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FoG-Care: a fog computing and blockchain architecture for global sharing of healthcare data

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metadataTrad.dc.contributor.author Costa, Humberto Jorge de Moura;
metadataTrad.dc.contributor.authorLattes http://lattes.cnpq.br/3755174224507905;
metadataTrad.dc.contributor.advisor Costa, Cristiano Andre da;
metadataTrad.dc.contributor.advisorLattes http://lattes.cnpq.br/9637121030877187;
metadataTrad.dc.contributor.advisor-co1 Antunes, Rodolfo Stoffel;
metadataTrad.dc.contributor.advisor-co1Lattes http://lattes.cnpq.br/2364296914395793;
metadataTrad.dc.publisher Universidade do Vale do Rio dos Sinos;
metadataTrad.dc.publisher.initials Unisinos;
metadataTrad.dc.publisher.country Brasil;
metadataTrad.dc.publisher.department Escola Politécnica;
metadataTrad.dc.language pt_BR;
metadataTrad.dc.title FoG-Care: a fog computing and blockchain architecture for global sharing of healthcare data;
metadataTrad.dc.description.resumo Devido aos recentes avanços nas áreas de sistemas distribuídos e cuidados de saúde, os dados dos pacientes podem estar dispersos em locais distantes. No entanto, é provável que ocorram erros de processamento e transmissão à medida que os conjuntos de dados se tornam maiores e mais complexos. Diversas soluções baseadas em Cloud Computing têm sido propostas para gerenciar dados de saúde. Essas soluções apresentam muitos desafios de implementação no campo de cuidados de saúde, como escalabilidade, privacidade de dados e identificação global de pacientes. Assim, tecnologias como Fog Computing e Blockchain apresentam-se como umaalternativa para reduzir a complexidade do gerenciamento de dados de saúde e aumentar sua confiabilidade. Desta forma, percebemos que o principal desafio a ser enfrentado seria como os serviços de saúde podem se beneficiar de uma arquitetura computacional que suporte padrões para identificação global de ativos e compartilhamento de informações geograficamente distribuídas considerando escalabilidade, latência e privacidade. A contribuição científica e propor um modelo de arquitetura baseado em Blockchain e Fog Computing que atenda a esses requisitos e eventuais limitações. A metodologia consiste em propor e implementar um protótipo de uma arquitetura de software de saúde chamada Fog-Care, avaliando métricas de desempenho como latência, throughput e send rate de contratos inteligentes do blockchain em um cenário proposto de uma campanha global de vacinação. Este software inclui um modelo de identidade única global chamado ID-Care, que suporta a identificação global de indivíduos unicos com várias combinações de documentos, dados biometria e a utilização do padrão global do setor de saúde chamado GS1. A avaliação é um cenário de caso de uso baseado em uma campanha de vacinação integrada nos 5 principais destinos turísticos mais visitados do mundo. A avaliação de desempenho demonstrou que a latência mínima gasta menos de 1 segundo para ser executada, e a média dessa métrica cresce em progressão linear. Questões de compartilhamento de dados, privacidade, identificação e o uso de um modelo de identificação global para saúde podem ajudar a reduzir custos, tempo e esforços, especialmente no contexto de ameaças à saúde, onde agilidade e suporte financeiro devem ser priorizados. A partir dos resultados, podemos inferir que é crucial adicionar mais nós na Fog, como um por estado, para suportar o aumento da demanda de transações em uma blockchain com nós dispersos para suportar a escalabilidade; a latência média das transações é de apenas alguns segundos, até mesmo 100 solicitações simultâneas por peer são consideradas; à medida que a taxa de envio aumenta, aproximadamente metade das transações são processadas nesse momento, de acordo com os resultados do throughput; a privacidade pode ser suportada e tratada globalmente com blockchain através da escrita de contratos inteligentes de blockchain que representam esses recursos; a ausência de mutação e integridade do ledger do blockchain em um ambiente global de saúde pode ajudar a proteger a privacidade dos pacientes; a identificação única e global de pessoas e recursos é necessária e pode ser feita com os padrões GS1 adequadamente; a utilização de uma arquitetura global de identificação para a saúde pode gerar várias sugestões úteis nas políticas públicas de saúde dependendo das especificidades de cada país e dos dados de saúde compartilhados com os participantes, sendo possível implementar melhores decisões políticas e uma estratégia de saúde coordenada com resultados mais rápidos e previamente disponíveis.;
metadataTrad.dc.description.abstract Due to recent advances in distributed systems and healthcare, patient data can be dispersed in distant locations. However, processing and transmission errors are more likely to occur as data sets become larger and more complex. Several solutions based on Cloud Computing have been proposed to manage health data. These solutions present many healthcare implementation challenges, such as scalability, data privacy, and global patient identification. Thus, Fog Computing and Blockchain present themselves as an alternative to reduce the complexity of managing health data and increase its reliability. Therefore, the main challenge to be faced is how health services can benefit from a computational architecture that supports standards for the global identification of assets and sharing of geographically distributed information, considering scalability, latency, and privacy. The scientific contribution is to propose an architectural model based on Blockchain and Fog Computing that meets these requirements and eventual limitations. The methodology consists of proposing and implementing a prototype of a healthcare software architecture called Fog-Care, evaluating performance metrics such as latency, throughput, and sending rate of blockchain smart contracts in a healthcare scenario of a global vaccination campaign. This software includes a globally unique identity model called ID-Care, which supports the global identification of unique individuals with various combinations of documents, biometrics, and the GS1 healthcare industry standard. The assessment is a use-case scenario based on an integrated vaccination campaign in the top 5 most visited tourist destinations globally. The performance evaluation demonstrated that the minimum latency takes less than 1 second to run, and this metric’s average grows linearly. Also, the average latency of transactions is just a few seconds; even 100 simultaneous requests per peer are considered. Thus, its data-sharing issues of privacy and identification and the use of a model for a global id for healthcare can help reduce costs, time, and efforts, especially in the context of health threats, Where agility and financial support must be prioritized. From the results, It is crucial to add more fog nodes, like one per state to support the increase of demand of transactions in a blockchain with comprehensive nodes dispersed, to support scalability; as the send rate increases, approximately half of the transactions are processed at that time, according to the throughput results; privacy can be supported and treated globally with blockchain with the writing of blockchain smart contracts that represent these features; the no mutation and integrity of the ledger in a healthcare global environment can help to protect the privacy of the patients; the unique and global identification of persons and resources is necessary and can be made with GS1 Standards properly; the use of a global identification architecture for health can generate several valuable suggestions in public health policies depending on the specifics of each country and the health data shared with the participants, being possible to implement better political decision-making and a more global coordinated healthcare strategy with faster and earlier results available.;
metadataTrad.dc.subject Blockchain; Computação na neblina; Computação na nuvem; Cuidados com saúde; Gs1; Computação na saúde; Saúde; Sistemas distribuídos; Cloud computing; Distributed systems; Fog computing; Health; Healthcare; Health informatics;
metadataTrad.dc.subject.cnpq ACCNPQ::Ciências Exatas e da Terra::Ciência da Computação;
metadataTrad.dc.type Tese;
metadataTrad.dc.date.issued 2022-12-05;
metadataTrad.dc.description.sponsorship Nenhuma;
metadataTrad.dc.rights openAccess;
metadataTrad.dc.identifier.uri http://www.repositorio.jesuita.org.br/handle/UNISINOS/12152;
metadataTrad.dc.publisher.program Programa de Pós-Graduação em Computação Aplicada;


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