Technologies for the development of integrated oncosimulators

Abstract

The purpose of this doctoral dissertation is to develop and document technologies necessary for integrated Oncosimulators. i.e. digital twins in oncology. The need for these processes arises from the fact that a simulation model basically remains a piece of software, whose input and output in their original forms indeed provide the necessary clinical information for drawing conclusions, but in a format not immediately or easily readable and understandable by either the researcher or the clinician. Within the context of solving this significant issue, which ultimately aims at the clinical application of the concept of personalized in silico medicine, a computational infrastructure is proposed. Its basic functionality focuses on storing the characteristics of a simulation model, including its relevant executable and accompanying files. Initially, an introduction to the basic principles of development and functionality of such an infrastructure is provided, while proposed extensions for handling semantic data and clinical questions are presented. At the same time, through the results of successful European Commission funded research projects, use cases of simulation models to which the aforementioned infrastructure can contribute are presented. These include Oncosimulators and their transition to routine clinical practice in the form of Clinical Decision Support Systems. Subsequently, an original implementation of the aforementioned infrastructure is provided. This includes a description of the design techniques and technologies used, the individual parts into which it is divided, and its use cases. Furthermore, the results of using the implemented application through these scenarios are presented. Finally, a brief summary, including future extensions is provided.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και η περιγραφή τεχνολογιών δημιουργίας ολοκληρωμένων Ογκοπροσομοιωτών, δηλαδή ψηφιακών διδύμων(digital twins) στην ογκολογία. Η ανάγκη για μια τέτοια διαδικασία προκύπτει από το γεγονός ότι ένα μοντέλο προσομοίωσης κατά βάση παραμένει ένα κομμάτι λογισμικού, του οποίου η είσοδος και η έξοδος στις αρχικές μορφές του δίνουν μεν την απαραίτητη κλινική πληροφορία προς εξαγωγή συμπερασμάτων, πλην όμως οι μορφές αυτές δεν είναι άμεσα ή εύκολα αναγνώσιμες και κατανοήσιμες είτε από τον ερευνητή, είτε από τον κλινικό ιατρό. Ως πρόταση για την επίλυση αυτού του σημαντικού ζητήματος που έχει ως απώτερο σκοπό την εφαρμογή επί του κλινικού πεδίου της έννοιας της προσωποποιημένης in silicoιατρικής, προτείνεται μια υπολογιστική υποδομή, της οποίας η βασική λειτουργικότητα επικεντρώνεται στην αποθήκευση των χαρακτηριστικών ενός προσομοιωτικού μοντέλου, συμπεριλαμβανομένων και των σχετικών εκτελέσιμων και συνοδευτικών αρχείων αυτού. Αρχικά παρέχεται μια εισαγωγή στις βασικές αρχές ανάπτυξης και λειτουργικότητας μιας τέτοιας υποδομής, ενώ παρουσιάζονται προτεινόμενες επεκτάσεις για το χειρισμό σημασιολογικών δεδομένων, καθώς και κλινικών ερωτήσεων. Παράλληλα, μέσα από τα αποτελέσματα επιτυχημένων Ευρωπαϊκών ερευνητικών προγραμμάτων παρουσιάζονται σενάρια χρήσης προσομοιωτικών μοντέλων στα οποία μπορεί να συνεισφέρει η εν λόγω υποδομή, ώστε να προωθηθεί η μετάβασή τους στην καθημερινή κλινική πράξη, όπως για παράδειγμα η χρήση των Ογκοπροσομοιωτών σε Συστήματα Υποστήριξης Κλινικών Αποφάσεων. Στη συνέχεια δίνεται μια πρωτότυπη υλοποίηση της προαναφερθείσας υποδομής. Περιλαμβάνει την περιγραφή των τεχνολογιών και τεχνικών σχεδίασης που χρησιμοποιούνται, τα επιμέρους μέρη στα οποία αυτή διαχωρίζεται και στα σενάρια χρήσης της. Κατόπιν παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της χρήσης της υλοποιημένης εφαρμογής μέσα από αυτά τα σενάρια. Τέλος γίνεται μια σύντομη σύνοψη που περιλαμβάνει και μελλοντικές επεκτάσεις.