[ES] Los sistemas de salud actuales están viendo cómo la cantidad de pacientes a atender y de servicios diferentes que han de prestar, es cada vez mayor, por lo que se cuestiona si serán sostenibles a largo plazo. Uno de los factores importantes de este aumento es el envejecimiento de la población, lo que implica un mayor número de pacientes crónicos y de personas dependientes. Al mismo tiempo, se genera la necesidad de abordar soluciones de prevención sobre la población general. Para hacer frente a estos problemas, se está recurriendo a la aplicación de las TIC en el ámbito de la salud, son los llamados sistemas de eSalud. En el desarrollo de sistemas de eSalud es necesario tener en cuenta que deben trabajar en entornos altamente heterogéneos y cambiantes. Además, han de ser capaces de adaptarse a las nuevas necesidades demandadas por la población, todo ello sin reducir la calidad de los servicios ya prestados y sin disparar los costes del sistema. Al desarrollar un sistema software, el modelo de arquitectura elegido marca qué características se van a potenciar. El paradigma de Arquitectura Orientada a Servicios (SOA) presenta entre sus principales beneficios una alta flexibilidad, reducción de costes y desarrollo rápido, así como permite la escalabilidad de sistemas. Por lo que puede ser un buen candidato a la hora de crear sistemas de eSalud. Existen diferentes formas de construir una arquitectura SOA, atendiendo a cómo se componen sus servicios y a cómo se aplican las directrices SOA. En esta tesis se propone el uso del paradigma de coreografía de procesos, siendo éste un modelo en el que se busca construir la arquitectura del sistema desde el punto de vista de los procesos de negocio de la organización. Este paradigma trabaja desde el concepto de un proceso único definido de forma distribuida, empleando coreografía de servicios para la composición. Es decir, no existe un elemento que centralice la toma de decisiones, donde cada servicio es consciente de qué debe realizar y cómo interactuar con el resto. En la coreografía de procesos se prioriza la eficiencia del sistema, aumentando el acoplamiento entre servicios, lo que puede reducir la flexibilidad del sistema SOA. Pero genera un sistema con mayor rendimiento y con una mejor alineación con los procesos de negocio. Además, la coreografía es más robusta que otros mecanismos de composición y ayuda con la integración de sistemas entre empresas. El objetivo de esta tesis es validar si el paradigma de coreografía de procesos es aplicable al desarrollo de sistemas de eSalud. Para ello se ha realizado la aplicación de este paradigma en tres escenarios de eSalud diferentes. En el primero de los escenarios, se creó un sistema para integrar y evaluar un dispositivo tecnológico puntero, las Google Glass. Esto demostró que se puede crear un sistema de eSalud basado en coreografía de procesos que integre dispositivos tecnológicos complejos. En el segundo de los escenarios, se validó el paradigma en un entorno real, creando un sistema distribuido de ejecución de modelos híbridos para la predicción y detección de diabetes tipo 2. El sistema permitió construir servicios para la ejecución de los modelos híbridos, integrando motores estadísticos externos y sistemas de terceros de acceso a datos clínicos. De esta forma se validó que la coreografía de procesos ayuda a la integración con sistemas externos, permitiendo un desarrollo rápido y la creación de sistemas distribuidos. En el tercero de los escenarios, se aplica el paradigma orientado al modelo de IoT integrando sensores portables para crear un sistema de eSalud. El sistema desarrollado integra un kit de sensores de eSalud para el seguimiento y monitorización remota de pacientes, comparando su rendimiento en un ordenador y en una Raspberry Pi. El resultado refrenda la hipótesis de que la coreografía de procesos permite aplicarse para crear fácilmente sistemas de eSalud orientados a IoT e integrar sensores portables de este ámbito. / [CA] Els sistemes de salut actuals estan veient com la quantitat de pacients a atendre i de servicis diferents que han de prestar, és cada vegada major, per la qual cosa es qüestiona si seran sostenibles a llarg termini. Un dels factors importants d'aquest augment és l'envelliment de la població, la qual cosa implica un major nombre de pacients crònics i de persones dependents. Al mateix temps, es genera la necessitat d'abordar solucions de prevenció sobre la població general. Per a fer front a aquests problemes, s'està recorrent a l'aplicació de les TIC en l'àmbit de la salut, són els cridats sistemes d'eSalut. En el desenvolupament de sistemes d'eSalut és necessari tindre en compte que han de treballar en entorns altament heterogenis i canviants. A més, han de ser capaços d'adaptar-se a les noves necessitats demandades per la població, tot això sense reduir la qualitat dels servicis ja prestats i sense disparar els costos del sistema. En desenvolupar un sistema programari, el model d'arquitectura triat marca quines característiques es potenciaran. El paradigma d'Arquitectura Orientada a Servicis (SOA) presenta entre els seus principals beneficis una alta flexibilitat, reducció de costos i desenrotllament ràpid, així com permet l'escalabilitat de sistemes. Pel que pot ser un bon candidat a l'hora de crear sistemes d'eSalut. Hi ha diferents formes de construir una arquitectura SOA, atenent a com es componen els seus servicis i a com s'apliquen les directrius SOA. En esta tesi es proposa l'ús del paradigma de coreografia de processos, sent aquest un model en el qual es busca construir l'arquitectura del sistema des del punt de vista dels processos de negoci de l'organització. Este paradigma treballa des del concepte d'un procés únic definit de forma distribuïda, emprant coreografia de servicis per a la composició. És a dir, no hi ha un element que centralitze la presa de decisions, on cada servici és conscient de què ha de realitzar i com interactuar amb la resta. En la coreografia de processos es prioritza l'eficiència del sistema, augmentant l'adaptament entre servicis, la qual cosa pot reduir la flexibilitat del sistema SOA. Però genera un sistema amb major rendiment i amb una millor alineació amb els processos de negoci. A més, la coreografia és més robusta que altres mecanismes de composició i ajuda amb la integració de sistemes entre empreses. L'objectiu d'aquesta tesi és validar si el paradigma de coreografia de processos és aplicable al desenrotllament de sistemes d'eSalut. Per a això s'ha realitzat l'aplicació d'aquest paradigma en tres escenaris d'eSalut diferents. En el primer dels escenaris, es va crear un sistema per a integrar i avaluar un dispositiu tecnològic punter, les Google Glass. Açò va demostrar que es pot crear un sistema d'eSalut basat en coreografia de processos que integre dispositius tecnològics complexos. En el segon dels escenaris, es va validar el paradigma en un entorn real, creant un sistema distribuït d'execució de models híbrids per a la predicció i detecció de diabetis tipus 2. El sistema va permetre construir servicis per a l'execució dels models híbrids, integrant motors estadístics externs i sistemes de tercers d'accés a dades clíniques. D'aquesta manera es va validar que la coreografia de processos ajuda amb la integració amb sistemes externs, permetent un desenrotllament ràpid i la creació de sistemes distribuïts. En el tercer dels escenaris, s'aplica el paradigma orientat al model d'IoT integrant sensors portables per a crear un sistema d'eSalut. El sistema desenrotllat integra un kit de sensors d'eSalut per al seguiment i monitorització remota de pacients, comparant el seu rendiment en un ordinador i en una Raspberry Pi. El resultat referenda la hipòtesi que la coreografia de processos permet aplicar-se per a crear fàcilment sistemes d'eSalut orientats a IoT i integrar sensors portables d'este àmbit. / [EN] Today's health systems are seeing an increasing number of patients to be cared for, as well as different services to be provided, raising questions as to whether they will be sustainable in the long term. One of the critical factors in this increase is the ageing of the population, which implies a more significant number of chronic patients and dependents. At the same time, there is a need to address prevention solutions in the general population. To address these problems, the application of ICTs in the health field, the so-called eHealth systems, is being used. In the development of eHealth systems, it is necessary to consider that they have to work in highly heterogeneous and changing environments. Moreover, they must be able to adapt to the new needs demanded by the population, without reducing the quality of the services already provided and without increasing the costs of the system. When developing a software system, the architecture model chosen determines which characteristics are to be enhanced. The Service Oriented Architecture (SOA) paradigm has among its main benefits high flexibility, cost reduction and rapid development, as well as allowing the scalability of systems. Therefore, it can be a good candidate when creating eHealth systems. There are different ways to build an SOA architecture, depending on how its services are composed and how SOA guidelines are applied. This thesis proposes the use of the process choreography paradigm, which is a model that seeks to build the architecture of the system from the point of view of the organisation's business processes. This paradigm works from the concept of a single process defined in a distributed way, using service choreography for the composition. In other words, there is no centralised decision-making element, where each service is aware of what it must do and how to interact with the rest. Process choreography prioritises system efficiency by increasing coupling between services, which can reduce the flexibility of the SOA system. But it generates a system with higher performance and better alignment with business processes. In addition, choreography is more robust than other composition mechanisms and helps with cross-company system integration. The aim of this thesis is to validate whether the process choreography paradigm is applicable to the development of eHealth systems. To this end, the application of this paradigm has been carried out in three different eHealth scenarios. In the first scenario, a system was created to integrate and evaluate a cutting-edge technological device, Google Glass. This demonstrated that it is possible to create an eHealth system based on process choreography that integrates complex technological devices. In the second scenario, the paradigm was validated in a real environment, creating a distributed hybrid model execution system for the prediction and detection of type 2 diabetes. The system allowed building services for hybrid model execution, integrating external statistical engines and third-party services to access clinical data. This scenario validated that the process choreography aids integration with external systems, enabling rapid development and the creation of distributed systems. In the third scenario, the paradigm is applied to the IoT model by integrating wearable sensors to create an eHealth system. The developed system integrates an eHealth sensor kit for remote patient tracking and monitoring, comparing its performance on a computer and a Raspberry Pi. The result supports the hypothesis that process choreography can be applied to easily create IoT-oriented eHealth systems and integrate IoT wearable sensors. / Bayo Montón, JL. (2023). Propuesta de uso del paradigma de coreografía de procesos para crear sistemas de eSalud en entornos heterogéneos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192822

[pt] Os veículos automatizados devem trafegar em determinado ambiente detectando, planejando e seguindo uma trajetória segura. De modo a se mostrarem mais seguros que seres humanos, eles devem ser capazes de executar essas tarefas tão bem ou melhor do que motoristas humanos sob diferentes condições críticas. Uma parte essencial no estudo de veículos automatizados o desenvolvimento de modelos representativos que sejam precisos e computacionalmente eficientes. Assim, para lidar com esses problemas, o presente trabalho aplica métodos de inteligência computational e identificação de sistemas para realizar modelagem de veículos e controle de rastreamento de trajetória. Primeiro, arquiteturas neurais são usadas para capturar as características do pneu na interação entre a dinâmica lateral e longitudinal do veículo, reduzindo o custo computacional em controladores preditivos. Em segundo lugar, uma combinação de modelos caixa-preta é usada para melhorar o controle preditivo. Em seguida, uma abordagem híbrida combina modelos baseados na física e orientados por dados com modelagem de caixa-preta das discrepâncias. Essa abordagem é escolhida para melhorar a precisão da modelagem de veículos, propondo um modelo de discrepância para capturar incompatibilidades entre modelos de veículos e dados medidos. Os resultados são mostrados quando os métodos propostos são aplicados a sistemas com dados simulados/reais e comparados com abordagens encontradas na literatura, mostrando um aumento de precisão (até 40 por cento) em termos de métricas baseadas em erro, com menor esforço computacional (redução de até 88 por cento) do que os controladores preditivos convencionais. / [en] Automated vehicles must travel in a given environment detecting, planning, and following a safe path. In order to be safer than humans, they must be able to perform these tasks as well or better than human drivers under different critical conditions. An essential part of the study of automated vehicles is the development of representative models that are accurate and computationally efficient. Thus, to cope with these problems, the present work applies artificial neural networks and system identification methods to perform vehicle modeling and trajectory tracking control. First, neural architectures are used to capture tire characteristics present in the interaction between lateral and longitudinal vehicle dynamics, reducing computational costs for predictive controllers. Secondly, a combination of black-box models is used to improve predictive control. Then, a hybrid approach combines physics-based and data-driven models with black-box modeling of the discrepancies. This approach is chosen to improve the accuracy of vehicle modeling by proposing a discrepancy model to capture mismatches between vehicle models and measured data. Results are shown when the proposed methods are applied to systems with simulated/real data and compared with approaches found in the literature, showing an increase of accuracy (up to 40 percent) in terms of error-based metrics while having lesser computational effort (reduction by up to 88 percent) than conventional predictive controllers.

La thèse est consacrée au développement de nouvelles méthodes de modélisations mathématiques en biologie et en médecine, du type “off-lattice" modèles hybrides discret-continus, et de leurs applications à l’hématopoïèse et aux maladies sanguines telles la leucémie et l’anémie. Dans cette approche, les cellules biologiques sont considérées comme des objets discrets alors que les réseaux intracellulaire et extracellulaire sont décrits avec des modèles continus régis par des équations aux dérivées partielles et des équations différentielles ordinaires. Les cellules interagissent mécaniquement et biochimiquement entre elles et avec le milieu environnant. Elles peuvent se diviser, mourir par apoptose ou se différencier. Le comportement des cellules est déterminé par le réseau de régulation intracellulaire et influencé par le contrôle local des cellules voisines ou par la régulation globale d’autres organes. Dans la première partie de la thèse, les modèles hybrides du type “off-lattice" dynamiques sont introduits. Des exemples de modèles, spécifiques aux processus biologiques, qui décrivent au sein de chaque cellule la concurrence entre la prolifération et l’apoptose, la prolifération et la différenciation et entre le cycle cellulaire et de l’état de repos sont étudiés. L’émergence des structures biologiques est étudiée avec les modèles hybrides. L’application à la modélisation des filamente de bactéries est illustrée. Dans le chapitre suivant, les modèle hybrides sont appliqués afin de modéliser l’érythropoïèse ou production de globules rouges dans la moelle osseuse. Le modèle inclut des cellules sanguines immatures appelées progéniteurs érythroïdes, qui peuvent s’auto-renouveler, se différencier ou mourir par apoptose, des cellules plus matures appelées les réticulocytes, qui influent les progéniteurs érythroïdes par le facteur de croissance Fas-ligand, et des macrophages, qui sont présents dans les îlots érythroblastiques in vivo. Les régulations intracellulaire et extracellulaire par les protéines et les facteurs de croissance sont précisées et les rétrocontrôles par les hormones érythropoïétine et glucocorticoïdes sont pris en compte. Le rôle des macrophages pour stabiliser les îlots érythroblastiques est montré. La comparaison des résultats de modélisation avec les expériences sur l’anémie chez les souris est effectuée. Le quatrième chapitre est consacré à la modélisation et au traitement de la leucémie. L’érythroleucémie, un sous-type de leucémie myéloblastique aigüe (LAM), se développe à cause de la différenciation insuffisante des progéniteurs érythroïdes et de leur auto-renouvellement excessif. Un modèle de type “Physiologically Based Pharmacokinetics-Pharmacodynamic” du traitement de la leucémie par AraC et un modèle de traitement chronothérapeutique de la leucémie sont examinés. La comparaison avec les données cliniques sur le nombre de blast dans le sang est effectuée. Le dernier chapitre traite du passage d’un modèle hybride à un modèle continu dans le cas 1D. Un théorème de convergence est prouvé. Les simulations numériques confirment un bon accord entre ces deux approches. / This dissertation is devoted to the development of new methods of mathematical modeling in biology and medicine, off-lattice discrete-continuous hybrid models, and their applications to modelling of hematopoiesis and blood disorders, such as leukemia and anemia. In this approach, biological cells are considered as discrete objects while intracellular and extracellular networks are described with continuous models, ordinary or partial differential equations. Cells interact mechanically and biochemically between each other and with the surrounding medium. They can divide, die by apoptosis or differentiate. Their fate is determined by intracellular regulation and influenced by local control from the surrounding cells or by global regulation from other organs. In the first part of the thesis, hybrid models with off-lattice cell dynamics are introduced. Model examples specific for biological processes and describing competition between cell proliferation and apoptosis, proliferation and differentiation and between cell cycling and quiescent state are investigated. Biological pattern formation with hybrid models is discussed. Application to bacteria filament is illustrated. In the next chapter, hybrid model are applied in order to model erythropoiesis, red blood cell production in the bone marrow. The model includes immature blood cells, erythroid progenitors, which can self-renew, differentiate or die by apoptosis, more mature cells, reticulocytes, which influence erythroid progenitors by means of growth factor Fas-ligand, and macrophages, which are present in erythroblastic islands in vivo. Intracellular and extracellular regulation by proteins and growth factors are specified and the feedback by the hormones erythropoietin and glucocorticoids is taken into account. The role of macrophages to stabilize erythroblastic islands is shown. Comparison of modelling with experiments on anemia in mice is carried out. The following chapter is devoted to leukemia modelling and treatment. Erythroleukemia, a subtype of Acute Myeloblastic Leukemia (AML), develops due to insufficient differentiation of erythroid progenitors and their excessive slef-renewal. A Physiologically Based Pharmacokinetics-Pharmacodynamics (PBPKPD) model of leukemia treatment with AraC drug and chronotherapeutic treatments of leukemia are examined. Comparison with clinical data on blast count in blood is carried out. The last chapter deals with the passage from a hybrid model to a continuous model in the 1D case. A convergence theorem is proved. Numerical simulations confirm a good agreement between these approaches.