises or missing values

Exploring Unconventional Sources in Big Data: A Data Lifecycle Approach for Social and Economic Analysis with Machine Learning

This study delves into the realm of leveraging unconventional sources within the domain of Big Data for conducting insightful social and economic analyses. Employing a Data Lifecycle Approach, the research focuses on harnessing the potential of linear regression, random forest, and XGBoost techniques to extract meaningful insights from unconventional data sources. The study encompasses a structured methodology involving data collection, preprocessing, feature engineering, model selection, and iterative refinement. By applying these techniques to diverse datasets, encompassing sources like social media content, sensor data, and satellite imagery, the study aims to provide a comprehensive understanding of social and economic trends. The results obtained through these methods contribute to an enhanced comprehension of the intricate relationships within societal and economic systems, further highlighting the importance of unconventional data sources in driving valuable insights for decision-makers and researchers alike

Towards a Reference Architecture for Female-Sensitive Drug Management

Due to various biological factors, males and females differ in their response to drug treatment. However, there is still a lack of knowledge of the effects resulting from sex-differences in the medical field, especially due to the issue of underrepresentation of females in clinical studies. Considering severe diseases that are related to the cardiovascular system, which are likely to be perilous, counteracting this lack and emphasizing the need for sex-dependent drug treatment is of high importance. Thus, this research-in-progress paper aims at strengthening the female perspective in drug management by proposing design considerations on IS regarding recommender systems in healthcare for reinforcing shared decision-making and person-centered care. The resulting artefact presented will be a reference architecture with a mobile application as the interface to patients and healthcare professionals as well as a data- driven backend to collect and process data on sex specificity in the medical treatment of cardiovascular diseases (CVD)

A Critical Evaluation of Business Improvement through Machine Learning: Challenges, Opportunities, and Best Practices

This paper presents a critical evaluation of the impact of machine learning (ML) on business improvement, focusing on the challenges, opportunities, and best practices associated with its implementation. The study examines the hurdles faced by businesses while integrating ML, such as data quality, talent acquisition, algorithm bias, interpretability, and privacy concerns. On the other hand, it highlights the advantages of ML, including data-driven decision-making, enhanced customer experience, process optimization, cost reduction, and the potential for new revenue streams. Furthermore, the paper offers best practices to guide businesses in successfully adopting ML solutions, covering data management, talent development, model evaluation, ethics, and regulatory compliance. Through real-world case studies, the study illustrates successful ML applications in different industries. It also addresses the ethical and social implications of ML adoption and discusses emerging trends for future directions. Ultimately, this evaluation provides valuable insights to enable informed decisions and sustainable growth for businesses leveraging machine learning

SoK: Assessing the State of Applied Federated Machine Learning

Machine Learning (ML) has shown significant potential in various applications; however, its adoption in privacy-critical domains has been limited due to concerns about data privacy. A promising solution to this issue is Federated Machine Learning (FedML), a model-to-data approach that prioritizes data privacy. By enabling ML algorithms to be applied directly to distributed data sources without sharing raw data, FedML offers enhanced privacy protections, making it suitable for privacy-critical environments. Despite its theoretical benefits, FedML has not seen widespread practical implementation. This study aims to explore the current state of applied FedML and identify the challenges hindering its practical adoption. Through a comprehensive systematic literature review, we assess 74 relevant papers to analyze the real-world applicability of FedML. Our analysis focuses on the characteristics and emerging trends of FedML implementations, as well as the motivational drivers and application domains. We also discuss the encountered challenges in integrating FedML into real-life settings. By shedding light on the existing landscape and potential obstacles, this research contributes to the further development and implementation of FedML in privacy-critical scenarios.Comment: 9 pages, 6 figures, 3 table

A Systems Medicine approach to multimorbidity. Towards personalised care for patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease

[eng] BACKGROUND: Multimorbidity (i.e. the presence of more than one chronic disease in the same patient) and comorbidity (i.e. the presence of more than one chronic disease in the presence of an index disease) are main sources of dysfunction in chronic patients and avoidable costs in conventional health systems worldwide. By affecting a majority of elderly population worldwide, multimorbidity prompts the need for revisiting the single disease approach followed by contemporary clinical practice and elaborate strategies that target shared mechanisms of associated diseases with the potential of preventing, decelerating or even halting multimorbid disease progression. However, our current understanding on disease interactions is rather limited, and although many disorders have been associated based on their shared molecular traits and their observed co-occurrence in different populations, no comprehensive approach has been outlined to translate this knowledge into clinical practice. The advent of novel measurement technologies (e.g. omics) and recent initiatives on digital health (e.g. registries, electronic health records) are facilitating access to an enormous amount of patient-related information from whole populations to molecular levels. State-of-the art computational models and machine learning tools demonstrate high potential for health prediction and together with systems biology are shaping the practicalities of systems medicine. Given the extremely long and expensive bench to clinics cycles of the biomedical sector, systems medicine promises a fast track approach where scientific evidence support clinical care, while simultaneously collected insights from daily clinical practice promote new scientific discoveries and optimize healthcare. The PhD thesis aims to explore multimorbidity from a systems medicine perspective on the concrete and practical use case of chronic obstructive pulmonary disease (COPD). COPD constitutes an ideal use case due to several factors, including: i) its high impact on healthcare and its ever-increasing burden; ii) its heterogeneous disease manifestations, and progress, often involving extra-pulmonary effects, including highly prevalent comorbidities (e.g. type 2 diabetes mellitus, cardiovascular disorders, anxiety-depression and lung cancer); and, iii) its well described systemic effects that are suggested associations with comorbidities in terms of underlying mechanisms. HYPOTHESIS: The central hypothesis of the PhD thesis builds on the emerging biological evidence that clustering of comorbid conditions, a phenomenon seen in complex chronic patients, could be due to shared abnormalities in relevant biological pathways (i.e. bioenergetics, inflammation and tissue remodelling). It is assumed that a systems understanding of the patient conditions may help to uncover the molecular mechanisms and lead to the design of preventive and targeted therapeutic strategies aiming at modulating patient prognosis. The PhD thesis focuses on non-pulmonary phenomena of COPD; that is, systemic effects and comorbidities, often observed in patients with COPD as a paradigm of complex chronic disease. OBJECTIVES: The general objective of the PhD thesis is threefold: i) to investigate molecular disturbances at body systems level that may lead to a better understanding of characteristic systemic effects and comorbidities of patients with COPD; ii) to analyse population level patterns of COPD comorbidities and investigate their role in the health risk of patients with COPD; and, iii) to explore technological strategies and tools that facilitate the transfer of the collected knowledge on comorbidity into clinical practice. MAIN FINDINGS: Firstly, the PhD thesis introduced a novel knowledge management tool for targeted molecular analysis of underlying disease mechanisms of skeletal muscle dysfunction in patients with COPD. Second, a network analysis approach was outlined to further study this systemic effect, as well as the causes of abnormal adaptation of COPD muscle to exercise training. Furthermore, this work together with three other studies also aimed to reveal the general underlying causes of comorbidity clustering in COPD, using different modelling approaches. Overarching outcome of these studies indicates abnormalities in the complex co-regulation of core biological pathways (i.e. bioenergetics, inflammation, oxidative stress and tissue remodelling) both on muscle and body systems level (blood, lung), which paves the way for the development of novel pharmacological and non-pharmacological preventive interventions on non- pulmonary phenomena in patients with COPD. Furthermore, results indicated strong relation of muscle related dysregulations to aerobic capacity, in opposed to pulmonary severity of COPD. These findings have far reaching potential in COPD care, starting from defining the need for better characterization of exercise performance in the clinic practice and the promotion of physical activity from early stages of the disease. This PhD thesis also generated outcomes with respect to the risk of multimorbidity in patients with COPD using a population health approach. The thesis validated that patients with COPD are in increased risk to co-occur with other diseases compared to non-COPD patients, regardless of the population and healthcare system specificities of different regions (i.e. Catalonia, US). These findings indicated the potential role of multimorbidity as a risk factor for COPD, that was evaluated in the PhD thesis by constructing health risk assessment models to predict unexpected medical events in patients with COPD. The promising performance of the models and the prominent role of multimorbidity in these models presented a powerful argument for its role in clinical staging of the disease and their potential in clinical decision support. CONCLUSIONS: The PhD thesis achieved main points of the general objectives, namely: i) to perform a systems analysis of patients with COPD by investigating molecular disturbances at body systems level leading to a better understanding of characteristic systemic effects and comorbidities of patient with COPD; ii) to analyse population level patterns of COPD comorbidities and investigate their role in the health risk of patients with COPD; and iii) to explore technological strategies and tools that facilitate the transfer of the collected knowledge on comorbidity into clinical practice. Accordingly, the following conclusions arise: 1. Non-pulmonary manifestations in patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) have a major negative impact on: highly relevant clinical events, use of healthcare resources and prognosis. Accordingly, the following indications were made: a. Actionable insights on non-pulmonary phenomena should be included in the clinical staging of these patients in an operational manner. b. Management of patients with COPD should be revisited to incorporate an integrative approach to non-pulmonary phenomena. c. Innovative cost-effective interventions, and pharmacological and non- pharmacological treatments targeting prevention of non-pulmonary manifestations in patients with COPD should be developed, and properly assessed. 2. Abnormal co-regulation of core biological pathways (i.e. bioenergetics, inflammation, tissue remodelling and oxidative stress), both in skeletal muscle and at body systems level, are common characteristics of patients with COPD, which potentially play a major role in comorbidity clustering. 3. Consistent relationships between cardiovascular health, skeletal muscle dysfunction and clinical outcomes in patients with COPD was identified, which makes it a priority to characterize patient exercise performance and physical activity in the clinic, and to adopt early cardiopulmonary rehabilitation strategies to modulate prognosis and prevent comorbidity clustering in these patients. 4. Multimorbidity is a strong predictor of unplanned medical events in patients with COPD and shows high potential to be used for personalized health risk prediction and service workflow selection. 5. Personalized health risk prediction was identified as a high potential tool for the integration and transfer of scientific evidence on multimorbidity to daily clinical practice. Limiting factors of its present applicability were explored and implementation strategies based on cloud computing solutions were proposed.[cat] INTRODUCCIÓ: Tant la multimorbiditat (la presència de més d'una malaltia crònica en el mateix pacient), com la comorbiditat (la presència de més d'una malaltia crònica quan hi ha una malaltia de referència) són una font important de disfuncions en l’atenció sanitària dels pacients crònics i generen importants despeses evitables en sistemes de salut arreu del món. La multimorbiditat/comorbiditat afecta la majoria de població de més de 65 anys. El seu gran impacte sanitari i social fa necessària la revisió d’aspectes essencials de la pràctica mèdica convencional, molt enfocada al tractament de cada malaltia de forma aïllada. En aquest sentit, cal elaborar estratègies que considerin els mecanismes biològics comuns entre patologies, per tal de prevenir, retardar o fins i tot aturar la progressió del fenomen. Malauradament, el poc coneixement dels mecanismes biològics que modulen les interaccions entre malalties és un factor limitant important. Hi ha estudis sobre els mecanismes moleculars comuns entre malalties i s’han realitzat anàlisis poblacionals de la multimorbiditat, però no existeix encara una aproximació holística per tal de traduir aquest coneixement a la pràctica clínica. L’aparició de noves tecnologies òmiques, així com iniciatives recents en l’àmbit de la salut digital, han facilitat l'accés a una quantitat enorme d'informació dels pacients, tant a nivell poblacional com a nivell molecular. A més, les eines computacionals i d'aprenentatge automàtic existents estan demostrant un gran potencial predictiu que, conjuntament amb les metodologies de la biologia de sistemes, estan conformant els aspectes pràctics del desplegament de la medicina de sistemes. De forma progressiva, aquesta última esdevé una via efectiva per accelerar el rol de l’evidència científica com a suport a la atenció clínica. De forma recíproca, la digitalització sistemàtica de la pràctica clínica diària, permet la generació de noves descobertes científiques i la optimització de l’assistència sanitària. Aquesta tesis doctoral pretén explorar la multimorbiditat des d’una perspectiva de medicina de sistemes, considerant com a cas d'ús concret i pràctic la malaltia pulmonar obstructiva crònica (MPOC). La MPOC constitueix un cas d'ús ideal a causa de diversos factors: i) el seu alt impacte a nivell sanitari; ii) la heterogeneïtat en quant a manifestacions i progrés, sovint amb efectes extra-pulmonars, incloent de forma freqüent comorbiditats com la diabetis mellitus tipus 2, trastorns cardiovasculars, l'ansietat-depressió i el càncer de pulmó; i, iii) els efectes sistèmics de la malaltia pulmonar, que podrien presentar mecanismes biològics comuns a algunes comorbiditats. HIPÒTESIS: La hipòtesi central d’aquesta tesis doctoral considera que la multimorbiditat podria explicar-se per alteracions en les xarxes de regulació de mecanismes biològics rellevants com la bioenergètica, inflamació i remodelació de teixits. En aquest sentit, l’anàlisi holística del problema podria millorar la comprensió dels mecanismes moleculars que modulen les associacions entre malalties i, per tant, facilitar el disseny d'estratègies terapèutiques preventives i dirigides a modular el pronòstic dels pacients. Aquesta tesis doctoral estudia els fenòmens extra-pulmonars de la MPOC; és a dir, efectes sistèmics (disfunció del múscul esquelètic) i comorbiditats, com a paradigma de malalties cròniques complexes. OBJECTIUS: L'objectiu general d’aquesta tesis doctoral és triple: i) l’anàlisi holístic de pacients amb MPOC amb focus en la disfunció muscular i les comorbiditats; ii) avaluar el paper de les comorbiditats en el risc de salut dels pacients amb MPOC, tant a nivell poblacional com individual; i, iii) explorar estratègies tecnològiques i eines de salut digital que facilitin la transferència de coneixement a la pràctica clínica diària. RESULTATS: El primer manuscrit de la tesi descriu una nova eina de gestió del coneixement per l’anàlisi molecular dels mecanismes de disfunció del múscul esquelètic en pacients amb MPOC. També dins el primer objectiu de la tesi, s’efectua un anàlisi de xarxes orientat a la identificació de mòduls biològics explicatius de la disfunció muscular i de l’adaptació anòmala d’aquests malalts a l’entrenament físic, tal com es descriu en el segon manuscrit. Els tres articles següents exploren, des de diferents perspectives, l’impacte i mecanismes de les comorbiditats en els pacients amb MPOC. Els principals resultats d'aquests estudis indiquen una complexa i anormal regulació de vies biològiques principals, com es el cas de la bioenergètica, inflamació, estrès oxidatiu i remodelació de teixits, tant a nivell del múscul com a nivell sistèmic (sang, pulmó). Aquests resultats obren noves vies per a intervencions preventives, tant farmacològiques com no farmacològiques, sobre els fenòmens no pulmonars que presenten els pacients amb MPOC. Els resultats indiquen una associació de les alteracions musculars amb la capacitat aeròbica, i no pas amb la gravetat de la malaltia pulmonar. Aquestes troballes tenen un gran potencial en la millora de la gestió dels pacients amb MPOC, començant per la necessitat d’una millor caracterització de la capacitat aeròbica en la pràctica clínica i la promoció d'activitat física des de les primeres etapes de la malaltia. La tesi també ha generat resultats d’interès en relació amb el risc de multimorbiditat en pacients amb MPOC, mitjançant un enfocament de salut poblacional. Els resultats evidencien que els pacients amb MPOC presenten un risc mes elevat de comorbiditat que els pacients sense MPOC, independentment de les especificitats de la població i del sistema sanitari de les àrees analitzades (Catalunya, EUA). La tesi també demostra el paper de la multimorbiditat com a factor modulador del risc clínic dels pacients amb MPOC. Aquests resultats indiquen l’interès de l’ús de la multimobiditat en l’estadiatge dels pacients amb MPOC i en l’elaboració d’eines de suport al procés de decisió clínica. CONCLUSIONS: Aquesta tesi doctoral ha assolit els objectius generals plantejats i proposa les següents conclusions: 1. Les manifestacions no pulmonars en els pacients amb malaltia pulmonar obstructiva crònica (MPOC) tenen un impacte negatiu respecte a esdeveniments de gran rellevància clínica, ús de recursos sanitaris i pronòstic. En conseqüència, es fan les següents recomanacions: a. Els fenòmens no pulmonars de la MPOC s’haurien d’incloure de manera operativa en l’estadiatge d'aquests pacients. b. S’hauria de redefinir la gestió clínica dels pacients amb MPOC tot incorporant un enfocament holístic dels fenòmens no pulmonars. c. S’haurien de desenvolupar i avaluar correctament noves intervencions, farmacològiques i no farmacològiques, per a la prevenció de les manifestacions no pulmonars en pacients amb MPOC. 2. Les alteracions de la regulació de vies biològiques rellevants com la bioenergètica, inflamació, estrès oxidatiu i la remodelació de teixits a nivell del múscul esquelètic, i també a nivell sistèmic, s’observa en els pacients amb MPOC i pot tenir un paper important en les co-morbiditats. 3. Les relacions entre alteracions cardiovasculars, disfunció del múscul esquelètic i altres aspectes clínics dels pacients amb MPOC, indiquen la necessitat de caracteritzar la capacitat aeròbica i els nivells d'activitat física en la pràctica clínica, així com la implementació d’estratègies de rehabilitació cardiopulmonar en les primeres etapes de la malaltia, per tal de modular la prognosis dels malalts i prevenir l’aparició de comorbiditats. 4. La multimorbiditat és un bon predictor d’esdeveniments clínics rellevants en pacients amb MPOC i mostra un gran potencial per a personalitzar l’estimació de risc i la selecció de serveis. 5. La predicció de risc de forma personalitzada s’ha identificat com una eina amb molt potencial per a la gestió de la multimorbiditat en la pràctica clínica diària. S’han explorat els factors limitants de la seva aplicabilitat i s’han proposat estratègies d'implementació d’eines predictives adients, basades en solucions de computació en el núvol.[spa] INTRODUCCIÓN: Tanto la multimorbilidad (la presencia de más de una enfermedad crónica en un mismo paciente) como la comorbilidad (la presencia de más de una enfermedad crónica en presencia de una enfermedad de referencia) son una fuente importante de disfunciones en la atención sanitaria de los pacientes crónicos y generan importantes costes evitables en los sistemas de salud de todo el mundo. La multimorbilidad/comorbilidad afecta a la mayoría de la población de más de 65 años. Debido a su gran impacto sanitario y social, resulta necesaria la revisión de aspectos esenciales de la práctica médica convencional, muy enfocada en el tratamiento de cada enfermedad de forma aislada. En este sentido, es necesario elaborar estrategias que consideren mecanismos biológicos comunes entre patologías, con el fin de prevenir, retrasar o incluso detener la progresión del fenómeno. Desgraciadamente, el escaso conocimiento de los mecanismos biológicos que modulan las interacciones entre enfermedades es un factor limitante importante. Existen estudios sobre los mecanismos moleculares comunes entre enfermedades y se han realizados análisis poblaciones de la multimorbilidad, pero no existe aún una aproximación holística que permita traducir este conocimiento a la práctica clínica. La aparición de nuevas tecnologías ómicas, así como recientes iniciativas en el ámbito de la salud digital, han facilitado el acceso a una cantidad enorme de información sobre los pacientes, tanto a nivel poblacional como a nivel molecular. Además, las herramientas computacionales y de aprendizaje automático existentes demuestran un gran potencial predictivo que, conjuntamente con las metodologías de biología de sistemas, están conformando los aspectos prácticos de la medicina de sistemas. De manera progresiva esta última se está convirtiendo en una vía efectiva para acelerar el papel de la evidencia científica como soporte a la atención clínica. De forma recíproca, la digitalización sistemática de la práctica clínica diaria permite la generación de nuevos descubrimientos científicos y la optimización de la asistencia sanitaria. Esta tesis doctoral pretende explorar la multimorbilidad desde una perspectiva de medicina de sistemas, considerando como caso de uso concreto y práctico la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC). La EPOC constituye un caso de uso ideal debido a diversos factores: i) su alto impacto a nivel sanitario; ii) la heterogeneidad en cuanto a manifestaciones y progreso, a menudo con efectos extra pulmonares, incluyendo de forma frecuente comorbilidades como la diabetes mellitus tipo 2, trastornos cardiovasculares, la ansiedad-depresión y el cáncer de pulmón; y, iii) los efectos sistémicos de la enfermedad pulmonar, que podrían presentar mecanismos biológicos comunes a algunas comorbilidades. HIPÓTESIS: La hipótesis central de esta tesis doctoral considera que la multimorbilidad podría explicarse por alteraciones en las redes de regulación de mecanismos biológicos relevantes como la bioenergética, inflamación y remodelación de tejidos. En este sentido, el análisis holístico del problema podría mejorar la comprensión de los mecanismos moleculares que modulan las asociaciones entre enfermedades y, por tanto, facilitar el diseño de estrategias terapéuticas preventivas y dirigidas a modular el pronóstico de los pacientes. Esta tesis doctoral estudia los fenómenos extra pulmonares de la EPOC; es decir, efectos sistémicos (disfunción del músculo esquelético) y comorbilidades, como paradigma de enfermedades crónicas complejas. OBJETIVOS: El objetivo general de esta tesis doctoral es triple: i) el análisis holístico de pacientes con EPOC focalizando en la disfunción muscular y la comorbilidades; ii) evaluar el papel de las comorbilidades en el riesgo de salud de los pacientes con EPOC, tanto a nivel poblacional como individual; y, iii) explorar estrategias tecnológicas y herramientas de salud digital que faciliten la transferencia de conocimiento a la práctica clínica diaria. RESULTADOS: El primer manuscrito de la tesis describe una nueva herramienta de gestión del conocimiento para el análisis molecular de los mecanismos de disfunción del músculo esquelético en pacientes con EPOC. Incluido en el primer objetivo de la tesis, se efectúa un análisis de redes orientado a la identificación de módulos biológicos que explican la disfunción muscular y la adaptación anómala de estos pacientes al entrenamiento físico, tal y cómo se describe en el segundo manuscrito. Los tres artículos siguientes exploran, desde perspectivas diferentes, el impacto y mecanismos de las comorbilidades en los pacientes con EPOC. Los principales resultados de estos estudios indican una compleja y anormal regulación de vías biológicas principales, como es el caso de la bioenergética, inflamación, estrés oxidativo y remodelación de tejidos, tanto a nivel del músculo como a nivel sistémico (sangre, pulmón). Estos resultados abren nuevas vías para intervenciones preventivas, tanto farmacológicas como no farmacológicas, sobre los fenómenos no pulmonares que presentan los pacientes con E