Informatica
Medica
Dr. Armando Abate
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La Medicina non è una scienza esatta
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
… Mi riferisco a quei casi in cui il medico, per
mesi e ogni volta confessano gli omicidi che hanno commesso dall’ultima
unaMi
diagnosi
sbagliata,
per un trattamento,
riunione.
riferisco,
naturalmente,
ad omicidi medici, omicidi
“professionali”.
Talvoltao preferirei
sentire di un omicidio commesso per
un’operazione
una procedura
passione piuttosto che per stupidità... Comunque, Dr. Warner, se lei ha da
dimostrabilmente
provocato
la
poco ucciso
una moglie osbagliati,
fatto fuorihauno
zio, e vuole
togliersi qualche
morte
un paziente
senzaVa
l’attenzione
di riferiremo nulla
senso di
colpa,disiamo
qui per che,
ascoltarla.
da sè che non
nè alla quel
polizia
nè all’ordine
deicontinuato
medici …ailvivere
nostro…scopo è unicamente
medico,
avrebbe
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…”
Nome Cognome Ente
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”
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”
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’aumento delle risorse non
ha aumentato l’efficacia dei
trattamenti
L’85% dei trattamenti non
sono giustificati sulla base
delle evidenze scientifiche
Il trasferimento nella pratica
dei risultati della ricerca
biomedica 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
Medicina
dell’evidenza
servizi sanitari aumentandone la
qualità.
Favorire la collaborazione tra i
Gestione
comunicazione
membri
di uneteam
di specialisti
di dati ed informazione
coinvolti nella gestione di un
paziente.
Usare
in modo
efficiente ed
Applicabilità
ed usabilità
efficace le soluzioni tecnologiche
L’uso delle
soluzioni di IT
rende più
efficacie la
prescrizione
medica (BMJ,
2000; 320:788791)
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
……………..
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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 cura
qualità dei trattamenti
– Riabilitazione dopo evento traumatico
– Gestione e Organizzazione del S.S.N.
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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
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Diagnosi e terapia
Paziente
Osservazioni
Dati
Specialista
Analisi
Estrazione
Informazioni
Somministrazione
Terapia
Decisione
Diagnosi
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Informatica medica
Fine 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 codifica
Sistemi di comunicazioni ed information retrieval
Sistemi per la definizione di linee guida e protocolli
Sistemi per l’analisi dei dati
Sistemi di supporto alle decisioni
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Informatica medica
Concetti coinvolti nel raggiungimento del fine
Informazione
Dati – Contesto – Conoscenza - Interpretazione
Modelli
Astraggono porzioni della realtà e ne danno delle
assunzioni
Sistemi interattivi ed informativi
Commistione tra informazione e modelli
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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
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Modelli
Mondo
reale
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
Modello del
mondo
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I modelli servono anche per
costruire artefatti
Interazione
Mondo reale
Modello
del mondo
Artefatto
Assunti del
progetto
Modello
dell’artefatto
I modelli servono anche per
costruire artefatti
Interazione
Corpo Umano
Sistema cardiovascolare
Assunti del
progetto
Cuore
artificiale
Progetto del
dispositivo
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
Conoscenza
Informazione
Dati
Dati, informazione, conoscenza
Informazione
Medico
conoscenza
Paziente
Interpretazione
Deduzione
Corpo della
Conoscenza
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
Dati
15222
7.49
43
25
+
Se pH>7 allora elevato
Paziente n.
pH
paCO2
HCO3
Modello
Linguaggio
Emogasanalisi pz.15222:
pH elevato
Informazione
La conoscenza acquisita attraverso
la costruzione di modelli
Mondo reale
Modello
Simbolico
Informazione
Linguaggio
Modello
Simbolico
Applicazione della conoscenza
Acquisizione della conoscenza
Azione
Sistema reale, modello, calcolatore
SISTEMA
REALE
MODELLISTICA
Scienze biologiche
e fisiche di base
Teoria dei sistemi
CALCOLATORE
MODELLO
MATEMATICO
SIMULAZIONE
Analisi numerica
Metodologie di
programmazione
Slide 32
Essere umano e computer
Visualizzazione
ottimizzata dei
dati
Interpretazione
umana
Interpretazione totale
del computer
100
100
Computer
% del modello
Uomo
50
50
Databas
e
0
0
10
20
30
40
Sistemi esperti
50
60
70
80
% del modello uomo/computer
90
0
100
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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
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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 …..
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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)
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Elaborazione
PROBLEMATICA
ANALISI DEI DATI
DI INGRESSO E DEI
RISULTATI RICHIESTI
DEFINIZIONE DEGLI
ALGORITMI
DI ELABORAZIONE
REALIZZAZIONE DELLA
PROCEDURA
AUTOMATIZZATA
DATI
DI
INGRESSO
ELABORAZIONE
MANUALE
e/o
ELETTRONICA
RISULTATI
INFORMAZIONI
RICHIESTE
Elaborazione dieta
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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
peso
BMI
altezza 2
2. Confronto del valore ricavato con i valori di
riferimento:
Valori di riferimento del BMI
Sottopeso
<18.5
Normopeso
da 18.5 a 24.9
Sovrappeso
da 25.0 a 29.9
Obesità di classe I
da 30.0 a 34.9
Obesità di classe II
da 35.0 a 39.9
Obesità di classe III
>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’usabilità
Il colore di fondo
distingue le celle di
ingresso e quelle di uscita
dalle altre
Miglioramenti dell’usabilità
Una campitura e un
bordo più spesso
delimitano l’area di
interesse del foglio
Miglioramenti dell’usabilità
Un formato cella con
solo un decimale
semplifica la lettura del
risultato
Continua…
Elaborazione delle immagini
Filtraggio delle immagini
25
Pval Pi * Fi
i 1
Slide 51
Filtraggio immagini
Slide 52
Filtraggio enhance
Slide 53
Filtraggio erode
Slide 54
Filtraggio sharpen
Slide 55
In generale, come lavora una TAC?
Generazione raggi X
Acquisizione dati
Ricostruzione e postprocessing
Principio base della misura
I0
m
I
I=I0 ·exp(- m ds)
“integrale di linea”
m ds = - ln(I/ I0)
Coefficiente di attenuazione, valore CT
Dati grezzi
Sequenza dei profili di
attenuazione
1. proiezione
tempo
(proiezioni)
profilo di attenuazione
(canali)
Dati grezzi
Sequenza dei profili di
attenuazione
2. proiezione
tempo
(proiezioni)
profilo di attenuazione
(canali)
Dati grezzi
Sequenza dei profili di
attenuazione
Rotazione completa
dati grezzi CT
tempo
(proiezioni)
profilo di attenuazione
(canali)
Ricostruzione immagini
Basi matematiche:
Radon (1917)
In pratica:
a) Metodo di Fourier
o
Dati grezzi
b) Retroproiezione
filtrata
Immagine TAC
Retroproiezione non filtrata
oggetto
Buona ricostruzione,
ma non molto accurata...
Oggetto ricostruito
con 128
64
32
16
8
4
3
2
1 proiezioni
Soluzione: impiego di filtri
Filtro:
nuclei di convoluzione
profilo di
attenuazione di un
cilindro
profilo di
attenuazione filtrato
Retroproiezione filtrata
oggetto
Questa ricostruzione
sembra migliore ...
Oggetto ricostruito
con 128
64
32
16
8
4
3
2
1 proiezioni
PET
CT
PET + CT
NMR & PET Images of Epilepsy
NMR
PET
• NMR “Sees” Structure with 0.5 mm Resolution
• PET “Sees” Metabolism with 5.0 mm Resolution
Schema calcolo dosimetrico in terapia
radiometabolica
• calcolo masse, volumi
organi e tessuti di
interesse
• localizzazione
geometrica della
distribuzione di attività
1. Identificare e
segmentare
tessuti / organi
D r FC s ,i , j cpss ,i , j
j
k r rj
w eq
2
r rj
Calcolo spazio –
temporale della
biodistribuzione
dell’attività
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
Come agiscono le radiazioni?
Modelli matematici
0
2
4
1
D
S EXP D
N
0,1
sopravvivenza
• La sopravvivenza
cellulare S di una
popolazione cellulare è
ben rappresentata dal
modello Lineare
Quadratico
0,01
dose singola
frazionamento
0,001
dose (Gy)
6
8
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
asse Z
1,25 mm
1,25 mm
1,25 mm
Paziente
CT per simulazione virtuale
e localizzare la zona neoplastica
MV image
AP
Immagine portale
LINAC
Simulatore
Nuova simulazione
in base al
piano di trattamento
Realizzazione del
PIANO DI
TRATTAMENTO
