SeMoM: a semantic middleware for IoT healthcare applications

De nos jours, l'internet des objets (IoT) connaît un intérêt considérable tant de la part du milieu universitaire que de l'industrie. Il a contribué à améliorer la qualité de vie, la croissance des entreprises et l'efficacité dans de multiples domaines. Cependant, l'hétérogénéité des objets qui peuvent être connectés dans de tels environnements, rend difficile leur interopérabilité. En outre, les observations produites par ces objets sont générées avec différents vocabulaires et formats de données. Cette hétérogénéité de technologies dans le monde IoT rend nécessaire l'adoption de solutions génériques à l'échelle mondiale. De plus, elle rend difficile le partage et la réutilisation des données dans d'autres buts que ceux pour lesquels elles ont été initialement mises en place. Dans cette thèse, nous abordons ces défis dans le contexte des applications de santé. Pour cela, nous proposons de transformer les données brutes issues de capteurs en connaissances et en informations en s'appuyant sur les ontologies. Ces connaissances vont être partagées entre les différents composants du système IoT. En ce qui concerne les défis d'hétérogénéité et d'interopérabilité, notre contribution principale est une architecture IoT utilisant des ontologies pour permettre le déploiement d'applications IoT sémantiques. Cette approche permet de partager les observations des capteurs, la contextualisation des données et la réutilisation des connaissances et des informations traitées. Les contributions spécifiques comprennent : * Conception d'une ontologie " Cognitive Semantic Sensor Network ontology (CoSSN) " : Cette ontologie vise à surmonter les défis d'interopérabilité sémantiques introduits par la variété des capteurs potentiellement utilisés. CoSSN permet aussi de modéliser la représentation des connaissances des experts. * Conception et mise en œuvre de SeMoM: SeMoM est une architecture flexible pour l'IoT intégrant l'ontologie CoSSN. Elle s'appuie sur un middleware orienté message (MoM) pour offrir une solution à couplage faible entre les composants du système. Ceux-ci peuvent échanger des données d'observation sémantiques de manière flexible à l'aide du paradigme producteur/consommateur. Du point de vue applicatif, nous sommes intéressés aux applications de santé. Dans ce domaine, les approches spécifiques et les prototypes individuels sont des solutions prédominantes ce qui rend difficile la collaboration entre différentes applications, en particulier dans un cas de patients multi-pathologies. En ce qui concerne ces défis, nous nous sommes intéressés à deux études de cas: 1) la détection du risque de développement des escarres chez les personnes âgées et 2) la détection des activités de la vie quotidienne (ADL) de personnes pour le suivi et l'assistance à domicile : * Nous avons développé des extensions de CoSSN pour décrire chaque concept en lien avec les deux cas d'utilisation. Nous avons également développé des applications spécifiques grâce à SeMoM qui mettent en œuvre des règles de connaissances expertes permettant d'évaluer et de détecter les escarres et les activités. * Nous avons mis en œuvre et évaluer le framework SeMoM en se basant sur deux expérimentations. La première basée sur le déploiement d'un système ciblant la détection des activités ADL dans un laboratoire d'expérimentation pour la santé (le Connected Health Lab). La seconde est basée sur le simulateur d'activités ADLSim développé par l'Université d'Oslo. Ce simulateur a été utilisé pour effectuer des tests de performances de notre solution en générant une quantité massive de données sur les activités d'une personne à domicile.Nowadays, the adoption of the Internet of Things (IoT) has received a considerable interest from both academia and industry. It provides enhancements in quality of life, business growth and efficiency in multiple domains. However, the heterogeneity of the "Things" that can be connected in such environments makes interoperability among them a challenging problem. Moreover, the observations produced by these "Things" are made available with heterogeneous vocabularies and data formats. This heterogeneity prevents generic solutions from being adopted on a global scale and makes difficult to share and reuse data for other purposes than those for which they were originally set up. In this thesis, we address these challenges in the context of healthcare applications considering how we transform raw data to cognitive knowledge and ontology-based information shared between IoT system components. With respect to heterogeneity and integration challenges, our main contribution is an ontology-based IoT architecture allowing the deployment of semantic IoT applications. This approach allows sharing of sensors observations, contextualization of data and reusability of knowledge and processed information. Specific contributions include: * Design of the Cognitive Semantic Sensor Network ontology (CoSSN) ontology: CoSSN aims at overcoming the semantic interoperability challenges introduced by the variety of sensors potentially used. It also aims at describing expert knowledge related to a specific domain. * Design and implementation of SeMoM: SeMoM is a flexible IoT architecture built on top of CoSSN ontology. It relies on a message oriented middleware (MoM) following the publish/subscribe paradigm for a loosely coupled communication between system components that can exchange semantic observation data in a flexible way. From the applicative perspective, we focus on healthcare applications. Indeed, specific approaches and individual prototypes are preeminent solutions in healthcare which straighten the need of an interoperable solution especially for patients with multiple affections. With respect to these challenges, we elaborated two case studies 1) bedsore risk detection and 2) Activities of Daily Living (ADL) detection as follows: * We developed extensions of CoSSN to describe each domain concepts and we developed specific applications through SeMoM implementing expert knowledge rules and assessments of bedsore and human activities. * We implemented and evaluated the SeMoM framework in order to provide a proof of concept of our approach. Two experimentations have been realized for that target. The first is based on a deployment of a system targeting the detection of ADL activities in a real smart platform. The other one is based on ADLSim, a simulator of activities for ambient assisted living that can generate a massive amount of data related to the activities of a monitored person

Evasion of anti-growth signaling: a key step in tumorigenesis and potential target for treatment and prophylaxis by natural compounds

The evasion of anti-growth signaling is an important characteristic of cancer cells. In order to continue to proliferate, cancer cells must somehow uncouple themselves from the many signals that exist to slow down cell growth. Here, we define the anti-growth signaling process, and review several important pathways involved in growth signaling: p53, phosphatase and tensin homolog (PTEN), retinoblastoma protein (Rb), Hippo, growth differentiation factor 15 (GDF15), AT-rich interactive domain 1A (ARID1A), Notch, insulin-like growth factor (IGF), and Krüppel-like factor 5 (KLF5) pathways. Aberrations in these processes in cancer cells involve mutations and thus the suppression of genes that prevent growth, as well as mutation and activation of genes involved in driving cell growth. Using these pathways as examples, we prioritize molecular targets that might be leveraged to promote anti-growth signaling in cancer cells. Interestingly, naturally-occurring phytochemicals found in human diets (either singly or as mixtures) may promote anti-growth signaling, and do so without the potentially adverse effects associated with synthetic chemicals. We review examples of naturally-occurring phytochemicals that may be applied to prevent cancer by antagonizing growth signaling, and propose one phytochemical for each pathway. These are: epigallocatechin-3-gallate (EGCG) for the Rb pathway, luteolin for p53, curcumin for PTEN, porphyrins for Hippo, genistein for GDF15, resveratrol for ARID1A, withaferin A for Notch and diguelin for the IGF1-receptor pathway. The coordination of anti-growth signaling and natural compound studies will provide insight into the future application of these compounds in the clinical setting

SeMoM, middleware sémantique pour les applications de santé baséees sur l'internet des objets

Nowadays, the adoption of the Internet of Things (IoT) has received a considerable interest from both academia and industry. It provides enhancements in quality of life, business growth and efficiency in multiple domains. However, the heterogeneity of the "Things" that can be connected in such environments makes interoperability among them a challenging problem. Moreover, the observations produced by these "Things" are made available with heterogeneous vocabularies and data formats. This heterogeneity prevents generic solutions from being adopted on a global scale and makes difficult to share and reuse data for other purposes than those for which they were originally set up. In this thesis, we address these challenges in the context of healthcare applications considering how we transform raw data to cognitive knowledge and ontology-based information shared between IoT system components. With respect to heterogeneity and integration challenges, our main contribution is an ontology-based IoT architecture allowing the deployment of semantic IoT applications. This approach allows sharing of sensors observations, contextualization of data and reusability of knowledge and processed information. Specific contributions include: * Design of the Cognitive Semantic Sensor Network ontology (CoSSN) ontology: CoSSN aims at overcoming the semantic interoperability challenges introduced by the variety of sensors potentially used. It also aims at describing expert knowledge related to a specific domain. * Design and implementation of SeMoM: SeMoM is a flexible IoT architecture built on top of CoSSN ontology. It relies on a message oriented middleware (MoM) following the publish/subscribe paradigm for a loosely coupled communication between system components that can exchange semantic observation data in a flexible way. From the applicative perspective, we focus on healthcare applications. Indeed, specific approaches and individual prototypes are preeminent solutions in healthcare which straighten the need of an interoperable solution especially for patients with multiple affections. With respect to these challenges, we elaborated two case studies 1) bedsore risk detection and 2) Activities of Daily Living (ADL) detection as follows: * We developed extensions of CoSSN to describe each domain concepts and we developed specific applications through SeMoM implementing expert knowledge rules and assessments of bedsore and human activities. * We implemented and evaluated the SeMoM framework in order to provide a proof of concept of our approach. Two experimentations have been realized for that target. The first is based on a deployment of a system targeting the detection of ADL activities in a real smart platform. The other one is based on ADLSim, a simulator of activities for ambient assisted living that can generate a massive amount of data related to the activities of a monitored person.De nos jours, l'internet des objets (IoT) connaît un intérêt considérable tant de la part du milieu universitaire que de l'industrie. Il a contribué à améliorer la qualité de vie, la croissance des entreprises et l'efficacité dans de multiples domaines. Cependant, l'hétérogénéité des objets qui peuvent être connectés dans de tels environnements, rend difficile leur interopérabilité. En outre, les observations produites par ces objets sont générées avec différents vocabulaires et formats de données. Cette hétérogénéité de technologies dans le monde IoT rend nécessaire l'adoption de solutions génériques à l'échelle mondiale. De plus, elle rend difficile le partage et la réutilisation des données dans d'autres buts que ceux pour lesquels elles ont été initialement mises en place. Dans cette thèse, nous abordons ces défis dans le contexte des applications de santé. Pour cela, nous proposons de transformer les données brutes issues de capteurs en connaissances et en informations en s'appuyant sur les ontologies. Ces connaissances vont être partagées entre les différents composants du système IoT. En ce qui concerne les défis d'hétérogénéité et d'interopérabilité, notre contribution principale est une architecture IoT utilisant des ontologies pour permettre le déploiement d'applications IoT sémantiques. Cette approche permet de partager les observations des capteurs, la contextualisation des données et la réutilisation des connaissances et des informations traitées. Les contributions spécifiques comprennent : * Conception d'une ontologie " Cognitive Semantic Sensor Network ontology (CoSSN) " : Cette ontologie vise à surmonter les défis d'interopérabilité sémantiques introduits par la variété des capteurs potentiellement utilisés. CoSSN permet aussi de modéliser la représentation des connaissances des experts. * Conception et mise en œuvre de SeMoM: SeMoM est une architecture flexible pour l'IoT intégrant l'ontologie CoSSN. Elle s'appuie sur un middleware orienté message (MoM) pour offrir une solution à couplage faible entre les composants du système. Ceux-ci peuvent échanger des données d'observation sémantiques de manière flexible à l'aide du paradigme producteur/consommateur. Du point de vue applicatif, nous sommes intéressés aux applications de santé. Dans ce domaine, les approches spécifiques et les prototypes individuels sont des solutions prédominantes ce qui rend difficile la collaboration entre différentes applications, en particulier dans un cas de patients multi-pathologies. En ce qui concerne ces défis, nous nous sommes intéressés à deux études de cas: 1) la détection du risque de développement des escarres chez les personnes âgées et 2) la détection des activités de la vie quotidienne (ADL) de personnes pour le suivi et l'assistance à domicile : * Nous avons développé des extensions de CoSSN pour décrire chaque concept en lien avec les deux cas d'utilisation. Nous avons également développé des applications spécifiques grâce à SeMoM qui mettent en œuvre des règles de connaissances expertes permettant d'évaluer et de détecter les escarres et les activités. * Nous avons mis en œuvre et évaluer le framework SeMoM en se basant sur deux expérimentations. La première basée sur le déploiement d'un système ciblant la détection des activités ADL dans un laboratoire d'expérimentation pour la santé (le Connected Health Lab). La seconde est basée sur le simulateur d'activités ADLSim développé par l'Université d'Oslo. Ce simulateur a été utilisé pour effectuer des tests de performances de notre solution en générant une quantité massive de données sur les activités d'une personne à domicile

Analyse génomique comparative en taxonomie : classification et reclassification des espèces bactériennes

Le monde regorge de bactéries. Le nombre estimé de bactéries non identifiées dépasse de loin les taxons actuellement validement publiés. La taxonomie est la première étape vers l'organisation de cette grande diversité de bactéries. Au début, les bactéries ont été classées en fonction de leurs caractéristiques morphologiques, physiologiques et biochimiques, et par hybridation de l'ADN. Dans les années 1980, les taxonomistes ont connu une révolution avec la proposition du gène de l'ARNr 16S comme marqueur phylogénétique. Ensuite, le séquençage du génome a été introduit et a montré une plus grande précision dans la discrimination entre les espèces bactériennes que le gène de l'ARNr 16S. En 2019, l'utilisation de séquences génomiques pour la description de nouveaux taxons bactériens est devenue obligatoire.Dans cette thèse, nous avons souligné l'importance des méthodes basées sur le génome dans la taxonomie bactérienne. Nous l'avons démontré en revisitant la taxonomie complexe du genre Pseudomonas à l'aide de critères génomiques. Nous avons analysé 558 génomes et avons constaté qu'au sein de ce genre plusieurs espèces nécessitaient une reclassification.Un deuxième aspect de cette thèse est l'utilisation de l'approche taxono-génomique polyphasique qui combine les caractéristiques phénotypiques bactériennes et l'analyse génomique pour décrire et caractériser de nouveaux taxons bactériens.Sur la base des résultats globaux présentés dans cette thèse, nous avons pu confirmer que l'utilisation de séquences de génomes en taxonomie représente un avantage même si certaines limitations sont encore rencontrées.The world is teeming with bacteria. The estimated number of unidentified bacteria exceeds by far the currently validly published taxa. Taxonomy is the first step towards organizing this large diversity of bacteria. At first bacteria were classified based on their morphological, physiological, biochemical traits and DNA-DNA hybridization. In the 1980s, taxonomists underwent a revolution with the proposal of the 16S rRNA gene as a phylogenetic marker. Then, genome sequencing was introduced and showed higher accuracy in discriminating between bacterial species than the 16S rRNA gene. In 2019, the use of genome sequences for new bacterial taxa description became mandatory.In this thesis we highlighted the importance of genome-based methods in bacterial taxonomy. We demonstrated this by revisiting the complex taxonomy of the genus Pseudomonas using genomic criteria. We analyzed 558 genomes and found that multiple species needed reclassification within this genus.A second aspect of this thesis is the use of the polyphasic taxono-genomic approach that combines bacterial phenotypic characteristics and genomic analysis to describe and characterize new bacterial taxa.Based on the overall results presented in this thesis, we were able to confirm that the use of genome sequences in taxonomy represents an advantage even though some limitations are still faced

A Semantic Web-of-Things Architecture for Monitoring the Risk of Bedsores

International audienceBedsores are a common injury that mainly plagues elders and frail persons, and are a major cause of concerns in medical institutions. We present a system based on the Internet-of-Things technologies, aiming at detecting the risk of bedsores using sensor fusion. This paper mainly focuses on the software architecture of the proposed system, based on the principles of weak coupling and of semantic data exchange. We present a model of the application in terms of the Semantic Sensor Network (SSN) ontology

Engineering IoT Healthcare Applications: Towards a Semantic Data Driven Sustainable Architecture

International audienceAs the number of developed sensors is growing, new Internet of Things applications are being developed. Healthcare applications offer a perfect domain for Internet of Things since they respond to the challenge of the ageing population while offering safe and quality care in the home. We present in this paper a new Internet Of Things architecture for IoT healthcare applications. The architecture focuses mainly on the principles of weak coupling and of semantic data exchange. We present a software architecture based on a message oriented middleware driven by semantic OWL messages

Smartphone-Based Collaborative System for Wounds Tracking

eTELEMED 2016 colocated with other events part of DigitalWorld 2016International audienceTracking the evolution of wounds, ulcers or bedscars is one of the important tasks of the care personnel in medicalinstitutions. We present an innovative, smartphone-based software application aimed at supporting this task. By usinga standardized protocol complemented by image processing techniques, the application allows for the reliable acquisition of wound photographs, the assessment of wounds evolution, as well as for the annotation of photographs with relevant metadata. We detail the user-centered, scenario-based design process of this application that has been undertaken in the Connected Health Lab (CHL), our state-of-the-art usability lab dedicated to e-Health applications

Draft Genome Sequence of Salirhabdus euzebyi Strain Q1438

International audienc

Interest of bacterial pangenome analyses in clinical microbiology

International audienceThanks to the progress and decreasing costs in genome sequencing technologies, more than 250,000 bacterial genomes are currently available in public databases, covering most, if not all, of the major human-associated phylogenetic groups of these microorganisms, pathogenic or not. In addition, for many of them, sequences from several strains of a given species are available, thus enabling to evaluate their genetic diversity and study their evolution. In addition, the significant cost reduction of bacterial whole genome sequencing as well as the rapid increase in the number of available bacterial genomes have prompted the development of pangenomic software tools. The study of bacterial pangenome has many applications in clinical microbiology. It can unveil the pathogenic potential and ability of bacteria to resist antimicrobials as well identify specific sequences and predict antigenic epitopes that allow molecular or serologic assays and vaccines to be designed. Bacterial pangenome constitutes a powerful method for understanding the history of human bacteria and relating these findings to diagnosis in clinical microbiology laboratories in order to optimize patient management

Draft Genome Sequences of Two Multidrug-Resistant Sequence Type 405 Escherichia coli Isolates without Clinical Infection

International audienceWe present the genome sequences of two carbapenemase-producing sequence type 405 Escherichia coli clinical isolates, strains Marseille-Q1950 and Marseille-Q1951. The isolates were obtained 1 month apart during the patient’s hospitalization in Lebanon, in May (Marseille-Q1950) and June (Marseille-Q1951) 2019. The genome sizes of strains Marseille-Q1950 and Marseille-Q1951 were 5,181,515 bp and 5,213,451 bp, respectively