Informatica Medica Dr. Armando Abate

dei quindici assassini La Medicina non è una scienza esatta Il miracolo dei quindici assassini 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 … 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 … Nome Cognome Ente

Ma qual è il miracolo? Il miracolo dei quindici assassini 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 Tutti mentono !

analisi costo-beneficio, costo-efficacia, … … 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 servizi sanitari aumentandone la qualità. Medicina dell’evidenza Favorire la collaborazione tra i membri di un team di specialisti coinvolti nella gestione di un paziente. Gestione e comunicazione di dati ed informazione Usare in modo efficiente ed efficace le soluzioni tecnologiche Applicabilità ed usabilità

L’uso delle soluzioni di IT rende più efficacie la prescrizione medica (BMJ, 2000; 320:788-791)

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 cura qualità 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 Osservazioni Dati Analisi Estrazione Paziente Specialista Osservazioni Dati Analisi Estrazione Informazioni Somministrazione Terapia Decisione Diagnosi

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

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

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 Mondo reale Modello del mondo Astrazione Il modello è sempre più semplice del mondo reale Il modello è una distorsione del mondo reale Molti modelli con finalità diverse

I modelli servono anche per costruire artefatti Interazione Mondo reale Artefatto Assunti del progetto Modello dell’artefatto Modello del mondo

I modelli servono anche per costruire artefatti Interazione Cuore artificiale Corpo Umano Assunti del progetto Progetto del dispositivo Sistema cardio- vascolare

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 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 15222 7.49 43 25 Paziente n. pH paCO2 HCO3 Dati Linguaggio + Emogasanalisi pz.15222: pH elevato Se pH>7 allora elevato Modello Informazione

La conoscenza acquisita attraverso la costruzione di modelli Azione Mondo reale Informazione Acquisizione della conoscenza Applicazione della conoscenza Linguaggio Modello Simbolico Modello Simbolico

Sistema reale, modello, calcolatore MODELLISTICA Scienze biologiche e fisiche di base Teoria dei sistemi SIMULAZIONE Analisi numerica Metodologie di programmazione MODELLO MATEMATICO Ø Ø Ø Ø

Essere umano e computer Visualizzazione ottimizzata dei dati Interpretazione umana Interpretazione totale del computer Uomo Computer % del modello Database Sistemi esperti % del modello uomo/computer

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

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

Valori di riferimento del BMI Calcolo del BMI Possiamo scomporre il problema in: Calcolo del BMI, secondo la formula 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

Filtraggio immagini

Filtraggio enhance

Filtraggio erode

Filtraggio sharpen

In generale, come lavora una TAC? Acquisizione dati Generazione raggi X Ricostruzione e postprocessing

Principio base della misura I=I0 ·exp(- ò m ds) “integrale di linea” ò m ds = - ln(I/ I0) Coefficiente di attenuazione, valore CT

profilo di attenuazione Dati grezzi Sequenza dei profili di attenuazione 1. proiezione tempo (proiezioni) profilo di attenuazione (canali)

profilo di attenuazione Dati grezzi Sequenza dei profili di attenuazione 2. proiezione tempo (proiezioni) profilo di attenuazione (canali)

profilo di attenuazione 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 b) Retroproiezione filtrata Dati grezzi Immagine TAC

Retroproiezione non filtrata oggetto Buona ricostruzione, ma non molto accurata... Oggetto ricostruito con proiezioni 64 128 32 8 1 2 3 4 16

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 proiezioni 32 16 64 128 3 1 2 4 8

PET CT PET + CT

NMR & PET Images of Epilepsy • 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 2. Assegnare le proprietà fisiche (composizione; sezione d’urto) 3. Input del codice Monte Carlo (EGS; Geant4; MCNP/X … ) Il calcolo dosimetrico messo a punto, basato sul fantoccio voxel, può essere schematizzato nelle seguenti fasi: - Fusione per individuazione dei volumi bersaglio e degli organi a rischio, utilizzando serie di immagini TAC fuse immagini SPECT, - calcolo della distribuzione tridimensionale della dose utilizzando il metodo del DPK, - visualizzazione delle superfici di isodose e/o delle curve di isodose. NOTA: la conversione della matrice tridimensionale dei cps in matrice tridimensionale di concentrazione dell’attività si ottiene utilizzando fattori di normalizzazione sperimentali, specifici del caso in esame. Calcolo spazio – temporale della biodistribuzione dell’attività

Distribuzione dosimetrica ottenuta utilizzando i DVK calcolati con EGSnrc Visualizzazione della distribuzione di dose, Applicazione modelli radiobiologici immagine di iperfissazione focale a livello del parenchima epatico in sede anteriore (IV segmento) di intensità lievemente ridotta rispetto al precedente studio di luglio 2004

Come agiscono le radiazioni? Modelli matematici La sopravvivenza cellulare S di una popolazione cellulare è ben rappresentata dal modello Lineare Quadratico

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

Trattamento CT per simulazione virtuale Paziente 1,25 mm asse Z 1,25 mm 1,25 mm CT per simulazione virtuale e localizzare la zona neoplastica Paziente MV image AP Immagine portale LINAC Simulatore Realizzazione del PIANO DI TRATTAMENTO Nuova simulazione in base al piano di trattamento Trattamento

Grazie per l'Attenzione