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Design and development of process control and management application for pre-clinical laboratories
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Authors
Abstract(s)
Abstract
The use of generic information recording and control software such as Excel is still prevalent in many biomedical research laboratories and clinical practices. With the advance of web technologies and databases, Laboratory Information Management Systems (LIMS) based on these technologies have emerged in recent decades to facilitate laboratory management. This project consists in the development of a web application prototype to be applied to the management and control of the workflow of a laboratory dedicated to immunotherapy research and clinical practice (Mauerer lab, Champalimaud Foundation). The application has been named coley, in honor of William B. coley, one of the pioneers of immunotherapy. The development of the proposed application will be based on open-source tools. The project consisted on the conception, develpment and implementation of a simple web application to implement, consisting on a graphic interface, backend and a database. For the graphic interface, is implemented in ReactJS, a well-known open-source frontend library based on JavaScript, created by Facebook. The backend side uses the Django library, based on the Python language. The DataBase Management System (DBMS) is deployed in PostgreSQL engine. The use of the tools enabled the development of a simple laboratory information management system, which allows users with different roles in the system to register samples and control their respective subsamples, namely, cuts. This feature is essential for tracking and controlling sample results. For each cut it is possible to upload a result in xlsx format, corresponding to a test carried out on the cut, allowing results to be recorded and downloaded quickly and centrally. Future developments could include functionalities such as data analysis, trial creation and user performance control.
As origens dos sistemas de gestão de informação laboratorial (Laboratory Information Management Systems - LIMS) remontam à década de 1970, quando a necessidade de gestão eficiente de dados e de manutenção de registos nos laboratórios se tornou cada vez mais evidente. Os laboratórios, que tradicionalmente se baseavam em métodos manuais para a introdução de dados, rastreio de amostras e elaboração de relatórios, estavam a enfrentar desafios na gestão do enorme volume de dados gerados. Isto levou a ineficiências, erros e atrasos nos relatórios das análises clínicas. As primeiras versões de LIMS eram rudimentares em comparação com os sistemas atualmente utilizados. Centravam-se principalmente na automatização do controlo de amostras e no fornecimento de capacidades básicas de armazenamento de dados. Estes sistemas eram frequentemente construídos à medida das necessidades específicas de cada laboratório, o que limitava a sua escalabilidade e adaptabilidade. A década de 1980 marcou um ponto de viragem significativo, uma vez que os avanços tecnológicos na computação e no desenvolvimento de software permitiram soluções LIMS mais abrangentes. O uso de software de registo e controlo de informação genérico como folhas de cálculo ainda é prevalente em muitos laboratório de investigação biomédica e prática clínica. Com o avanço das tecnologias web e bases de dados, têm surgido nas últimas décadas LIMS com base nestas tecnologias que visam facilitar a gestão laboratorial. Na década de 1990 deu-se um aumento da popularidade dos LIMS à medida que os fornecedores de software comercial reconheceram o potencial do mercado. Com a integração de interfaces gráficas de utilizador, bases de dados relacionais e capacidades de ligação em rede, os LIMS tornaram-se mais fáceis de utilizar e acessíveis. Estes sistemas começaram a oferecer funcionalidades para além do armazenamento de dados, incluindo a integração de instrumentos, a gestão do fluxo de trabalho e o controlo de qualidade. Com o início do século XXI, os LIMS evoluíram para plataformas complexas e integradas, servindo uma vasta gama de tipos de laboratórios, incluindo laboratórios farmacêuticos, ambientais, clínicos e de investigação. Uma das principais tendências durante este período foi a mudança para soluções LIMS baseadas na Web e na nuvem, permitindo o acesso remoto, a colaboração e a partilha de dados. Esta mudança também abordou os desafios de segurança e conformidade de dados, críticos em indústrias regulamentadas. Neste trabalho, propõe-se o desenvolvimento de um protótipo de aplicação web a ser aplicado na gestão e controlo do fluxo de trabalho de um laboratório dedicado à investigação e práticas clínica em imunoterapia (Mauerer lab, Fundação Champalimaud). A aplicação foi designada de coley, em homenagem a William B. Coley, um dos pioneiros da imunoterapia. A arquitectura da aplicação segue a constituição de uma aplicação web simples de implementar, composta por uma frontend, backend e uma base de dados. O frontend consiste na interface gráfica com a qual o utilizador interagirá, sendo que esta interface terá a informação disponível gerida pelo backend que por sua vez irá fazer pedidos à base de dados consoante a interação do utilizador com a aplicação. O desenvolvimento da aplicação terá como base a implementação de ferramentas open-source. Para a interface gráfica, utilizou-se o ReactJS, conhecida biblioteca frontend de código aberto, com base em JavaScript, criada pelo Facebook. O ReactJS é, no campo do desenvolvimento web, a ferramenta de criação de interfaces mais popular. A sua abordagem oferece uma mudança de paradigma na forma como as interfaces de utilizador são construídas e mantidas. No coração do ReactJS estão vários conceitos fundamentais que o diferenciam das abordagens tradicionais de desenvolvimento Web. Um dos princípios-chave é a programação declarativa, em que os programadores descrevem o estado desejado da UI (user interface) e o React encarrega-se de atualizar eficientemente a UI real para corresponder a esse estado. Essa abordagem elimina a necessidade de código imperativo para manipular o DOM (Document Object Model) diretamente, levando a um código mais legível e de fácil manutenção. Para alem da abordagem da programação declarativa, a otimização virtual do DOM, a arquitetura baseada em componentes e o ecossistema próspero impulsionaram o React para a vanguarda do desenvolvimento Web moderno. No lado do backend, utilizou-se a biblioteca Django, com base na linguagem Python. Python Django, é uma ferramenta de código aberto, surgiu como uma escolha popular para programadores web devido à sua ênfase no princípio DRY (Don't Repeat Yourself) e à facilidade que oferece na construção de aplicações web complexas. O Django segue o padrão arquitetural Model-View- Controller (MVC), que é adaptado no Django como o padrão Model-View-Template (MVT). Os componentes integrais do Django são modelos (models), visualizações (views), e roteamento de URL (urls). O Django também inclui um sistema interno de autenticação e autorização, formando uma base de segurança robusta para aplicações Web. A autenticação confirma as identidades dos utilizadores através de métodos como nome de utilizador-senha e autenticação de terceiros. Autorização, por outro lado, controla o acesso do utilizador a diferentes partes da aplicação baseado em papéis, permissões e regras. Ao integrar o sistema de autenticação embutido do Django e a gestão de permissões, os programadores podem garantir interacções seguras, proteger dados sensíveis e regular as acções dos utilizadores de forma eficaz. A abordagem coesa desta estrutura à gestão de utilizadores ajuda os programadores a encontrar um equilíbrio entre a conveniência do utilizador e a segurança dos dados, crucial para a criação de soluções Web fiáveis e conformes. Como sistema de gestão de base de dados (SGBD) optou-se pela ferramenta PostgreSQL. O PostgreSQL, um sistema de gestão de base de dados relacional (Relational DataBase Management System - RDBMS) de código aberto que oferece uma plataforma robusta e rica em recursos para armazenar, gerir e recuperar dados. Com uma história que remonta ao início dos anos 80, o PostgreSQL evoluiu para uma solução versátil que satisfaz as exigências de diversas aplicações e indústrias. Em sua essência, o PostgreSQL incorpora os princípios da colaboração de código aberto. Nascido do projeto Ingres da Universidade da Califórnia, Berkeley, a jornada do PostgreSQL começou com um foco na extensibilidade e na adesão aos padrões SQL. Esta filosofia lançou as bases para uma comunidade próspera que continua a contribuir para o seu crescimento. A arquitetura do PostgreSQL é um testemunho da sua eficiência e escalabilidade. Seguindo um modelo cliente-servidor, emprega um cluster de processos para lidar com tarefas, como processamento de consultas, manutenção em segundo plano e gerenciamento de transações. O coração do seu controlo de concorrência reside no sistema de Controlo de Concorrência Multi-Versão (MVCC), que permite elevados níveis de atividade concorrente, mantendo a consistência dos dados. Nos últimos anos, a tecnologia de contentores transformou a forma como as aplicações são desenvolvidas, implementadas e geridas. No meio desta evolução, o Docker emergiu como uma das ferramentas mais influentes e amplamente adoptadas, permitindo aos programadores criar, empacotar e distribuir aplicações juntamente com as suas dependências de forma eficiente e consistente. Com a crescente adoção em todo o setor de TI, compreender os princípios, benefícios e casos de uso do Docker é fundamental para se manter atualizado no cenário tecnológico em constante evolução. O Docker é uma plataforma de código aberto que automatiza a implantação de aplicativos em contentores leves e portáteis. Um contentor é uma unidade autónoma de software que aloja o código de uma aplicação, bibliotecas, dependências e outras configurações necessárias para executar a aplicação de forma isolada e consistente em qualquer ambiente. Esta capacidade é conseguida através da virtualização ao nível do sistema operativo. O protótipo deste trabalho é executado num abiente de contentores, de forma a facilitar a transferência do ambiente de desenvolvimento para o ambiente de produção.
As origens dos sistemas de gestão de informação laboratorial (Laboratory Information Management Systems - LIMS) remontam à década de 1970, quando a necessidade de gestão eficiente de dados e de manutenção de registos nos laboratórios se tornou cada vez mais evidente. Os laboratórios, que tradicionalmente se baseavam em métodos manuais para a introdução de dados, rastreio de amostras e elaboração de relatórios, estavam a enfrentar desafios na gestão do enorme volume de dados gerados. Isto levou a ineficiências, erros e atrasos nos relatórios das análises clínicas. As primeiras versões de LIMS eram rudimentares em comparação com os sistemas atualmente utilizados. Centravam-se principalmente na automatização do controlo de amostras e no fornecimento de capacidades básicas de armazenamento de dados. Estes sistemas eram frequentemente construídos à medida das necessidades específicas de cada laboratório, o que limitava a sua escalabilidade e adaptabilidade. A década de 1980 marcou um ponto de viragem significativo, uma vez que os avanços tecnológicos na computação e no desenvolvimento de software permitiram soluções LIMS mais abrangentes. O uso de software de registo e controlo de informação genérico como folhas de cálculo ainda é prevalente em muitos laboratório de investigação biomédica e prática clínica. Com o avanço das tecnologias web e bases de dados, têm surgido nas últimas décadas LIMS com base nestas tecnologias que visam facilitar a gestão laboratorial. Na década de 1990 deu-se um aumento da popularidade dos LIMS à medida que os fornecedores de software comercial reconheceram o potencial do mercado. Com a integração de interfaces gráficas de utilizador, bases de dados relacionais e capacidades de ligação em rede, os LIMS tornaram-se mais fáceis de utilizar e acessíveis. Estes sistemas começaram a oferecer funcionalidades para além do armazenamento de dados, incluindo a integração de instrumentos, a gestão do fluxo de trabalho e o controlo de qualidade. Com o início do século XXI, os LIMS evoluíram para plataformas complexas e integradas, servindo uma vasta gama de tipos de laboratórios, incluindo laboratórios farmacêuticos, ambientais, clínicos e de investigação. Uma das principais tendências durante este período foi a mudança para soluções LIMS baseadas na Web e na nuvem, permitindo o acesso remoto, a colaboração e a partilha de dados. Esta mudança também abordou os desafios de segurança e conformidade de dados, críticos em indústrias regulamentadas. Neste trabalho, propõe-se o desenvolvimento de um protótipo de aplicação web a ser aplicado na gestão e controlo do fluxo de trabalho de um laboratório dedicado à investigação e práticas clínica em imunoterapia (Mauerer lab, Fundação Champalimaud). A aplicação foi designada de coley, em homenagem a William B. Coley, um dos pioneiros da imunoterapia. A arquitectura da aplicação segue a constituição de uma aplicação web simples de implementar, composta por uma frontend, backend e uma base de dados. O frontend consiste na interface gráfica com a qual o utilizador interagirá, sendo que esta interface terá a informação disponível gerida pelo backend que por sua vez irá fazer pedidos à base de dados consoante a interação do utilizador com a aplicação. O desenvolvimento da aplicação terá como base a implementação de ferramentas open-source. Para a interface gráfica, utilizou-se o ReactJS, conhecida biblioteca frontend de código aberto, com base em JavaScript, criada pelo Facebook. O ReactJS é, no campo do desenvolvimento web, a ferramenta de criação de interfaces mais popular. A sua abordagem oferece uma mudança de paradigma na forma como as interfaces de utilizador são construídas e mantidas. No coração do ReactJS estão vários conceitos fundamentais que o diferenciam das abordagens tradicionais de desenvolvimento Web. Um dos princípios-chave é a programação declarativa, em que os programadores descrevem o estado desejado da UI (user interface) e o React encarrega-se de atualizar eficientemente a UI real para corresponder a esse estado. Essa abordagem elimina a necessidade de código imperativo para manipular o DOM (Document Object Model) diretamente, levando a um código mais legível e de fácil manutenção. Para alem da abordagem da programação declarativa, a otimização virtual do DOM, a arquitetura baseada em componentes e o ecossistema próspero impulsionaram o React para a vanguarda do desenvolvimento Web moderno. No lado do backend, utilizou-se a biblioteca Django, com base na linguagem Python. Python Django, é uma ferramenta de código aberto, surgiu como uma escolha popular para programadores web devido à sua ênfase no princípio DRY (Don't Repeat Yourself) e à facilidade que oferece na construção de aplicações web complexas. O Django segue o padrão arquitetural Model-View- Controller (MVC), que é adaptado no Django como o padrão Model-View-Template (MVT). Os componentes integrais do Django são modelos (models), visualizações (views), e roteamento de URL (urls). O Django também inclui um sistema interno de autenticação e autorização, formando uma base de segurança robusta para aplicações Web. A autenticação confirma as identidades dos utilizadores através de métodos como nome de utilizador-senha e autenticação de terceiros. Autorização, por outro lado, controla o acesso do utilizador a diferentes partes da aplicação baseado em papéis, permissões e regras. Ao integrar o sistema de autenticação embutido do Django e a gestão de permissões, os programadores podem garantir interacções seguras, proteger dados sensíveis e regular as acções dos utilizadores de forma eficaz. A abordagem coesa desta estrutura à gestão de utilizadores ajuda os programadores a encontrar um equilíbrio entre a conveniência do utilizador e a segurança dos dados, crucial para a criação de soluções Web fiáveis e conformes. Como sistema de gestão de base de dados (SGBD) optou-se pela ferramenta PostgreSQL. O PostgreSQL, um sistema de gestão de base de dados relacional (Relational DataBase Management System - RDBMS) de código aberto que oferece uma plataforma robusta e rica em recursos para armazenar, gerir e recuperar dados. Com uma história que remonta ao início dos anos 80, o PostgreSQL evoluiu para uma solução versátil que satisfaz as exigências de diversas aplicações e indústrias. Em sua essência, o PostgreSQL incorpora os princípios da colaboração de código aberto. Nascido do projeto Ingres da Universidade da Califórnia, Berkeley, a jornada do PostgreSQL começou com um foco na extensibilidade e na adesão aos padrões SQL. Esta filosofia lançou as bases para uma comunidade próspera que continua a contribuir para o seu crescimento. A arquitetura do PostgreSQL é um testemunho da sua eficiência e escalabilidade. Seguindo um modelo cliente-servidor, emprega um cluster de processos para lidar com tarefas, como processamento de consultas, manutenção em segundo plano e gerenciamento de transações. O coração do seu controlo de concorrência reside no sistema de Controlo de Concorrência Multi-Versão (MVCC), que permite elevados níveis de atividade concorrente, mantendo a consistência dos dados. Nos últimos anos, a tecnologia de contentores transformou a forma como as aplicações são desenvolvidas, implementadas e geridas. No meio desta evolução, o Docker emergiu como uma das ferramentas mais influentes e amplamente adoptadas, permitindo aos programadores criar, empacotar e distribuir aplicações juntamente com as suas dependências de forma eficiente e consistente. Com a crescente adoção em todo o setor de TI, compreender os princípios, benefícios e casos de uso do Docker é fundamental para se manter atualizado no cenário tecnológico em constante evolução. O Docker é uma plataforma de código aberto que automatiza a implantação de aplicativos em contentores leves e portáteis. Um contentor é uma unidade autónoma de software que aloja o código de uma aplicação, bibliotecas, dependências e outras configurações necessárias para executar a aplicação de forma isolada e consistente em qualquer ambiente. Esta capacidade é conseguida através da virtualização ao nível do sistema operativo. O protótipo deste trabalho é executado num abiente de contentores, de forma a facilitar a transferência do ambiente de desenvolvimento para o ambiente de produção.
Description
Thesis to obtain the Master’s Degree in Biomedical Engineering
Keywords
Laboratory information management systems (LIMS) React Django PostgreSQL Docker Immunology Sistemas de gestão da informação laboratorial (LIMS) Imunologia
Citation
MONTEIRO, Ricardo Luís Carvalho – Design and development of process control and management application for pre-clinical laboratories. Lisboa: Instituto Superior de Engenharia de Lisboa. 2024. Dissertação de Mestrado.