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FIWARE Mit biologischer Überwachung und Open Source gegen Covid-19

| Autor / Redakteur: Lanfranco Marasso und Giovanni Aiello / Jürgen Schreier

Bei Pandemien müssen Verwaltungen und Krisenstäbe schnell entscheiden und handeln. Die auf FIWARE-Tools basierende Biosurveillance-Lösung DE4Bios führt Daten unterschiedlichsten Quellen (fast) in Echtzeit zusammen und ermöglicht so rasche und treffsichere Analysen.

Der Überblick über die infizierten/getesteten Personen inklusive Geodaten erleichtert die Nachverfolgung von Infektionsketten.
Der Überblick über die infizierten/getesteten Personen inklusive Geodaten erleichtert die Nachverfolgung von Infektionsketten.
(Bild: Engineering)

Im Rahmen der der digitalen Transformation beginnen Kommunen allmählich damit an, ihre Daten öffentlich zugänglich zu machen. Doch werden die die meisten Daten derzeit in Formaten veröffentlicht, die nicht mittels IT nicht automatisiert verarbeitet werden können. Aber auch von den Unternehmen und öffentlichen Verwaltungen, die über große Datenvolumina verfügen, beherrschen nur wenige die "Kunst", diese Daten zu analysieren, um festzustellen, was in ihrer Organisation oder ihrer Gemeinde geschieht.

Jetzt ist die Zeit für Veränderungen gekommen. So beteiligt sich das italienische Softwareunternehmen Engineering am Kampf gegen die Coronavirus-Epidemie SARS-CoV-2 (im Folgenden als "Covid-19" bezeichnet) mit seinem einsatzbereiten, FIWARE-basierten biologischen Überwachungssystem DE4Bios. Dieses hilft öffentlichen Verwaltungen und Gesundheitseinrichtungen, eine "nahezu" ganzheitliche Echtzeit-Ansicht kontextualisierter Informationen aus verschiedenen Datenquellen zu erhalten.

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DE4Bios-Plattform stützt sich auf Funktionen des "Digital Enabler"

Auf diese Weise können öffentliche Verwaltungen und Gesundheitseinrichtungen ihre Prioritäten besser setzen, epidemiologische Modelle und Echtzeit-Geolokalisierung einiger klinisch-gesundheitlicher Phänomene sowie prädiktive Karten der Ansteckung definieren und anwenden. Die Lösung wurde für die Region Veneto im Nordosten Italiens entwickelt, die besonders stark von Covid-19 betroffen ist.

Das Corona-Virus, dessen wesentliche Merkmale eine hoher Infektionsindex und eine rasche Ausbreitung sind, macht eine (Fast-) Echtzeit-Überwachung der Entwicklung der Pandemie unerlässlich. Die Beschleunigung der Identifizierung, Isolierung und Überwachung infizierter Personen ist daher ein wichtiger Faktor im Kampf gegen Covid-19, und die in Padua gegründete und heute mit über 65 Niederlassungen weltweit aktive Engineering Group, die seit Jahrzehnten innovative digitale Lösungen entwickelt, hat eine Cloud-basierte Lösung zur Unterstützung dieses Prozesses bereitgestellt.

Die DE4Bios-Plattform stützt sich auf Funktionen des "Digital Enabler" von Engineering, einer "Powered by FIWARE"-Lösung, die nicht nur potenzielle Datenquellen innerhalb eines bestimmten Ökosystems identifiziert, sondern auch relevante Daten sammelt und deren kontextbezogene Visualisierung und Nutzung durch intuitive und reproduzierbare Dashboards erleichtert.

Plattform liefert Daten für Überwachung und Prognose

Im Zusammenhang mit der Ausbreitung einer Pandemie, bei der die Wachstumskurve einen exponentiellen Trend aufweist, sind einige der Merkmale der DE4Bios-Plattform, wie die Flexibilität und Einfachheit, vom Mock-up eines Dienstes zu seiner tatsächlichen Veröffentlichung zu wechseln, von entscheidender Bedeutung, das so die Reaktionsfähigkeit bei der Entscheidungsfindung im Vergleich herkömmliche Methoden verbessert wird.

Lorenzo Gubian, CIO Healthcare Department der Region Veneto, sagt: "Das von Engineering entwickelte Biosurveillance-System ermöglichte es uns, die Ausbreitung der Pandemie in Echtzeit zu überwachen, und lieferte uns Daten zur Vorhersage ihrer Auswirkungen im Voraus. All dies hat es uns ermöglicht, vorbeugende Maßnahmen zur Steuerung des medizinischen Notfallsystems zu ergreifen, weitere Infektionen zu vermeiden, die Zahl der Todesopfer einzudämmen und Leben zu retten".

Die ersten drei positiven Fälle im Veneto wurden am 21. Februar 2020 entdeckt. Die Idee, ein Bioüberwachungssystem für Covid-19 zu schaffen, wurde noch in derselben Nacht geboren. Die Entwickler von Engineering begannen am 26. Februar mit der Arbeit am Digital Enabler, und nach sieben Tagen begann der erste Dienst für Allgemeinmediziner. Ab dem 8. März war die Plattform einsatzbereit.

Arianna Cocchiglia, Direktorin für Gesundheitsinnovation bei Engineering, bestätigt, dass "die Flexibilität bei der Integration und die Einfachheit, verschiedene Datenquellen zu integrieren, es uns ermöglicht haben, in sehr kurzer Zeit über ein Echtzeit-Datenerfassungssystem zu verfügen, was bei Lösungen im Gesundheitswesen normalerweise nicht der Fall ist".

FIWARE-Lösungen sind leicht replizierbar

Das Bioüberwachungssystem DE4Bios, das derzeit in der Region Venetien im Einsatz ist, basiert auf der Plattform "Digital Enabler" und stützt sich auf verschiedene seiner Funktionen. Der Digital Enabler ist eine datengesteuerte, native Cloud-Ökosystem-Plattform, die von den Engineering R&D Labs entwickelt wurde. Sie ist heute eine der wenigen voll funktionsfähigen, sofort einsatzbereiten Cloud-Ökosystem-Plattformen, die auf dem Markt erhältlich sind.

Als "Ökosystem"-Plattform ermöglicht der Digital Enabler das Gedeihen neuer datenwirtschaftlicher Geschäftsmodelle, fördert die Innovation und erweitert bestehende Fähigkeiten. Dank der Open-Source-Technologie von FIWARE können in kurzer Zeit Lösungen für Notfallsituationen wie die Corona-Pandemie entwickelt werden. Diese Lösungen sind leicht replizierbar und können von verschiedenen Gemeinden, Regionen und Nationen problemlos übernommen und genutzt werden.

Der Digital Enabler spielt überall dort seine Stärken aus, wo missionskritische Informationen angereichert werden müssen, um schnelle und fundierte Entscheidungen treffen zu können:

  • um einen offenen Innovationsraum zu schaffen, um neue Ideen zu verwalten und zu entwickeln;
  • um verschiedene Arten von Datenquellen (Open Data, Enterprise Data, IoT-Geräte und -Infrastruktur, um nur einige zu nennen) zu erschließen und zu harmonisieren, um das Basiswissen der Benutzer zu erweitern;
  • um die Qualität der Datenquellen zu bewerten und die allgemeine Datenqualität zu verbessern;
  • um Datenmanagement in Echtzeit und ereignisgesteuerte Informationen zur Warnung und Überwachung bereitzustellen;
  • um Daten dynamisch zu modellieren und zu integrieren;
  • um Daten mit Hilfe von Mash-Up- und Mock-up-Fähigkeiten und Frontend-Dashboards zu visualisieren und zu analysieren, wodurch neue digitale Fähigkeiten, Anwendungen und Dienste geschaffen werden, um das neue datenwirtschaftliche Ökosystem voranzutreiben.

Der Digital Enabler ermöglicht es Anwendern, Daten zu harmonisieren, zu synchronisieren, zu integrieren, zu visualisieren, zu verknüpfen und zu analysieren. Darüber hinaus bietet er einen einzigen Zugriffspunkt auf Daten und Informationen, der zur Entwicklung neuer Mehrwertdienste sowie zur digitalen Aktivierung älterer Technologien und Anwendungen genutzt werden kann:

  • Datenermittlung: Identifizierung potenzieller Datenquellen innerhalb eines Ökosystems.
  • Datensammlung: aufschlussreiche Daten sammeln und sie über die Plattform leicht nutzbar machen.
  • Datenintegration: Zusammenführen von Daten aus mehreren Quellen zur Schaffung neuen Wissens.
  • Datenharmonisierung: Harmonisierung von Daten mit FIWARE-Standarddatenmodellen.
  • Datenvisualisierung: Visualisierung von Daten durch intuitive und replizierbare Dashboards.

Wie DE4Bios funktioniert

Die Bioüberwachung ist eine Spezialdisziplin der Medizin. Sie überwacht das Auftreten von Krankheitserregern und die Resistenz gegen Krankheitserreger und sammelt die entsprechenden Informationen in einem zentralen System, um epidemische Phänomens zu analysieren.

Biologische Überwachung bezieht sich dabei keineswegs auf Bedrohungen, Gefahren oder Krankheiten, die den Menschen betreffen, sondern auch auf Tierseuchen oder Krankheiten, die Pflanzen befallen, Ziel dabei ist, durch frühzeitige Warnungen Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Biosurveillance verschafft den Verantwortlichen einen klaren Einblick in die Gesamtsituation der klinisch-gesundheitlicher Aspekte und ermöglicht einen besseren Entscheidungsprozess auf allen Ebenen.

Im Vergleich zu früher müssen Bioüberwachungssysteme heute - insbesondere im Rahmen der Covid-19-Epidemie - schneller aussagekräftige Ergebnisse liefern, und zwar "fast" in Echtzeit, damit das medizinische System nicht überfordert wird, indem es Prioritäten setzen und schnell wirkungsvolle Maßnahmen ergreifen kann.

DE4Bios unterstützt öffentliche Verwaltungen und Krisenstäbe bei der Bewältigung von Epidemien durch die Bereitstellung

  • von Informationen über die Ärzte, die den Covid-19-Abstrich durchgeführt haben, inklusive Testergebnissen und einer schnellen Geo-Lokalisierung auf einer Karte der positiven Fälle;
  • einer aktualisierten Echtzeit-Ansicht aller Überwachungsdaten, entsprechend den WHO- und HL7-Standards;
  • aggregierter Daten über die Ergebnisse der durchgeführten Abstriche (positiv, negativ, weiter zu untersuchende Fälle oder insgesamt) mit Einzelheiten zu jedem einzelnen mikrobiologischen Labor, das die Tests durchgeführt hat;
  • aggregierter Daten über Fälle, d.h. Personen, geteilt durch "derzeit positiv" (Personen, die mindestens einen positiven Abstrich haben), "geheilt" (Personen, die einen positiven Abstrich und zwei aufeinanderfolgende negative Abstriche haben), "negativ" (Personen, die nur einen oder mehrere negative Abstriche haben), "Gesamtbevölkerung" (Personen, die sich mindestens einem Abstrich unterziehen). Diese aggregierten Informationen werden auch den Gemeinden und Gesundheitsorganisationen zur Verfügung gestellt;
  • des demographischen Kontext (z.B. Altersgruppen, Bevölkerung, die einem Screening unterzogen wird, oder infizierte Bevölkerung);
  • der Entwicklungskurven der Epidemie (infiziert, infiziert oder geheilt);
  • einer korrelierten Datenbank der Bevölkerung mit der Möglichkeit von Mehrfachabfragen, die nach Testergebnissen, Arzt, Gesundheitsbehörden, Gemeinde, Testdatum, Datum des Testberichts usw. sortiert sind;
  • der positiven Fälle, georeferenziert auf einer nach territorialer Inzidenz aggregierten Karte, navigierbar bis zur Identifizierung jedes einzelnen Falles.

Das Bioüberwachungssystem DE4Bios kombiniert sehr heterogene Datenquellen, um Datenbanken zu schaffen, auf denen fortgeschrittene Datenanalysen durchgeführt und epidemiologische Modelle, Echtzeit-Geolokalisierung einiger klinisch-gesundheitlicher Phänomene und prädiktive Karten der Ansteckung definiert und angewendet werden können.

Welche Informationen liefert DE4Bios?

DE4Bios liefert:

  • Echtzeit-Informationen über den Status der infizierten Bevölkerung (infiziert, geheilt, verstorben, im Krankenhaus oder auf der Intensivstation);
  • die Überwachung der Virusverbreitung unter den Mitarbeitern des Gesundheitswesens und ihrer Einsätze (infizierte und isolierte Mitarbeiter), um die verfügbaren personellen Ressourcen bewerten zu können;
  • Korrelationsdienste, die ausgehend von einem positiven Fall andere möglicherweise infizierte Personen identifizieren, und feststellen, welche von den Personen bereits mit welchem Ergebnis getestet wurde), inklusive einer Identifizierung der am stärksten gefährdeten Personen nach Altersgruppe, Pathologien usw., die noch nicht getestet wurden);
  • ein Dienst, der ausgehend von einem positiven Fall feststellt, ob es sich bei der infizierten Person um einen Arbeitgeber/Studenten handelt, und andere damit zusammenhängende Informationen (Arbeitsadresse/Schuladresse), um das Netzwerk möglicher infizierter Personen zu rekonstruieren.

Die systematische Sammlung der genannten Informationen verschafft öffentlichen Verwaltungen und Gesundheitseinrichtungen eine Datenbasis für die Implementierung von epidemiologischen Modellen. Solche Modelle ermöglichen zum Beispiel die automatische Simulation des Epidemie-Verlaufs ermöglicht, mit der Möglichkeit, Szenarien vorherzusagen, wenn sich die Parameter des Modells ändern.

Mehrwert durch FIWARE

Die DE4Bios-Lösung basiert vollständig auf offenen Standards und offenen APIs sowie Datenmodellen gemäß den Grundsätzen der FIWARE Foundation und des OASC. Sie ist "Powered by FIWARE" und nutzt FIWARE Generic Enablers. Durch die Verwendung der FIWARE NGSI APIs, die die Integration verschiedener Komponenten und Systeme auf einfache Weise ermöglichen, stellt Engineering sicher, dass die Plattform interoperabel und portabel ist und problemlos in anderen benachbarten Regionen und Ländern sowie auf globaler Ebene implementiert werden kann.

Im Zentrum des Systems stehen der CEF Context Broker und ein Connecting Europe Facility (CEF) Building Block (Die CEF ist ein EU-Finanzierungsprogramm, das Wachstum und Wettbewerbsfähigkeit durch gezielte Infrastrukturinvestitionen auf europäischer Ebene fördert).

Beim FIWARE Generic Enabler handelt es sich um eine API, die Daten aus mehreren Systemen integrieren kann, wodurch eine ganzheitliche Sicht auf kontextualisierte Informationen entsteht. Durch die Bereitstellung der Ebene, die jede Art von Daten beschreibt, ermöglicht der Context Broker die Schaffung einer Schnittstelle, die es jedem ermöglicht, große Datenmengen auf einfache Weise zu visualisieren und zu interpretieren.

Der CEF Context Broker wird unter Verwendung von FIWARE NGSI-Spezifikationen erstellt. Diese ermöglichen es Anwendungen, Echtzeit-Updates und Zugriff auf Informationen bereitzustellen, die die angezeigten Daten kontextualisieren. Typische Beispiele hierfür sind Aktualisierungen, Abfragen und Benachrichtigungen. Auf diese Weise können Organisationen ihre Metriken durch Live-Updates in Echtzeit überwachen. Kontextinformationen können mit Drittparteien ausgetauscht werden, wodurch Prozessverbesserungen und Innovationen über die gesamte Daten-Wertschöpfungskette hinweg ermöglicht werden.

Nächste Schritte

Der Zugriff auf Datenquellen, die in der ersten Phase der Dienste integriert werden sollen, umfasst

  • Testergebnisse aus mikrobiologischen Labors, die es ermöglichen, das Screening für Covid-19 durchzuführen. Das System integriert die persönlichen Daten der Patienten, die gescreent wurden, und das relative Ergebnis;
  • regionale/nationale Gesundheitsregister, um die Aufzeichnungen aus den Ergebnissen der Mikrobiologen mit einer bestimmten Registerposition abzugleichen und die Datenbank mit Informationen über fehlende oder unvollständige Personendaten oder Gesundheitsdaten zu erweitern;
  • Register, um Daten über den Kern der Patienten zu erhalten, die positiv getestet wurden;
  • Daten über den Status der infizierten Bevölkerung (infiziert, geheilt, verstorben, im Krankenhaus oder auf der Intensivstation stationär behandelt). Genauer gesagt werden die infizierte und die geheilte Bevölkerung automatisch identifiziert, indem die Ergebnisse der Tests analysiert werden, während die Anzahl der verstorbenen, hospitalisierten und auf der Intensivstation stationär behandelten Personen dem System durch eine Ad-hoc-Integration oder durch die Implementierung einer Web-Anwendung zur Verfügung gestellt werden kann;
  • administrative Abläufe aus den Krankenhäusern und der Ersten Hilfe;
  • regionale Arbeitnehmerregister oder Datenbanken der Sozialversicherung, aus denen die Daten des Arbeitgebers, die Adresse des Hauptsitzes und die Kontakte für positive Personen abgerufen werden können;
  • Persönliche Gesundheitsakten (Personal Health Records, PHR), um über klinische Daten und Dokumente in Echtzeit und alle nicht patientenzentrierten Informationen zu verfügen.

Lanfranco Marasso, Ph.D., ist Direktor des Digital Enabler Programms von Engineering Ingegneria Informatica. Giovanni Aiello ist Technischer Leiter des Digital-Enabler-Programms.

Bei dem Beitrag handelt es sich um eine leicht gekürzte Übersetzung des englischsprachigen Originals.

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