Informatica Medica

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Informatica Medica

Dr. Armando Abate

La Medicina non è una scienza esatta

Nome Cognome Ente

Da una novella di Ben Hecht, 1945:

Un medico, anziano membro del segretissimo Club X,

illustra gli scopi del club stesso ad un novizio:

“… I membri del Club hanno un solo scopo: essi si riuniscono ogni tre mesi e ogni volta confessano gli omicidi che hanno commesso dall’ultima riunione. Mi riferisco, naturalmente, ad omicidi medici, omicidi “professionali”. Talvolta preferirei sentire di un omicidio commesso per passione piuttosto che per stupidità... Comunque, Dr. Warner, se lei ha da poco ucciso una moglie o fatto fuori uno zio, e vuole togliersi qualche senso di colpa, siamo qui per ascoltarla. Va da sè che non riferiremo nulla nè alla polizia nè all’ordine dei medici … il nostro scopo è unicamente scientifico. Avendo assodato che nessuno di noi ammetterebbe mai i propri errori in pubblico, … abbiamo fondato questa società segreta. E’ l’unica società scientifica al mondo dove i membri parlano esclusivamente dei propri errori…”

Il miracolo

dei quindici

assassini

Il miracolo

dei quindici

assassini

… Mi riferisco a quei casi in cui il medico, per

una diagnosi sbagliata, per un trattamento,

un’operazione o una procedura

dimostrabilmente sbagliati, ha provocato la

morte di un paziente che, senza l’attenzione di

quel medico, avrebbe continuato a vivere …

Ma qual è il miracolo?

la novella termina con i quindici medici che

salvano una vita, risolvendo un caso

estremamente complesso, proprio grazie ad

una serie di ragionamenti sui loro errori e alle

lezioni imparate dai loro precedenti “omicidi”

Il miracolo

dei quindici

assassini

Anche in Italia …

Le cose stanno cambiando e i casi del Club X raramente restano segreti, si sta imponendo una cultura diversa che punta proprio ad “imparare dall’errore”

… La Medicina non è una scienza esatta

• I medici sono chiamati giornalmente a prendere decisioni in condizioni di incertezza– Sui dati – Sulla diagnosi – Sulla terapia– Sulla prognosi

… non solo i medici

anche gli amministratori e coloro che stabiliscono le politiche sanitarie devono prendere decisioni. In questo caso oltre agli effetti sulla salute si devono considerare anche i costi:analisi costo-beneficio, costo-efficacia, …

– Avviare o no una campagna di vaccinazione ?– Avviare o no uno screening ?

Presa di decisioni in condizioni di incertezza (prevalenza, effetti collaterali, …) e

in presenza di risorse economiche limitate

Come si può governare l’incertezza con l’informatica?

Una definizione ambiziosa (Coiera, 1997)

• L’informatica medica è la logica della sanità.

• Studio razionale del modo in cui – i pazienti vengono pensati– i trattamenti sono definiti, selezionati ed

ottimizzati– la conoscenza medica viene creata, formata,

condivisa ed applicata– la sanità è organizzata per fornire i suoi servizi

Altre definizioni ...

• Applicazioni dell’informatica alla medicina (Van Bemmel, Handbook of Medical Informatics)

• La scienza che si occupa della gestione dell’informazione e dei programmi basati su calcolatore in sanità (Oregon Health Science University)

• Applicazione dei principi della Teoria dell’informazione alla conoscenza medica con l’obbiettivo di fornire un supporto alla risoluzione delle problematiche della Scienza Medica attinenti alla diagnosi, alla terapia ed alla prevenzione (N. Cappello, Informatica Medica)

Circa 50.000 pazienti muoiono ogni anno negli ospedali americani per errori prevedibili.

La spesa sociale ogni anno supera quella causata dalle morti per incidenti stradali e aerei, suicidi, assunzione di droga e avvelenamenti.

L’85% dei trattamenti non sono giustificati sulla base delle evidenze scientifiche

L’aumento delle risorse non ha aumentato l’efficacia dei trattamenti

Il trasferimento nella pratica dei risultati della ricercabiomedica è lento e non sistematico

Sfide alla medicina attuale

• Revisione periodica del peso relativo tra scienza, organizzazione e tecnologia.

• Nuova concezione del paziente: non più un oggetto di trattamento ma un soggetto di vita (da “cure” a “care”, maggior interesse alla qualità dei trattamenti).

• Medicina dell’evidenza: uso delle tecnologie non basate sul pregiudizio favorevole di una loro maggiore efficacia, ma su seri studi di epidemiologia clinica.

Il ruolo dell’informatica medica

Garantire costo-efficacia dei servizi sanitari aumentandone la qualità.Favorire la collaborazione tra i membri di un team di specialisti coinvolti nella gestione di un paziente.

Medicina dell’evidenza

Gestione e comunicazione di dati ed informazione

Usare in modo efficiente ed efficace le soluzioni tecnologicheApplicabilità ed usabilità

L’uso delle soluzioni di IT

rende più efficacie la

prescrizione medica (BMJ, 2000; 320:788-

Il fine e i mezzi ...

• Il fine è l’innovazione e l’ottimizzazione del processo di cura dei pazienti

• Gli strumenti sono:– Sistemi basati su Information and Communication

technology– Sistemi di classificazione e codifica– Sistemi formali per definire linee guida– Sistemi di analisi dati e supporto alle decisioni– ...

Informatica medica• Matematica statistica• Teoria dei sistemi• Informatica (tecniche di programmazione)• Metodi computazionali• Elaborazione delle immagini e dei segnali biomedici• Fisica dei processi di produzione delle immagini• Gestione dei dati clinici• Biomeccanica• Modellistica ……….. Biochimica………• Chirurgia assistita da computer• Diagnosi semiautomatica o automatica• ……………..

Informatica medica• Medicina (EBM Evidence Based Medicine)

– Studio dei sistemi biologici ed applicabilità• Troppo spesso l’applicazione di trattamenti non è

giustificata dall’evidenza scientifica

– Prevenzione dello stato di malattia– Cura della malattia

• Il paziente soggetto e non oggetto della curaqualità dei trattamenti

– Riabilitazione dopo evento traumatico– Gestione e Organizzazione del S.S.N.

Informatica medica• Informatica

– Tecniche di acquisizione ed elaborazione dati– Gestione di data base – Modellizzazione– Ruolo

• Garantire un rapporto costo/beneficio basso EBM• Favorire l’integrazione e lo scambio di dati tra gli

specialisti che seguono il paziente• Permettere una più rapida verifica dell’applicabilità

delle tecnologie

Diagnosi e terapia

Paziente Specialista

Terapia Decisione

OsservazioniDati

AnalisiEstrazione Informazioni

Diagnosi

Somministrazione

Informatica medicaFine è quindi :

L’ottimizzazione del processo di diagnosi e scelta del più efficace ed efficiente trattamento terapeutico

Mezzi sono gli strumenti che ci permettono di realizzare :Sistemi per la classificazione e codificaSistemi di comunicazioni ed information retrieval Sistemi per la definizione di linee guida e protocolliSistemi per l’analisi dei datiSistemi di supporto alle decisioni

Informatica medicaConcetti coinvolti nel raggiungimento del fine

InformazioneDati – Contesto – Conoscenza - Interpretazione

ModelliAstraggono porzioni della realtà e ne danno delle assunzioni Sistemi interattivi ed informativiCommistione tra informazione e modelli

Modelli

Un modello è una rappresentazione della realtà !

Ci permettono di comprendere la nostra interazione con il mondo fisico che ci circonda.

Tanti tipi di modelli: in scala, in materiale particolare,in settori specifici (Aeronautica, architettura e costruzioni,……)

Il modello come visione della realtà da realizzare

Il modello come sistema predittivo del comportamento reale

Il modello dei sistemi biologici come suppletivo per lo studio

Modelli

Mondoreale

Modello delmondo

Astrazione

1. Il modello è sempre più semplice del mondo reale

2. Il modello è una distorsione del mondo reale

3. Molti modelli con finalità diverse

I modelli servono anche per costruire artefatti

Mondo reale

Modello del mondo

Artefatto

Modello dell’artefatto

Assunti delprogetto

Interazione

I modelli servono anche per costruire artefatti

Corpo Umano

Sistema cardio-vascolare

Cuore artificiale

Progetto deldispositivo

Assunti delprogetto

Interazione

Dati, informazione, conoscenza

• I dati consistono di fatti• I dati diventano informazione

se interpretati in un contesto utilizzando la conoscenza sul contesto stesso

• La conoscenza è un insieme di modelli costruiti per comprendere il mondo

Informazione

Conoscenza

Dati, informazione, conoscenza

Medico

Paziente Interpretazione Deduzione

conoscenza

Corpo della Conoscenza

Informazione

Conoscenza

• Conoscenza: insieme di modelli che descrivono la nostra comprensione del mondo

• Modelli costituiti da simboli• Un modello simbolico viene creato utilizzando

un linguaggio che definisce il significato dei diversi simboli e le loro possibili relazioni

I modelli• Rappresentazioni semplificate e

convenzionali della realtà• Modelli simbolici:

– linguaggio simbolico– insieme di relazioni

152227.494325

Paziente n.pHpaCO2

Dati Linguaggio

Se pH>7 allora elevato

Emogasanalisi pz.15222:pH elevato

Modello Informazione

La conoscenza acquisita attraverso la costruzione di modelli

Mondo reale

Modello Simbolico

Informazione

Modello Simbolico

Linguaggio

Azione

Sistema reale, modello, calcolatore

SISTEMAREALE

SISTEMAREALE CALCOLATORECALCOLATORE

MODELLOMATEMATICO

MODELLISTICA

Scienze biologiche

e fisiche di base

Teoria dei sistemi

MODELLISTICA

Scienze biologiche

e fisiche di base

Teoria dei sistemi

SIMULAZIONE

Analisi numerica

Metodologie di

programmazione

SIMULAZIONE

Analisi numerica

Metodologie di

programmazione

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

% del modello uomo/computer

Interpretazione totale del computer

Interpretazione umana

Visualizzazione ottimizzata dei

Essere umano e computer

Uomo Computer

Database

Sistemi esperti

Informatica medica

• Informatica– Acquisizione ed elaborazione dati

• Acquisizione (trasduttori – campionatori)• Telerilevamento di dati biomedici• Filtraggio digitale• Elaborazione delle immagini e dei segnali biomedici• Presentazione dei dati• Trasmissione delle informazioni sensibili (standard)• Utilizzo di software come Excel – SPSS – STAT MatLab -

C++ - Visual Basic

Informatica medica

• Informatica– Gestione di data base

• Organizzazione delle informazioni - definizione delle chiavi di ricerca

• Utilizzazione di software come Access – Oracle linguaggio SQL (Sort Query Language)

• Elaborazione statistica dei dati sanitari per la valutazione di efficacia ed efficienza delle terapie

– Metodi computazionali e Modellizzazione• Risoluzione con metodi numerici (Monte Carlo / Metodi

spettrali / Stime di Bayes / Algoritmi di Markov• Realizzazione di modelli matematici per …..

Informatica medica

• Medicina– Studio dei sistemi biologici

• Fisiologia - Fisiopatologia

– Prevenzione dello stato di malattia• Epidemiologia - Statistica

– Cura della malattia• Gestione delle terapie – Dispositivi medici terapeutici

– Riabilitazione• Apparati di supporto alla riabilitazione (stimolatori,

stimolazione propriocettiva, sistemi per isocinetica)

Elaborazione

PROBLEMATICA

ANALISI DEI DATI

RISULTATI RICHIESTI

DI INGRESSO E DEIDEFINIZIONE DEGLI

ALGORITMIDI ELABORAZIONE

REALIZZAZIONE DELLA

PROCEDURA

AUTOMATIZZATA

ELABORAZIONEMANUALE

e/oELETTRONICA

DATI DI

INGRESSO

RISULTATIINFORMAZIONI

RICHIESTE

Elaborazione dieta

La prescrizione dietetica

Indice

• L’indice di massa corporea: BMI• Calcolo del BMI

– Creazione di un modulo per il calcolo– Confronto con valori di riferimento

• Calcolo del peso ottimale• Riepilogo

Body Mass Index (BMI)

• IL BMI è considerato l’indice più affidabile per diagnosticare l’obesità– si è tuttavia osservato che, anche in presenza

di BMI normale, ma in presenza di obesità centrale (viscerale) il rischio per patologie quali diabete, ipertensione, infarto è molto elevato

• Si ottiene dividendo il peso corporeo (espresso in kg) per il quadrato dell’altezza (espressa in metri)

Il calcolo del BMI

• Vogliamo usare uno strumento informatico per facilitare il calcolo del BMI

• Trattandosi di calcoli su pochi dati (peso e altezza), useremo un foglio elettronico

• Nel nostro caso: Excel

Calcolo del BMI• Possiamo scomporre il problema in:

1. Calcolo del BMI, secondo la formula

2. Confronto del valore ricavato con i valori di riferimento:

2altezza

pesoBMI 2altezza

pesoBMI

Valori di riferimento del BMIValori di riferimento del BMI

SottopesoSottopeso <18.5<18.5

NormopesoNormopeso da 18.5 a 24.9da 18.5 a 24.9

SovrappesoSovrappeso da 25.0 a 29.9da 25.0 a 29.9

Obesità di classe IObesità di classe I da 30.0 a 34.9da 30.0 a 34.9

Obesità di classe IIObesità di classe II da 35.0 a 39.9da 35.0 a 39.9

Obesità di classe IIIObesità di classe III >40.0>40.0

Disposizione del foglio

• Individuiamo due celle di ingresso, per Peso e Altezza, e una cella con il risultato BMI

• Corrediamo ogni cella di una etichetta esplicativa e di una unità di misura

• In E7: =D4/(D5/100*D5/100)

Carenze della soluzione

• Non è ovvio quando si guarda il foglio quali celle contengano valori di ingresso e quali di uscita– L’aspetto esteriore è identico, la formula non è

visibile• Non è chiaro se le celle visibili siano le

uniche presenti nel foglio– Forse ci sono altri dati da compilare nella zona

non visibile del foglio?• L’usabilità del foglio non è soddisfacente…

Miglioramenti dell’usabilità

Un titolo identifica la funzione del modulo

Miglioramenti dell’usabilitàIl colore di fondo distingue le celle di ingresso e quelle di uscita dalle altre

Una campitura e un bordo più spesso delimitano l’area di interesse del foglio

Un formato cella con solo un decimale semplifica la lettura del risultato

Continua…

Elaborazione delle immaginiFiltraggio delle immagini

iival FPP

Filtraggio immagini

Filtraggio enhance

Filtraggio erode

Filtraggio sharpen

In generale, come lavora una TAC?

Ricostruzione e postprocessingRicostruzione e postprocessing

Acquisizione datiAcquisizione dati

Generazione raggi XGenerazione raggi X

Principio base della misura

I=I0 ·exp(- ds)

“integrale di linea”

ds = - ln(I/ I0)

Coefficiente di attenuazione, valore CT

Dati grezzi

Sequenza dei profili di

attenuazione

tempo(proiezioni)

profilo di attenuazione(canali)

1. proiezione

tempo(proiezioni)

2. proiezione

Dati grezzi

attenuazione

tempo(proiezioni)

Rotazione completa

dati grezzi CT

Dati grezzi

attenuazione

Ricostruzione immagini

Dati grezzi Immagine TAC

Basi matematiche:Radon (1917)

In pratica:a) Metodo di Fourier

b) Retroproiezione filtrata

Retroproiezione non filtrataoggetto

12348163264128

Buona ricostruzione, ma non molto accurata...

Oggetto ricostruito

con proiezioni

Soluzione: impiego di filtri

profilo di

attenuazione di un

cilindro

profilo di

attenuazione filtrato

Filtro:

nuclei di convoluzione

Retroproiezione filtrataoggetto

Questa ricostruzionesembra migliore ...

Oggetto ricostruito

con proiezioni12348163264128

PET + CT

NMR & PET Images of EpilepsyNMR & PET Images of Epilepsy

• NMR “Sees” Structure with 0.5 mm Resolution

• PET “Sees” Metabolism with 5.0 mm Resolution

NMR PET

Schema calcolo dosimetrico in terapia radiometabolica

• calcolo masse, volumi organi e tessuti di interesse

• localizzazione geometrica della distribuzione di attività

jisjisrr

rrkcpsFCrD 2,,,,

Calcolo spazio – temporale della biodistribuzione dell’attività

1. Identificare e segmentare tessuti / organi

2. Assegnare le proprietà fisiche (composizione; sezione d’urto)

3. Input del codice Monte Carlo(EGS; Geant4; MCNP/X … )

Distribuzione dosimetrica ottenuta utilizzando i DVK calcolati con

EGSnrc

• Visualizzazione della distribuzione di dose,•Applicazione modelli radiobiologici

Modelli matematici

• La sopravvivenza cellulare S di una popolazione cellulare è ben rappresentata dal modello Lineare Quadratico

Come agiscono le radiazioni?Come agiscono le radiazioni?

Come agiscono le radiazioni?

una parte delle cellule sane situate nelle vicinanze della neoplasia o attraversate dal fascio di radiazioni, viene inevitabilmente colpita, dando così origine ad "effetti collaterali" o "complicazioni"

Altri distretti corporei

Realizzazione delPIANO DI TRATTAMENTO

Paziente CT per simulazione virtuale e localizzare la zona neoplastica

1,25 mm

asse Z

LINAC Simulatore

Nuova simulazione in base al piano di trattamento

Immagine portale

MV imageAP

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