Interoperable and Secure IoT Architecture for Digital Healthcare: Wireless Monitoring of Untethered Patients in Smart Beds

Abstract

O envelhecimento da população, juntamente com o aumento de doenças crónicas, está a colocar uma pressão enorme nos sistemas de saúde atuais, tendo sido observada uma necessidade clara de aliviar esta pressão. Tendo em conta que os dispositivos de Internet das Coisas (IoT) permitem recolher sinais vitais de doentes sem estes saírem de suas casas, a IoT é vista como uma grande promessa para o desenvolvimento de sistemas de monitorização remota de pacientes. Apesardos benefícios potenciais da Internet das Coisas na área da saúde, ainda existem diversos obstáculos para a sua aplicação, tais como a interoperabilidade e a segurança.Esta dissertação foi desenvolvida no âmbito do projecto WoW, que propõe o desenvolvimento de um sistema de monitorização de pacientes sem fios interligado a um sistema de informação hospitalar (HIS). Este trabalho tem como principal objetivo consolidar e integrar os diversos componentes da arquitetura IoT proposta, com especial ênfase na interoperabilidade e segurança das comunicações.Inicialmente, a arquitetura IoT é materializada, consolidando os componentes de aquisição Bluetooth Low Energy (BLE) e transmissão de dados por MQTT, bem como o a Interface Gráfica do Utilizador (GUI). Também são implementadas várias funcionalidades para melhorar a componente de transmissão de dados, nomeadamente um mecanismo de redundância, uma funcionalidade keep-alive, e uma de emparelhamento. Além disso, uma camada de tradução usando o protocolo FHIR, um dos mais utilizados para a transmissão de informação de saúde no ambiente de software clínico, é concebida e desenvolvida para promover interoperabilidade com o sistema de informação hospitalar. Por fim, é realizada uma análise de vulnerabilidade de todo o sistema para definir melhorias a serem implementadas.Devido a circunstâncias externas, testes em cenários reais não puderam ser realizados. No entanto, foi realizado um teste completo do sistema num ambiente controlado, que indicou claras melhorias na fiabilidade e robustez no sistema em consequência dos desenvolvimentos apresentados nesta dissertação.

The aging population, along with the increase in chronic diseases, is putting substantialstrain on traditional healthcare systems, and a clear need to relieve this strain has been observed. Considering that Internet of Things (IoT) devices make it possible to collect vital signs from patients without them having to leave their home, IoT is seen as a great promise for the development of remote patient monitoring systems. In spite of the potential benefits of IoT is very beneficial for healthcare, there are still several barriers to its application, including interoperability and security.This dissertation has been developed in the scope of the WoW project, which proposesthe development of a wireless patient monitoring system interconnected to a Hospital Information System (HIS). The main objective of this work is to consolidate and integrate the various components of the proposed IoT architecture, with special emphasis on interoperability and communications security.Initially, the IoT architecture is materialized, consolidating the Bluetooth Low Energy(BLE) acquisition and Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) data transmissioncomponents, as well as the Graphical User Interface (GUI). Several features are alsoimplemented to enhance the data transmission component, namely a redundancy mechanism, a keep-alive feature, and a pairing feature. In addition, a translation layer using the Fast Healthcare Interoperability Resources (FHIR) protocol, one of the most widely used for transmitting health information in the clinical software environment, is designed and developed to promote interoperability with the HIS. Finally, a system-wide vulnerability analysis is performed to define improvements to be implemented.Due to external circumstances, tests in real scenarios could not be performed. However, a full system test in a controlled environment was performed, which demonstrated a clear improvement in the system’s reliability and robustness as as result of the developments presented in this dissertation.