A reference architecture of healthcare supportive home systems from a systems-of-systems perspective

• Main Author: Lina María Garcés Rodríguez
• Other Authors: Elisa Yumi Nakagawa
• Language: English
• Published: Universidade de São Paulo 2018
• Subjects: Arquitetura de referência; Arquitetura de software; Barramento de serviços de saúde; Casa inteligente; Doença crônica; Sistema-de-Sistemas; Chronic condition; Health service bus; Healthcare supportive home system; Reference architecture; Software architecture; System-of-Systems
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/55/55134/tde-16102018-111654/

Population ageing has been taking place all over the world, being estimated that 2.1 billion people will be aged 60 or over in 2050. Healthcare Supportive Home (HSH) Systems have been proposed to overcome the high demand of remote home care for assisting an increasing number of elderly people living alone. Since a heterogeneous team of healthcare professionals need to collaborate to continually monitor health status of chronic patients, a cooperation of pre-existing e-Health systems, both outside and inside home, is required. However, current HSH solutions are proprietary, monolithic, high coupled, and expensive, and most of them do not consider their interoperation neither with distributed and external e-Health systems, nor with systems running inside the home (e.g., companion robots or activity monitors). These systems are sometimes designed based on local legislations, specific health system configurations (e.g., public, private or mixed), care plan protocols, and technological settings available; therefore, their reusability in other contexts is sometimes limited. As a consequence, these systems provide a limited view of patient health status, are difficult to evolve regarding the evolution of patients health profile, do not allow continuous patients monitoring, and present limitations to support the self-management of multiple chronic conditions. To contribute to solve the aforementioned challenges, this thesis establishes HomecARe, a reference architecture for supporting the development of quality HSH systems. HomecARe considers HSH systems as Systems-of-Systems (SoS) (i.e., large, complex systems composed of heterogeneous, distributed, and operational and managerial independent systems), which achieve their missions (e.g., improvement of patients quality of life) through the behavior that emerges as result of collaborations among their constituents. To establish HomecARe, a systematic process to engineer reference architectures was adopted. As a result, HomecARe presents domain knowledge and architectural solutions (i.e., architectural patterns and tactics) described using conceptual, mission, and quality architectural viewpoints. To assess HomecARe, a case study was performed by instantiating HomecARe to design the software architecture of DiaManT@Home, a HSH system to assist at home patients suffering of diabetes mellitus. Results evidenced HomecARe is a viable reference architecture to guide the development of reusable, interoperable, reliable, secure, and adaptive HSH systems, bringing important contributions for the areas of e-Health, software architecture, and reference architecture for SoS. === O envelhecimento da população é um fenômeno mundial e estima-se que no ano 2050, 2,1 bilhões de pessoas terão 60 anos ou mais. Sistemas de casas inteligentes para o cuidado da saúde (em inglês Healthcare Supportive Home - HSH systems) têm sido propostos para atender a alta demanda de serviços de monitoramento contínuo do número cada vez maior de pacientes que vivem sozinhos em suas residências. Considerando que o monitoramento do estado de saúde de pacientes crônicos requer a colaboração de equipes formadas por profissionais de várias especialidades, é fundamental que haja cooperação entre sistemas eletrônicos de saúde (por exemplo, sistemas de prontuário eletrônico ou sistemas de atenção de emergência), sendo eles externos ou internos à residência. Entretanto, as soluções de HSH existentes são comerciais, monolíticas, altamente acopladas e de alto custo. A maioria delas não considera a interoperabilidade entre sistemas distribuídos e exteriores ou internos à residência dos pacientes, como é o caso de robôs de companhia e monitores de atividade. Além disso, os sistemas de HSH muitas vezes são projetados com base em legislações locais, na estrutura do sistema de saúde (por exemplo, público, privado ou misto), nos planos de cuidados nacionais e nos recursos tecnológicos disponíveis; portanto, a reusabilidade desses sistemas em outros contextos é não é uma tarefa trivial. Em consequência, os sistemas de HSH existentes oferecem uma visão restrita do estado de saúde do paciente, são difíceis de evoluir acompanhando as mudanças no perfil de saúde do paciente, impossibilitando assim seu monitoramento contínuo e limitando o suporte para o paciente na autogestão de suas múltiplas condições crônicas. Visando contribuir na resolução dos desafios apresentados, esta tese estabelece a HomecARe, uma arquitetura de referência para apoiar o desenvolvimento de sistemas de HSH de qualidade. A HomecARe considera os sistemas de HSH como Sistemas-de-Sistemas (do inglês Systems-of-Systems - SoS) (ou seja, sistemas grandes e complexos formados por outros sistemas heterogêneos, distribuídos e que apresentam independência em seu gerenciamento e operação), que cumprem suas missões (por exemplo, melhoria da qualidade de vida do paciente) mediante o comportamento que emerge resultante da colaborações entre seus sistemas constituintes. Para estabelecer a HomecARe, foi adotado um processo sistemático que apoia a engenharia de arquiteturas de referência. Como resultado, a HomecARe contém o conhecimento do domínio, bem como soluções arquiteturais (por exemplo, padrões arquiteturais e táticas) que são descritas usando os pontos de vista conceitual, de missão e de qualidade. A HomecARe foi avaliada por meio da condução de um estudo de caso em que a arquitetura de referência foi instanciada para projetar o DiaManT@Home, um sistema de HSH que visa apoiar pacientes diagnosticados com diabetes mellitus na autogestão de sua doença. Os resultados obtidos evidenciaram que a HomecARe é uma arquitetura de referência viável para guiar o desenvolvimento de sistemas de HSH reusáveis, interoperáveis, confiáveis, seguros e adaptativos, trazendo importantes contribuições nas áreas de saúde eletrônica, arquitetura de software e arquiteturas de referência para SoS.