Smart Dynamic Resource Allocation Model for Patient-Driven Mobile Medical Information System Using C4.5 Algorithm

Smart Dynamic Resource Allocation Model for Patient-Driven Mobile Medical Information System Using C4.5 Algorithm

JOURNAL OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY, VOL. 17, NO. 3, SEPTEMBER 2019 231   Digital Object Identifier: Smart Dynamic Resource Allocation Mo...

2MB Sizes 0 Downloads 29 Views

JOURNAL OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY, VOL. 17, NO. 3, SEPTEMBER 2019

231

 

Digital Object Identifier:

Smart Dynamic Resource Allocation Model for Patient-Driven Mobile Medical Information System Using C4.5 Algorithm Ching-Kan Lo | Hsing-Chung Chen | Pei-Yuan Lee | Ming-Chou Ku | Lidia Ogiela | Cheng-Hung Chuang*   Abstract—A  mobile  medical  information  system  (MMIS)  is  an  integrated  application  (app)  of  traditional  hospital information  systems  (HIS)  which  comprise  a  picture  archiving  and  communications  system  (PACS),  laboratory information  system  (LIS),  pharmaceutical  management  information  system  (PMIS),  radiology  information  system (RIS),  and  nursing  information  system  (NIS).  A  dynamic  resource  allocation  table  is  critical  for  optimizing  the performance  to  the  mobile  system,  including  the  doctors,  nurses,  or  other  relevant  health  workers.  We  have designed  a  smart  dynamic  resource  allocation  model  by  using  the  C4.5  algorithm  and  cumulative  distribution  for optimizing  the  weight  of  resource  allocated  for  the  five  major  attributes  in  a  cooperation  communications  system. Weka  is  used  in  this  study.  The  class  of  concept  is  the  performance  of  the  app,  optimal  or  suboptimal.  Three generations of optimization of the weight in accordance with the optimizing rate are shown. Index Terms—Dynamic  resource  allocation,  electronic  health  record,  hospital  information  system,  mobile  medical information system.

 

1. Introduction With  increasing  number  of  autonomous  heterogeneous  devices  in  the  mobile  networks,  an  efficient  resource allocation  scheme  is  required  to  maximize  network  throughput[1],  memory,  and  energy  optimization[2],  so  as  to achieve higher efficient and better performance. Mobile health (mHealth), which is the usages of mobile computing together with communications technologies in health care and public health, is a rapidly expanding e-health[3] area, such as the usages of applications (apps) for post-operative follow-up in orthopedic surgery patients[4],[5]. There are huge potential demands for mHealth interventions to obtain the beneficial effects of health, the delivery processes   *Corresponding author Manuscript received 2017-01-13; revised 2017-05-31. C.-K. Lo is with the Department of Orthopedics and the Department of Information, Show-Chwan Health Care System, Changhua 50008 (e-mail: [email protected]). H.-C. Chen and C.-H. Chuang are with the Department of Computer Science and Information Engineering and the Department of Bioinformatics  and  Medical  Engineering,  Asia  University,  Taichung  41354  (e-mail:  [email protected];  chchuang@asia. edu.tw). P.-Y.  Lee  and  M.-C.  Ku  are  with  the  Department  of  Orthopedics,  Show-Chwan  Health  Care  System,  Changhua  50008 (e-mail: [email protected][email protected]). L.  Ogiela  is  with  the  Department  of  Applied  Informatics,  Akademia  Górniczo-Hutnicza  University  of  Science  and  Technology, Krakow 30-059 (e-mail: [email protected]). Color versions of one or more of the figures in this paper are available online at http://www.journal.uestc.edu.cn. Publishing editor: Xuan Xie

Copyright 2019 University of Electronic Science and Technology of China. Publishing Services provided by Elsevier B.V. on behalf of KeAi. This is an open access article under the CC BY-NC-ND License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ ).

232

JOURNAL OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY, VOL. 17, NO. 3, SEPTEMBER 2019

of  health  service  as  well  as  the  improvement  of  the  working  time  and  satisfaction  of  the  nurses[6].  In  a  wireless sensor network (WSN), the usages of resources are usually highly related to the execution of tasks which consume a certain amount of computing and communications bandwidth[7]. Due to the limitations of resource availability and communications  medium,  these  existing  algorithms  cannot  be  directly  addressed  for  the  requirements  of  the mHealth system. In addition, decision tree methodology has become more popular in medical researches. Some examples may include  a  predictive  computer-assisted  decision-making  system  for  traumatic  injury  using  machine  learning algorithms[8]  and  diagnosis  of  coronary  artery  stenosis.  The  decision  tree  method  is  a  powerful  statistical  tool  for classification, prediction, interpretation, and data manipulation, which has several potential applications in medical research[9],[10].  The  Waikato  Environment  for  Knowledge  Analysis  (Weka)  is  a  popular  suite  of  machine  learning software written in Java, developed at the University of Waikato, New Zealand[11]. It is a workbench that contains a collection  of  visualization  tools  and  algorithms  for  data  analyses  and  predictive  modeling  together  with  graphical user interfaces for easily accessing to these functions[11]. C4.5  is  an  algorithm  used  to  generate  a  decision  tree  developed  by  Quinlan[12].  C4.5  is  an  extension  of Quinlan’s earlier ID3 algorithm. The decision trees generated by C4.5 can be used for classification, and for this reason, C4.5 is often referred to as a statistical classifier. Weka supports several standard data mining tasks,  more  specifically,  data  preprocessing,  clustering,  classification,  regression,  visualization,  and  feature selection. All of Weka’s techniques are predicated on the assumption that the data are available as a single flat file or a relation, where each data point is described by a fixed number of attributes (normally, numeric or nominal attributes, but some other attribute types are also supported)[11]. The  rest  of  this  paper  is  organized  as  follows:  In  Section  2,  the  related  works  are  reviewed.  Section  3 introduces  the  proposed  algorithm  model  in  detail.  In  Section  4,  the  simulation  results  of  the  proposed  are presented and the algorithm’s performance is discussed. Finally, in Section 5, conclusions are made. The goal of this paper is to create a smart and dynamic resource-mapping management table for the medical management information systems (MMISs) to optimize the weights of each server.

2. Related Works In  general,  network  resources,  storages,  and  energy  allocation  are  a  fundamental  challenge  in  the  mHealth system  due  to  their  unique  features.  Most  of  those  traditional  solutions  do  not  consider  resource  consumption during  communications  and  task  execution.  Therefore,  they  cannot  be  implemented  efficiently.  Furthermore,  the allocation becomes a topic that remains largely unexplored for the mHealth system. Several  algorithms[13]-[15]  have  been  proposed  for  the  task  allocation  and  scheduling  problem.  Giannecchini et al.[13] proposed an online task scheduling mechanism called CoRAl to allocate the network resources, between the tasks of periodic applications in WSNs[16],[17]. Xie and Qin[14] proposed another allocation strategy called balanced energy-aware  task  allocation  (BEATA)  for  collaborative  applications  running  on  heterogeneous  networked embedded  systems.  Their  strategies  aimed  at  making  the  best  trade-offs  between  energy  savings  and  schedule lengths[14],[16],[17].  Lee  and  Jeong[15]  proposed  a  fuzzy  relevance-based  cluster  head  selection  algorithm  (FRCA)  to solve problems, such as energy consumption, transmission rate reduction, decrease in throughput, and incorrect cluster head election. However,  there  is  little  literature  discussed  a  decision  tree  algorithm  model  to  allocate  multiple, heterogeneous  resources  in  the  mHealth  system.  This  paper  proposes  to  construct  a  decision  tree  more efficiently by reducing the incorrectness and ambiguity in the selection of service’s resources.

LO et al.: Smart Dynamic Resource Allocation Model for Patient-Driven Mobile Medical Information System Using C4.5 Algorithm

233

3. Resource Allocation Using Modified C4.5 Algorithm In this section, there are three subsections consisting of the machine learning analysis (MLA) using the C4.5 algorithm,  the  definition  of  symbols  and  formula,  and  the  smart  allocation  algorithm  using  the  modified  C4.5 algorithm. 3.1. MLA Using Modified C4.5 Algorithm The  C4.5  algorithm  is  applied  to  MLA  in  our  algorithm  as  shown  in   subsection  3.1,  which  is  one  of  the  best decision tree algorithms[12]. It builds decision trees using the concept of information entropy from a set of training data in the same way as iterative Dichotomiser 3 (ID3). The training data are a set of already classified samples. At each node of the tree, C4.5[12] chooses the attribute of the data that most effectively splits its set of samples into subsets enriched in one class or the other. The splitting criterion is the normalized information gain (difference in entropy).  The  attribute  with  the  highest  normalized  information  gain  (νγ)  is  chosen  to  make  the  decision.  The algorithm then recurs on a smaller sub list. Weka freeware with the J48 classifier[12] selected for the C4.5 algorithm is used in this study. It does not require the  discretization  of  numeric  attributes,  in  contrast  to  the  ID3  algorithm  from  which  C4.5[12]  has  evolved  Microsoft Excel  2010  for  statistical  computation  of  the  formula  in  comparing  with  the  Weka.  The  entropy,  split  entropy, normalized information gain (NIG), and visualization of tree structure will be evaluated and shown. 3.2. Definition of Symbols and Formulas Some symbols and formulas applied in this paper are defined below. 1) g is the generation of algorithm, where g=0 represents the root generation. 2) n is the collection of resources or attributes to allocate. 3) m is the collection of the node, where m=0 is the root node. 4) i is the attribute index, and its value is from 1 to n. 5) j is the attribute value index from 1 to its final value that depends on its attribute (refer to Table 1). g

6) Wi  is the weight of each resource allocated in the gth generation and Wi0 = (1=n)£100%. 7) X g,m is the total instance in the gth generation at the node m, where m=0 represents the root node. Xi is the total instance in the attribute i. Xi,j is the total instance in the attribute i and the attribute value j. 8) A is a number represented as the total counts of optimal performance for X g,m, similarly, Ai is that for Xi, and Ai,j is that for Xi,j. 9) B is a number represented as the total counts of suboptimal performance for X g,m, similarly, Bi is that for Xi, and Bi,j is that for Xi,j. 10) α g=A/X g is the optimal performance rate in the gth generation. 11) β g=1− α g=B/X g is the suboptimal performance rate in the gth generation. g

12) Set ệ g and ệi  respectively as the entropy of the parent node, and that of the child node of the attribute i, P P P P g and ệi =−( Ai /X g,m)log2( Ai /X g,m)−( Bi /X g,m)log2( Bi /X g,m). g;m

g;m

13)  Set  ệi;j   as  the  entropy  of  the  attribute  i  and  the  attribute  value  j,  and  ệi;j =(Xi,j  /Xi)[−(Ai,j /Xi)log2(Ai,j /Xi)−

(Bi,j /Xi)log2(Bi,j /Xi)]. g;m

14) Set ệi

g;m

 as the total entropy in atribute i and the gth generation at the node m, and ệi g;m g;m P 15) Set e ^~i  as the split entropy of attribute i, and e ^~i = −(Xi,j /Xi)log2(Xi,j/Xi). 16) Set  17) Set 

=

P

g;m

ệi;j .

j

j g;m g;m g;m = (ệg;m –ệi ) in the gth generation at the node m. i  as the information gain, and  i g;m g;m ~g;m  is the normalized information gain, which is  i e ^i  in the gth generation at the node m. i

234

JOURNAL OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY, VOL. 17, NO. 3, SEPTEMBER 2019

18)  κ  is  the  node  or  relevant  attribute  with max(v i

g;m i ), where κµ i, and i= {1, 2,¢

19) Set 

¢ ¢, n}.

Attribute

 as the cumulative suboptimal Bi from the

bottommost of all the child nodes for the node κ. P 20)  Set    as  the  sum  of  all  cumulative suboptimal Bi in all nodes. g g 21)  = Wi ( g)  is  the  base  weight  of  the attribute i for the node κ. P 22)  g = g( )  is the weight gain for the node κ. g+

23) Wi

Table 1: Information of five major resources (abbreviation)

=

g

+

g

 is the updated weight allocated

Attribute value 1. Magnetic resonance image (MR)

1. Picture archiving and communications system (PACS)

2. Computed tomography (CT) 3. X-ray (XR) 4. Echography (Ec) 1. Culture (Cu)

2. Laboratory information system (LIS)

2. Biochemistry/serology (Bc) 3. Hemogram (Hm) 1. Vital sign chart (VS)

3. Nursing information system (NIS)

2. Nursing education (NE) 3. Nursing record (NR)

for the attribute i.

1. Inpatient stat order (IS)

3.3. Smart Allocation Algorithm and Creation of New Generation The  purpose  of  this  study  is  to  tune  the  weight  for resource  allocation  in  accordance  to  βg,  θκ,  and  the cumulative of Bi from the bottommost node resource to

4. Pharmaceutical management information system (PMIS)

2. Inpatient regular order (IR) 3. Outpatient stat order (OS) 1. Consultation sheet (CS)

5. Report information system (RIS) 2. Inpatient note (IN) 3. Image report (IR)

its parent node and substantially to the uppermost root node. The updated weight is the sum of  g

calculated as the product of  Wi  and αg. The  gain  R=

g

P

g

 and 

g

. Ƃg is

 is the sum of θ of all nodes or relevant resources. The weight

 of a relevant resource is the product of the suboptimal rate with its initial weight and the rate of cumulating P ¢ .

g ¡ Wi g

Using the new weight for resource allocation, another iterative of generation g+1 will restart the above algorithm to  tune  the  weight,  so  as  to  minimize  βg.  And βg<0.05  is  set  as  a  significant  optimization  or  stop  criteria  of  the algorithm in this paper.

4. Experimental Results and Analyses In MMIS, the five major resources of HIS will be the attributes of the modified C4.5 algorithm in a cooperation communications system, including PACS, LIS, NIS, PMIS, and RIS, where i equals to 1 to 5 as its ID, individually. The class of concepts is scored as A if the performance of MMIS is optimal or B if the performance is suboptimal. The details of the attributes and attribute values are shown in Table 1. Moreover, the modified C4.5 algorithm is processed by three phases consisting of the root generation phase, child nodes and decision tree generation phase, and weight updating for resource allocation phase. The details are described below. 4.1. Root Generation Phase The follows are the processed steps by using the modified C4.5 algorithm. The details are listed below. 1. γ = 0, m = 0, n = 5; 2. W10;0 = W20;0 = W30;0 = W40;0 = W50;0 = 20 %; 3. X0,0 = 100, total instances in node 0; 4. A = 50, B = 50, α0 = β0 = 50/100 = 50%; 5. Entropy of parent node: ệ0 = −(50/100)£log20.50−(50/100)£log20.50 = 1.00;

LO et al.: Smart Dynamic Resource Allocation Model for Patient-Driven Mobile Medical Information System Using C4.5 Algorithm

235

6. Entropy of MR: ệ0;0 1;1 = (X1,1/X1)[−(A1,1/X1,1)log2(A1,2/X1,1)−(B1,1/X1,2)log2(B1,1/X1,1)] = 0.25£ [−(0/25)£ 0−(25/25)£ 0] = 0;

7. Entropy of CT: ệ0;0 1;2 = (X1,2/X1)[−(A1,2/X1,2)log2(A1,2/X1,2)−(B1,2/X1,2)log2(B1,2/X1,2)] = 0.25£[−(10/25)£log2(0.4)−(15/25)£log2(0.6)] = 0.24;

8. Entropy of XR: ệ0;0 1;3 = (X1,3/X1)[−(A1,3/X1,3)log2(A1,3/X1,3)−(B1,3/X1,3)log2(B1,3/X1,3)] = 0.25£[−(21/25)£log2(0.84)−(4/25)£log2(0.16)] = 0.16; 9. Entropy of Ec: ệ0;0 1;4 = (X1,4/X1)[−(A1,4/X1,4)log2(A1,4/X1,4)−(B1,4/X1,4)log2(B1,4/X1,4)]= 0.25£ [−(19/25)£ log2(0.76)−(6/25)£ log2(0.24)]=

0.20; 10. Total entropy of PACS: g;m 0;0 0;0 0;0 ệ1 = ệ0;0 1;1+ ệ1;2+ ệ1;3+ ệ1;4 = 0+0.24+0.16+0.20 = 0.60; 11. Information gain of PACS: 0;0 0;0 0;0 1 =ệ ¡ ệ1 = 1:00 ¡ 0:60 = 0:40;

12. Split entropy of PACS: ~^0;0 = P −(X1,j /X1)log2(X1,j /X1) = −(25/100)£ log2(25/100)−(25/100)£ log2(25/100)−(25/100)£ log2(25/100)−(25/ e 1 j

100)£ log2(25/100) = 2.00; 13. Normalized information gain of PACS: 0;0 0;0 ~0;0 = =e ^ = 0:60=2:00 = 0:30; 1

1 1 0;0 0;0 14. The ệi ;j ;  ệi ;

~^0;0; e i

Table 2; 15. The maximum of 

0;0 i , and  0;0 i  (i

0;0 i  of the other attribute i =

2, 3, 4, 5 and value  j =1; 2; ¢ ¢ ¢; 5 are listed in

= 1; 2; ¢ ¢ ¢; 5) is obtained when i = 1. Thus, κ = 1 and the root node is PACS.

Table 2: Normalized information gain of all resources in root note Attribute

PACS (i=1)

LIS (i=2)

NIS (i=3)

PMIS (i=4)

RIS (i=5)

Value

A

B

ệ0i ;j

ệ0i

ệ0

~^ e

γ

νγ

MR

0

25

0

0.60

1.00

2.00

0.40

0.20

CT

10

15

0.24

-

-

-

-

-

XR

21

4

0.16

-

-

-

-

-

Ec

19

6

0.20

-

-

-

-

-

Cu

10

23

0.29

0.94

-

1.58

0.06

0.04 -

Bc

19

16

0.35

-

-

-

-

Hm

21

11

0.30

-

-

-

-

-

VS

14

31

0.40

0.91

-

1.54

0.09

0.06 -

NE

21

10

0.28

-

-

-

-

NR

15

9

0.23

-

-

-

-

-

IS

14

13

0.27

1.00

-

1.57

0

0

IR

16

17

0.33

-

-

-

-

-

OS

20

20

0.40

-

-

-

-

-

CS

19

15

0.34

-

-

-

-

-

IN

17

13

0.30

0.98

-

1.58

0.02

0.01

IR

14

22

0.35

-

-

-

-

-

4.2. Child Nodes and Decision Tree Generation Phase The algorithm then recurred in the smaller sub lists of PACS. As all samples of MR were B, the other 3 attribute values of CT, XR, and Ec were used separately to find the maximum 

0;1 i  or the child node of PACS.

In the attribute value of CT, there were 25 instances of training samples,

236

JOURNAL OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY, VOL. 17, NO. 3, SEPTEMBER 2019

1. X 0.1 = 25, A0.1 = 10, B0.1 = 15. 2. ệ0CT = −(10/25)£log2(0.4)−(15/25)£log2(0.6) = 0.97. 0;1

0;1

0;1

3. Entropy of Cu of LIS is ệ2;1 = (9/25)£[−(2/9)£log2(2/9)−(7/9)£log2(2/9) = 0.28 and ệ2;2 = ệ2;3 = 0.31.

0;0 i   was  on  the  attribute  NIS.  Thus,  NIS  was  chosen  as  the  child  node  of  PACS  on  the

4.  The  maximum  attribute value of CT.

5. The rest of the child node is shown in Fig. 1.  

PACS '= CT'

'= EC'

'= MR'

'B (25.0)'

NIS

NIS

'= NE' '= NR' '= VS'

'= NE' '= NR' '= VS'

'A (6.0)'

LIS

'B (12.0)'

'A (9.0)'

'A (6.0)'

'= Bc' '= Cu' '= Hm' 'A (1.0)'

'B (3.0)'

'= XR' LIS '= Bc' '= Cu' '= Hm' 'A (11.0)'

LIS '= Bc' '= Cu' '= Hm'

'A (3.0)'

'B (4.0/1.0)'

'B (3.0)'

'A (3.0)'

NIS

'A (7.0)'

'= NE' '= NR' '= VS' 'A (2.0)'

'A (1.0)'

'B (4.0)'

Fig. 1. Decision tree drawn by Weka, showing the hierarchy relationship of the resources allocation and the suboptimal performance.

4.3. Weight Updating for Resource Allocation Phase The cumulative suboptimal performance B from the bottommost child nodes of LIS and NIS to the uppermost root node of PACS is 13, 25, and 50. So, X 0

= 14 + 26 + 51 = 91: = A=X 0 = 49=100 = 49 :

The suboptimal performance rate is 0

= 1¡

0

= 51 :

The base weight of all resources is 0 i

= Wi

¡

0

¢

= 10

(i = 1; 2; ¢ ¢ ¢; 5)

There are three resources on the nodes of the decision tree. The weight gain of the root node PACS is 0 1

=

0

( 1=

The weight gain of the child node NIS is

X

) = 50

£ 51=91 = 28:6 :

LO et al.: Smart Dynamic Resource Allocation Model for Patient-Driven Mobile Medical Information System Using C4.5 Algorithm 0 3

= 50

237

£ 26=91 = 14:6 :

The weight gain of the second child node LIS is 0 2

= 50

£ 14=91 = 7:8 :

The weight gain of both RIS and PMIS, that is, the resources that are not on the decision tree, is 0 4

= 50

The updated weight for the root generation is shown in Table 3. After the updated weight allocation table is assigned to  the  resources,  a  new  testing  sample  of  100 instances  is  recurred  and  shows  a  different  class  of concept.  The  optimal  performance  rate  is  improved  to 78%,  α1=A/X1=78/100=78%.  Owing  to  β1=1–α1>0.05, the loop is going on to do the algorithm above.

£ 0=91 = 0: Table 3: Updated weight for the root generation Resources

PACS

NIS

LIS

PMIS

RIS

θκ

51

26

14

0

0

θκ/Σθ

56.0%

28.6%

15.4%

0

0

Wi0

20.0%

20.0%

20.0%

20.0%

20.0%

0

9.8%

9.8%

9.8%

9.8%

9.8%

0

28.6%

14.6%

7.8%

0

0

38.4%

24.4%

17.6%

9.8%

9.8%

Wi0+

The  new  decision  trees  of  the  first  and  second  generations  are  drawn  and  shown  in  Fig.  2  and  Fig.  3, respectively. In Fig. 2, the root node is RIS, and PMIS, NIS, and LIS are as child roots, respectively. After applying the updated resource allocation table, the second generation decision tree is shown with a root node of LIS, and NIS and RIS as its child nodes.  

RIS '= IN'

'= IS'

'A (4.0)'

'= NR' 'B (2.0)'

'A (33.0/5.0)'

'= IR' 'B (13.0)'

LIS

NIS '= NE'

'= CS'

'A (35.0/3.0)'

PIS '= OS'

'= IR'

'= Bc'

'= VS' 'B (5.0)'

'A (2.0)'

'= Cu' 'B (2.0)'

'= Hm' 'A (4.0/2.0)'

Fig. 2. Decision tree of the first generation with a new hierarchy relationship of the resources allocation with RIS as the root node.

The  resource  allocation  tables  of  the  first  and  second  generations  are  shown  in  Tables  4  and  5.  The  new resource  allocation  table  in  the  first  generation  improved  the  optimal  performance  rate  A  and  α2=91%.  But β2=0.91=0.09>0.05, thus the second generation will continue the loop of the algorithm.

238

JOURNAL OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY, VOL. 17, NO. 3, SEPTEMBER 2019

 

LIS '= BC'

'= Cu'

'A (35.0)'

'= Hm' 'B (32.0)'

NIS '= NE'

'= NR'

'A (10.0/1.0)'

'= VS'

'A (9.0)'

RIS '= IN'

'= IR'

'B (8.0)'

'= CS'

'B (1.0)'

'A (5.0/1.0)'

Fig. 3. Decision tree of the second generation with LIS as the root node, and RIS and NIS as its child nodes. Table 4: First generation weight updating table

Table 5: Weight allocation table of second generation

Resources

RIS

PMIS

LIS

NIS

PACS

Resources

LIS

NIS

RIS

PMIS

PACS

θκ

22

22

2

7

0

θκ

9

9

9

0

0

θκ/Σθ

41.5%

41.5%

3.8%

13.2%

0

θκ/Σθ

33.3%

33.3%

33.3%

0

0

Wi0

9.8%

9.8%

17.6%

24.4%

38.4%

Wi0

14.6%

21.9%

16.8%

16.8%

29.9%

Ƃ0κ

7.6%

7.6%

13.8%

19.0%

29.9%

Ƃ0κ

13.3%

19.9%

15.3%

15.3%

27.2%

0

9.1%

9.1%

0.8%

2.9%

0

3.0%

3.0%

3.0%

0

0

16.8%

16.8%

14.6%

21.9%

29.9%

16.3%

22.9%

18.3%

15.3%

27.2%

Wi0+

0

Wi0+

After the new weight allocation table of the second generation is assigned to the resources, the new different classes  of  concepts  show  that  the  optimal  performance  rate  improved  to  95%,  α3=95/100=95%.  Owing  to β3=1−0.95=0.05·0.05, the loop stops.

5. Conclusions and Future Work In  this  study,  a  method  of  smart  and  dynamic  resource  allocation  management  algorithm  is  designed  by  the combination  of  the  C4.5  algorithm  and  cumulative  distribution  function.  The  cumulative  function  accumulates  the suboptimal  classes  of  concepts  in  hierarchy  tree  nodes  from  the  bottommost  child  nodes  to  the  uppermost  root nodes. The initial allocation is assigned with an evenly distributed weight. The optimal performance rate is improved from 49% to 78%, 91%, and 95% in the first, second, and third generations after the algorithm run. This algorithm could be applied in the mHealth system with different resources. Future work should be done for the services with more resources to allocate.

References [1]

M. Hasan and E. Hossain, “Resource allocation for network-integrated device-to-device communications using smart relays,” in Proc. of IEEE Globecom Workshops, Atlanta, 2013, pp. 591-596.

LO et al.: Smart Dynamic Resource Allocation Model for Patient-Driven Mobile Medical Information System Using C4.5 Algorithm

[2]

239

X.  Liu,  K.-M.  Hou,  C.  D.  de  Vaulx, et al.,  “Memory  and  energy  optimization  strategies  for  multithreaded  operating system on the resource-constrained wireless sensor node,” Sensors (Basel), vol. 15, no. 1, pp. 22-48, Jan. 2015.

[3]

R.  Whittaker,  “Issues  in  mHealth:  Findings  from  key  informant  interviews,”  Journal of Medical Internet Researc, vol. 14, no. 5, pp. e129:1-9, Sept./Oct. 2012.

[4]

J.  L.  Semple,  S.  Sharpe,  M.  L.  Murnaghan,  J.  Theodoropoulos,  and  K.  A.  Metcalfe,  “Using  a  mobile  app  for monitoring  post-operative  quality  of  recovery  of  patients  at  home:  A  feasibility  study,”  JMIR Mhealth and Uhealth, vol. 3, no. 1, pp. e18:1-11, Jan./Mar. 2012.

[5]

C.-K. Lo, Y.-C. Wu, C.-H. Chuang, and H.-C. Chen, “A patient-driven mobile medical information system applying to physician  clinical  care,”  in  Proc. of the 9th Intl. Conf. on Innovative Mobile and Internet Services in Ubiquitous Computing, Blumenau, 2015, pp. 394-398.

[6]

C.-K. Lo, S.-S. Chang, C.-H. Chuang, and H.-C. Chen, “A mobile nursing app applying to the wound care and drug administration  of  patients,”  in  Proc. of the 9th Intl. Conf. on Innovative Mobile and Internet Services in Ubiquitous Computing, Blumenau, 2015, pp. 399-402.

[7]

W.-Z.  Guo,  N.-X.  Xiong,  H.-C.  Chao,  S.  Hussain,  and  G.-L.  Chen,  “Design  and  analysis  of  self-adapted  task scheduling strategies in wireless sensor networks,” Sensors (Basel), vol. 11, no. 7, pp. 6533-6554, Jul. 2011.

[8]

S.-Y.  Ji,  R.  Smith,  T.  Huynh,  and  K.  Najarian,  “A  comparative  analysis  of  multi-level  computer-assisted  decision making  systems  for  traumatic  injuries,”  BMC Medical Informatics and Decision Makingvolume,  vol.  9,  pp.  2:1-17, Dec. 2009.

[9]

Y.-Y. Song and Y. Lu, “Decision tree methods: Applications for classification and prediction,” Shanghai Archives of Psychiatry, vol. 27, no. 2, pp. 130-135, Apr. 2015.

[10] L. Ogiela and M. R. Ogiela, “Semantic analysis processes in advanced pattern understanding systems,” in Advanced Computer Science and Information Technology, T. H. Kim, H. Adeli, R. J. Robles, and M. Balitanas, Eds. Heidelberg: Springer, 2011, pp. 26-30.  [11] G. Holmes, A. Donkin, and I. H. Witten, “WEKA: A machine learning workbench,” in Proc. of Australian New Zealnd Intelligent Information Systems Conf., Brisbane, 1994, pp. 357-361. [12] J.  R.  Quinlan,  C4.5: Programs for Machine Learning,  San  Mateo  California:  Morgan  Kaufmann  Publishers,  Inc., 1993. [13] S.  Giannecchini,  M.  Caccamo,  and  C.  S.  Shih,  “Collaborative  resource  allocation  in  wireless  sensor  networks,”  in Proc. of the 16th Euromicro Conf. on Real-Time Systems, Catania, 2004, pp. 35-44. [14] T.  Xie  and  X.  Qin,  “An  energy-delay  tunable  task  allocation  strategy  for  collaborative  applications  in  networked embedded systems,” IEEE Trans. on Computers, vol. 57, no. 3, pp. 329-343, Mar. 2008. [15] C. Lee and T. Jeong, “FRCA: A fuzzy relevance-based cluster head selection algorithm for wireless mobile Ad-Hoc sensor networks,” Sensors (Basel), vol. 11, no. 5, pp. 5383-5401, May 2011. [16] N.  Renugadevi  and  C.  Mala,  “Improved  group  key  agreement  for  emergency  cognitive  radio  mobile  ad  hoc networks,” Journal of Wireless Mobile Networks, Ubiquitous Computing, and Dependable Applications, vol. 6, no. 3, pp. 73-86, 2015. [17] A.  Skovoroda  and  D.  Gamayunov,  “Securing  mobile  devices:  Malware  mitigation  methods,”  Journal of Wireless Mobile Networks, Ubiquitous Computing, and Dependable Applications, vol. 6, no. 2, pp. 78-97, 2015.

240

JOURNAL OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY, VOL. 17, NO. 3, SEPTEMBER 2019

Ching-Kan Lo received his medical degree (M.D.) from National Taiwan University, Taipei in 1995 and  completed  his  postgraduate  medical  degree  at  Royal  National  Orthopedic  Hospital,  London  in 2005, and received the master degree in public health (M.P.H.) from Tulane University, New Orlean in  2006.  Also,  he  received  the  Ph.D.  degree  in  computer  science  and  information  engineering from Asia  University,  Taichung  in  2017.  He  was  the  Director  of  the  Department  of  Information, Show-Chwan  Health  Care  System,  Changhua.  Currently,  he  is  the  senior  consultant  at  the Department of Information, Show-Chwan Health Care System. Besides, he is currently employed as the  Director  at  the  Department  of  Orthopedics, Show-Chwan  Health  Care  System. His  current research  interests  include  clinical  medicine,  health  care,  medical  information,  computer  science,  and  project management.

Hsing-Chung Chen  received  the  Ph.D.  degree  in  electronic  engineering  from  National  Chung Cheng University, Chiayi in 2007. From February 2008 to July 2018, he had successively been the assistant  professor  and  associate  professor  with  the  Department  of  Computer  Science  and Information  Engineering  and  the  Department  of  Bioinformatics  and  Medical  Engineering,  Asia University.  From  August  2018  to  July  2019,  he  was  a  full  professor  with  Asia  University.  Since August 2019, he has been a distinguished full professor with the Department of Computer Science and Information Engineering, Asia University, and also the Director of the same department. Since May  2014,  he  has been  a research  consultant  with  the  Departemnt  of  Medical  Research,  China Medical University Hospital, China Medical University, Taichung. He served as the Program Committee Chair of APNIC44 (2017). He is the IEEE Senior Member. He is also the Member of TFSA, ICCIT, CCISA, and IET. He had been awarded the  Best  Paper  Awards  by  BWCCA2018,  MobiSec2017,  and  BWCCA2016,  respectively.  He  was  awarded  the  Best Journal  Paper  Award  by  AACT.  Currently,  his  research  interests  include  information  and  communications  security, cyberspace  security,  blockchain  network  security,  Internet  of  things  applications  and  security,  mobile  and  wireless networks  protocols,  medical  and  bio-information  signal  and  image  processing,  artificial  intelligence  and  soft  computing, and applied cryptography.

Pei-Yuan Lee  received  his  medical  degree  (M.D.)  from  National  Yang  Ming  University,  Taipei  in 1985 and received his master degree in public health (M.P.H.) from Tulane University in 2010. He is currently  the  Director  of  the Department  of  Orthopedics  and  the  Vice  Superintendent  of  ShowChwan Health Care System. His interests include sporting injuries, trauma, and reconstructive and fracture surgery.

Ming-Chou Ku  received  his  medical  degree  (M.D.)  from  Taipei  Medical  University,  Taipei  in  1979 and received his M.S. degree from the Royal National Orthopedic Hospital and the master degree in public  health  (M.P.H.)  from  Tulane  University,  in  2005.  He  was  the  Director  of  the  Department  of Orthopedics  from  1994  to  2002  and  the  Superintendent  from  2003  to  2008,  Show-Chwan  Health Care System. He is currently the Vice President of Show-Chwan Health Care System. His interests include joint disorders, joint degeneration, joint replacements, and arthroscopic surgeries.

LO et al.: Smart Dynamic Resource Allocation Model for Patient-Driven Mobile Medical Information System Using C4.5 Algorithm

241

Lidia Ogiela  received  her  M.S.  degree  in  mathematics  from  Pedagogical  University,  Krakow,  and the  master  of  business  administration  in  management  and  marketing  from  Akademia  GórniczoHutnicza  (AGH)  University  of  Science  and  Technology,  Krakow,  both  in  2000.  In  2005  she  was awarded  the  title  of  doctor  in  computer  science  and  engineering  at  the  Faculty  of  Electrical, Automatic  Control,  Computer  Science  and  Electronic  Engineering,  AGH  University  of  Science  and Technology,  for  her  thesis  and  research  on  cognitive  analysis  techniques  and  its  application  in intelligent  information  systems.  She  is  the  author  of  a  several  dozens  of  scientific  international publications  on  information  systems,  cognitive  analysis  techniques,  biomedical  engineering,  and computational  intelligence  methods.  She  is  the  Member  of  a  few  prestigious  international  scientific  societies,  such  as SIAM, SPIE, and CSS. Currently, she is working as an associate professor with the Department of Applied Informatics, AGH  University  of  Science  and  Technology. Her  research  interests  include  information  systems,  cognitive  analysis techniques,  cognitive  economy  and  cognitive  management,  biomedical  engineering,  and  computational  intelligence methods. Cheng-Hung Chuang received his M.S. and Ph.D. degrees in electrical engineering from National Chung Cheng University in 1996 and 2003, respectively. From 2003 to 2007, he was a postdoctoral fellow  with  the  Institute  of  Statistical  Science,  Taipei.  In  2007,  he  entered  the  Department  of Computer  Science  and  Information  Engineering,  Asia  University  as  an  assistant  professor.  Since 2013, he has been employed as an associate professor with the Department of Computer Science and Information Engineering, Asia University. He is also a research consultant with the Department of  Medical  Research,  China  Medical  University  Hospital,  China  Medical  University.  His  research interests include image/video processing, optical and biomedical signal processing, computer vision, and pattern recognition.