Service composition for biomedical applications

Abstract

A exigente inovação na área das aplicações biomédicas tem guiado a evolução das tecnologias de informação nas últimas décadas. Os desafios associados a uma gestão, integração, análise e interpretação eficientes dos dados provenientes das mais modernas tecnologias de hardware e software requerem um esforço concertado. Desde hardware para sequenciação de genes a registos electrónicos de paciente, passando por pesquisa de fármacos, a possibilidade de explorar com precisão os dados destes ambientes é vital para a compreensão da saúde humana. Esta tese engloba a discussão e o desenvolvimento de melhores estratégias informáticas para ultrapassar estes desafios, principalmente no contexto da composição de serviços, incluindo técnicas flexíveis de integração de dados, como warehousing ou federação, e técnicas avançadas de interoperabilidade, como serviços web ou LinkedData. A composição de serviços é apresentada como um ideal genérico, direcionado para a integração de dados e para a interoperabilidade de software. Relativamente a esta última, esta investigação debruçou-se sobre o campo da farmacovigilância, no contexto do projeto Europeu EU-ADR. As contribuições para este projeto, um novo standard de interoperabilidade e um motor de execução de workflows, sustentam a sucesso da EU-ADR Web Platform, uma plataforma para realizar estudos avançados de farmacovigilância. No contexto do projeto Europeu GEN2PHEN, esta investigação visou ultrapassar os desafios associados à integração de dados distribuídos e heterogéneos no campo do varíoma humano. Foi criada uma nova solução, WAVe - Web Analyses of the Variome, que fornece uma coleção rica de dados de variação genética através de uma interface Web inovadora e de uma API avançada. O desenvolvimento destas estratégias evidenciou duas oportunidades claras na área de software biomédico: melhorar o processo de implementação de software através do recurso a técnicas de desenvolvimento rápidas e aperfeiçoar a qualidade e disponibilidade dos dados através da adopção do paradigma de web semântica. A plataforma COEUS atravessa as fronteiras de integração e interoperabilidade, fornecendo metodologias para a aquisição e tradução flexíveis de dados, bem como uma camada de serviços interoperáveis para explorar semanticamente os dados agregados. Combinando as técnicas de desenvolvimento rápidas com a riqueza da perspectiva "Semantic Web in a box", a plataforma COEUS é uma aproximação pioneira, permitindo o desenvolvimento da próxima geração de aplicações biomédicas.

The demand for innovation in the biomedical software domain has been an information technologies evolution driver over the last decades. The challenges associated with the effective management, integration, analyses and interpretation of the wealth of life sciences information stemming from modern hardware and software technologies require concerted efforts. From gene sequencing hardware to pharmacology research up to patient electronic health records, the ability to accurately explore data from these environments is vital to further improve our understanding of human health. This thesis encloses the discussion on building better informatics strategies to address these challenges, primarily in the context of service composition, including warehousing and federation strategies for resource integration, as well as web services or LinkedData for software interoperability. Service composition is introduced as a general principle, geared towards data integration and software interoperability. Concerning the latter, this research covers the service composition requirements within the pharmacovigilance field, namely on the European EU-ADR project. The contributions to this area, the definition of a new interoperability standard and the creation of a new workflow-wrapping engine, are behind the successful construction of the EUADR Web Platform, a workspace for delivering advanced pharmacovigilance studies. In the context of the European GEN2PHEN project, this research tackles the challenges associated with the integration of heterogeneous and distributed data in the human variome field. For this matter, a new lightweight solution was created: WAVe, Web Analysis of the Variome, provides a rich collection of genetic variation data through an innovative portal and an advanced API. The development of the strategies underlying these products highlighted clear opportunities in the biomedical software field: enhancing the software implementation process with rapid application development approaches and improving the quality and availability of data with the adoption of the Semantic Web paradigm. COEUS crosses the boundaries of integration and interoperability as it provides a framework for the flexible acquisition and translation of data into a semantic knowledge base, as well as a comprehensive set of interoperability services, from REST to LinkedData, to fully exploit gathered data semantically. By combining the lightness of rapid application development strategies with the richness of its "Semantic Web in a box" approach, COEUS is a pioneering framework to enhance the development of the next generation of biomedical applications.