PathwAI Systems in Healthcare – a Framework for Coupling AI and Pathway-based Health Information Systems

Pathway-based Health Information Systems (HIS) enable planning, execution and improvement of standardized care processes. Adaptive behavior and learning effects are taken to a new level by advances in Artificial Intelligence (AI). Yet, design support to unlock synergies from coupling pathway-based HIS with AI is lacking. This Umbrella Review identifies applied purposes of AI in healthcare, describes the relation to pathway-based HIS, and derives a PathwAI Framework as design support for future research and development activities. Previous findings already provide a large base of approaches to realize personalized care pathways and improve coordination and business operations. Furthermore, potentials for designing learning health systems at micro, meso, and macro levels are formulated, but there is still greater opportunity for future research and design. Pathway-based HIS in this context can not only provide interpretable and interoperable data input, but can be conceptual as well as operational receivers of artificially generated knowledge

Space life sciences strategic plan

Over the last three decades the Life Sciences Program has significantly contributed to NASA's manned and unmanned exploration of space, while acquiring new knowledge in the fields of space biology and medicine. The national and international events which have led to the development and revision of NASA strategy will significantly affect the future of life sciences programs both in scope and pace. This document serves as the basis for synthesizing the options to be pursued during the next decade, based on the decisions, evolution, and guiding principles of the National Space Policy. The strategies detailed in this document are fully supportive of the Life Sciences Advisory Subcommittee's 'A Rationale for the Life Sciences,' and the recent Aerospace Medicine Advisory Committee report entitled 'Strategic Considerations for Support of Humans in Space and Moon/Mars Exploration Missions.' Information contained within this document is intended for internal NASA planning and is subject to policy decisions and direction, and to budgets allocated to NASA's Life Sciences Program

Knowledge-based vision and simple visual machines

The vast majority of work in machine vision emphasizes the representation of perceived objects and events: it is these internal representations that incorporate the 'knowledge' in knowledge-based vision or form the 'models' in model-based vision. In this paper, we discuss simple machine vision systems developed by artificial evolution rather than traditional engineering design techniques, and note that the task of identifying internal representations within such systems is made difficult by the lack of an operational definition of representation at the causal mechanistic level. Consequently, we question the nature and indeed the existence of representations posited to be used within natural vision systems (i.e. animals). We conclude that representations argued for on a priori grounds by external observers of a particular vision system may well be illusory, and are at best place-holders for yet-to-be-identified causal mechanistic interactions. That is, applying the knowledge-based vision approach in the understanding of evolved systems (machines or animals) may well lead to theories and models that are internally consistent, computationally plausible, and entirely wrong

An Analysis Review: Optimal Trajectory for 6-DOF-based Intelligent Controller in Biomedical Application

With technological advancements and the development of robots have begun to be utilized in numerous sectors, including industrial, agricultural, and medical. Optimizing the path planning of robot manipulators is a fundamental aspect of robot research with promising future prospects. The precise robot manipulator tracks can enhance the efficacy of a variety of robot duties, such as workshop operations, crop harvesting, and medical procedures, among others. Trajectory planning for robot manipulators is one of the fundamental robot technologies, and manipulator trajectory accuracy can be enhanced by the design of their controllers. However, the majority of controllers devised up to this point were incapable of effectively resolving the nonlinearity and uncertainty issues of high-degree freedom manipulators in order to overcome these issues and enhance the track performance of high-degree freedom manipulators. Developing practical path-planning algorithms to efficiently complete robot functions in autonomous robotics is critical. In addition, designing a collision-free path in conjunction with the physical limitations of the robot is a very challenging challenge due to the complex environment surrounding the dynamics and kinetics of robots with different degrees of freedom (DoF) and/or multiple arms. The advantages and disadvantages of current robot motion planning methods, incompleteness, scalability, safety, stability, smoothness, accuracy, optimization, and efficiency are examined in this paper

Robot Autonomy for Surgery

Autonomous surgery involves having surgical tasks performed by a robot operating under its own will, with partial or no human involvement. There are several important advantages of automation in surgery, which include increasing precision of care due to sub-millimeter robot control, real-time utilization of biosignals for interventional care, improvements to surgical efficiency and execution, and computer-aided guidance under various medical imaging and sensing modalities. While these methods may displace some tasks of surgical teams and individual surgeons, they also present new capabilities in interventions that are too difficult or go beyond the skills of a human. In this chapter, we provide an overview of robot autonomy in commercial use and in research, and present some of the challenges faced in developing autonomous surgical robots

A Robotic System for Learning Visually-Driven Grasp Planning (Dissertation Proposal)

We use findings in machine learning, developmental psychology, and neurophysiology to guide a robotic learning system\u27s level of representation both for actions and for percepts. Visually-driven grasping is chosen as the experimental task since it has general applicability and it has been extensively researched from several perspectives. An implementation of a robotic system with a gripper, compliant instrumented wrist, arm and vision is used to test these ideas. Several sensorimotor primitives (vision segmentation and manipulatory reflexes) are implemented in this system and may be thought of as the innate perceptual and motor abilities of the system. Applying empirical learning techniques to real situations brings up such important issues as observation sparsity in high-dimensional spaces, arbitrary underlying functional forms of the reinforcement distribution and robustness to noise in exemplars. The well-established technique of non-parametric projection pursuit regression (PPR) is used to accomplish reinforcement learning by searching for projections of high-dimensional data sets that capture task invariants. We also pursue the following problem: how can we use human expertise and insight into grasping to train a system to select both appropriate hand preshapes and approaches for a wide variety of objects, and then have it verify and refine its skills through trial and error. To accomplish this learning we propose a new class of Density Adaptive reinforcement learning algorithms. These algorithms use statistical tests to identify possibly interesting regions of the attribute space in which the dynamics of the task change. They automatically concentrate the building of high resolution descriptions of the reinforcement in those areas, and build low resolution representations in regions that are either not populated in the given task or are highly uniform in outcome. Additionally, the use of any learning process generally implies failures along the way. Therefore, the mechanics of the untrained robotic system must be able to tolerate mistakes during learning and not damage itself. We address this by the use of an instrumented, compliant robot wrist that controls impact forces

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