Sistemi di comunicazione in sanità Comunicazione, protocolli e telemedicina

Comunicazione La necessità di comunicare informazioni è centrale per un buon funzionamento del sistema sanitario nel suo complesso la cura dei pazienti interessa più specialisti a fianco degli operatori sanitari vi sono i gestori dell’informazione amministrativa i pazienti si spostano più facilmente L’errata comunicazione fra i diversi attori può portare a diversi errori (Coiera 99) Un uso corretto delle tecnologie dell’informazione e delle comunicazioni può portare a vantaggi decisivi

Canali e sincronia Lo scambio di informazioni avviene attraverso un canale di comunicazione (lettera, linea telefonica) Un servizio di comunicazione definisce il tipo di interazione che si verifica in un canale (fonia, fax) Stesso tempo (sincronia) Tempo diverso (asincronia) Stesso luogo faccia a faccia messaggi locali Luogo diverso conversazione a messaggio a distanza distanza

Servizi di (tele)comunicazione Possono essere classificati a seconda dei media che supportano e sulla base della sincronia Sincrono Telefonia Videoconferenza Lavagne elettroniche Asincrono Posta vocale Note, immagini Posta elettroniche elettronica Suono Immagine Dati

Canali fisici Doppino telefonico Cavi coassiali Cavi a fibre ottiche Onde radio lunghezza di linea banda di frequenze di trasmissione utile In questi canali trasmissione analogica o digitale analogica digitale

Fondamenti: Segnale e frequenza Un segnale può essere “visto” nel dominio delle frequenze V A A t f f0 V(t)=A sin(2 p f0 t) Spettro in frequenza

Serie di Fourier Una funzione periodica v(t) di periodo T0 può essere rappresentata come una sommatoria infinita di funzioni sinusoidali I coefficienti Ci sono detti ampiezze spettrali f0=1/T0 è detta frequenza fondamentale … C0 C1 C2 C3 Cn f0 2f0 3f0 nf0 Spettro delle ampiezze “one-sided”

Forma esponenziale delle serie di Fourier Spettro delle ampiezze “two-sided” … V0 V1 V2 V3 Vk f0 2f0 3f0 kf0 V1 Vk V3 V2 … f -kf0 -3f0 -2f0 -f0

Segnali non periodici: trasformata di Fourier Anche per i segnali non periodici è possibile trovare una rappresentazione nel dominio delle frequenze: |V(f)| v(t) f t

Spettro e Banda Spettro delle ampiezze |V(f)| f -fM fM [0,fM] è la banda del segnale

Conversione analogico/digitale Teorema di Shannon: Sia v(t) un segnale a banda limitata tale che la sua più alta componente spettrale sia fM. Si valuti il segnale periodicamente ad intervalli separati da un tempo Tc (tempo di campionamento). Se Tc  1/2fM (2fM  fC) allora il segnale v(t) può essere ricostruito senza distorsione da v(k Tc), con k intero

Si dimostra che … v(t) Segnale campionato t moltiplicatore c(t) t t kTc Spettro segnale campionato Spettro originale f f fM fM 2fM 3fM

Quantizzazione Il segnale può anche essere “discretizzato” in ampiezza e quindi convertito facilmente in una rappresentazione digitale (in bit) parola VH 11 VL 10 VL 01 VL 00 VL t

Combinazione di campionamento + discretizzazione: trasmissione del segnale in Pulse Code Modulation (PCM) Campionatore Quantizzatore Quantizzatore decodifica Codifica Filtro Canale di comunicazione v’(t) v(t) La tecnica prevede anche la possibilità di trasmettere più segnali sullo stesso canale con un tecnica di divisione temporale dell’uso del canale

Rappresentazione elettrica dei bit inviati su un canale Tempo per la parola Tempo per l’impulso Tempo per l’impulso t 1 0 1 1 1 1 +V -V t

Il modem Il servizio telefonico trasmette un segnale analogico. Quando devono essere inviati dati la cui natura è digitale è necessario effettuare un’operazione di modulazione/demodulazione del segnale per effettuare la trasformazione da bit a segnale analogico.

Una tecnica: BPSK Binary phase-shift keying Trasmissione (modulazione): noto che Acos(wt+p)=-Acos(wt), viene inviato un segnale v(t)=b(t)Acos(wt), con b(t)=1 o –1 Ricezione (demodulazione): Si effettua l’integrale della forma d’onda ricevuta sul tempo per l’impulso dopo averla elevata al quadrato

Comunicazione su linea telefonica Rete telefonica Centrale telefonica Casa Ultimo miglio La centrale collega la casa con la rete telefonica nota come PSTN Public Switched Telephone Network (Rete pubblica Telefonica Commutata)

Comunicazione analogica su linea commutata Il segnale vocale trasmesso in modo analogico viene riprodotto dalla circuiteria audio a casa del ricevente Si dice che il segnale viene trasmesso in “banda-base”, ovvero con le stesse caratteristiche in frequenza del segnale originale Frequenza del segnale audio: 300-3400 Hz Trasmissione a commutazione di circuito: canale fisico permanente di comunicazione

Come funziona il telefono di casa?

Servizi di comunicazione Telefonia: doppino telefonico (ultimo miglio) trasmissione analogica (ultimo miglio) trasmissione in digitale (lunga distanza) A A D casa centrale centrale casa Banda di trasmissione del tratto analogico: 4 kHz

Telefonia e dati I dati contenuti nel calcolatore sono in formato digitale PC modem D centrale A Voce Voce La banda massima di trasmissione con rete telefonica è 64 Kbit/s: Parola (quantizzazione): 8 bit fM:4 kHz e quindi la frequenza di campionamento fs: 8 KHz 8 bit X 8 KHz = 64 Kbit/sec

ISDN e (A)DSL ISDN: Rete digitale integrata nei servizi PC centrale 2 canali da 64 Kbit/s dal PC alla Voce D DSL (Digital subscriber Loop): Solo l’ultimo miglio è condiviso con la rete telefonica (banda fino a 8 Mbit/s) PC modem centrale A D voce Voce D dati

Servizi su canale commutato La telefonia prevede la commutazione di circuito (un canale associato ad una comunicazione) Servizi con connessione punto a punto Servizi sincroni (videoconferenza, lavagne elettroniche e condivisione di documenti) Servizi asincroni (tele-assistenza mediante interfaccia computer-telefono e risponditori vocali) PC Rete telefonica PC

Esempi: videoconferenza Mede-Vigevano Ospedale di Vigevano Reparto dialisi Ospedale di Mede CAL 2 linee ISDN (2 X 128 Kb/s)

Un sistema per il monitoraggio dei pazienti ipertesi (Friedman R, Am. J. Hypertens., 1996) Input dati da tastiera e messaggi medico Risponditore vocale e messaggi pre-registrati paziente Calcolatore con scheda Informazione formalizzata:tastiera Informazione non formalizzata: messaggi vocali

Comunicazione dati Per migliorare l’efficienza di comunicazione: commutazione di pacchetto Il modo con cui si costruiscono i pacchetti viene definito dai protocolli di rete mittente dati destinatario mittente dati destinatario Potrei utilizzare più strade per mandare il medesimo messaggio B C A

LAN: Local Area Network Reti locali: connettono calcolatori situati nello stesso edificio o in edifici diversi e situati nell’arco di pochi KM. Le caratteristiche salienti di una LAN sono il tipo di cavo utilizzato, la tipologia, l’utilizzo del mezzo di trasmissione e la tecnica di trasmissione. Per ulteriori informazioni è possibile consultare il sito: http://www.docenti.org/reti/reti_loc

Topologia La tipologia di una rete locale dipende dalle necessità dall'ambiente in cui viene realizzata e si differenzia in base al collegamento fisico tra i vari dispositivi: rete a stella   rete ad anello   rete a bus

Rete con topologia a bus Con queste tipologie di solito si utilizza un controllo casuale di trasmissione: Un calcolatore invia un pacchetto in rete che viene ricevuto da tutti gli altri Un calcolatore elabora il contenuto ricevuto solo nel caso in cui questo contenga il suo indirizzo; diversamente lo ignora. Rete Ethernet: metodo di accesso CSMA/CD, Accesso multiplo con rilevamento di portante con rilevazione della collisione. CSMA/CD prevede che una stazione che deve trasmettere unpacchetto si accerti che sul mezzo di trasmissione non ne stia viaggiando già un altro. Se si genera una collisione viene rinviato il pacchetto. Terminatore/ hub

Pacchetti in altri pacchetti … Livelli ISO/OSI (Open System Interconnection) 7 Applicazione Application HTTP, FTP TCP IP ATM Ethernet 6 Presentazione Transport 5 Sessione 4 Trasporto Nel mondo Internet … Internetwork 3 Rete Data link Collegamento dati 2 1 Fisico

Il meccanismo di incapsulamento dati App dati Applicazione. Cosa devo fare sui dati. TCP App dati Trasporto. Ricostruzione messaggio IP TCP App dati Indirizzamento. Ricevente ETH IP TCP App dati ETH Unità del messaggio Internet: sistema mondiale di indirizzamento indipendente dalla rete fisica (basato sulla coppia TCP/IP)

Instradamento di un messaggio su Internet (IP) Invio Ricezione Applicazione Applicazione Router A Router B TCP TCP IP IP IP IP Interfaccia di rete Interfaccia di rete Interfaccia di rete Interfaccia di rete Rete 2 Rete 3 Rete 1

Il problema dell’indirizzamento su reti IP Le reti TCP/IP utilizzano un indirizzo a 32 bit (4 byte) Ogni macchina in Internet ha un indirizzo diviso in due parti: Host-ID: identifica il calcolatore Network-ID: identifica la rete Indirizzo IP = Net-id + Host-id Un indirizzo IP identifica l’host in relazione alla sua rete di appartenenza

Classi di indirizzi IP 5 classi di indirizzi Classe A: Reti con molti hosts (0.0.0.0 – 127.255.225.255): 7 bit per la rete, 24 per gli hosts Classe B: Reti con dimensioni intermedie (128.0.0.0 – 191.255.255.255) Classe C: Reti con meno di 256 hosts. 21 bit all’ID di rete (192.0.0.0 – 223.255.255.255) Classe D e C sono riservate Subnetting: consente la suddivisione della rete in sottoreti di dimensioni minori

DNS (Domain Name Server) DNS: associa i nomi agli indirizzi Internet Il sistema si basa su una struttura ad albero La radice è il massimo livello L’albero è costituito da rami che collegano i nodi Le etichette dei nodi dello stesso livello nell’albero devono essere univoche Ogni dominio ha un nome univoco (e.g. aim.unipv.it) it unipv unibo aim

Strato di trasporto: Transmission control protocol (TCP) Servizio di trasporto: Affidabilità: Integrità Rispetto della sequenza Assenza di duplicati Orientato alla connessione Header TCP: Porta sorgente, porta destinazione Informazioni per la gestione della connessione Informazioni per il controllo ed il recupero degli errori

Rete telefonica, LAN, WAN ed Internet Ospedale LAN (Intranet) PC PC WAN Firewall PC Gateway Router Router PC Rete telefonica Computer (provider)

Applicazioni su Internet World Wide Web: infrastruttura globale per la distribuzione di documenti strutturati I documenti sono indirizzati mediante uno schema noto come URL (Uniform Resource Location) protocol://server:port/path Il protocollo (a livello applicazione) solitamente utilizzato è HTTP (Hypertext transfer protocol) I documenti vengono strutturati mediante il linguaggio HTML (Hypertext markup language)

Il modello client-server su Web Richiesta (HTTP) Risposta (HTML) Server (HTTP) Client (Web browser) Data base Generalizzazione (e globalizzazione) del modello client/server Uniformità di protocollo a livello di applicazione (HTTP) Uniformità di protocollo a livello di instradamento e trasmissione (TCP/IP)

Ambiente di sviluppo: RDBMS Oracle Strumenti software Ambiente di sviluppo: RDBMS Oracle Database: riferimento al RDB realizzato per il progetto M2DM con l’aggiunta di tabelle per la rappresentazione delle linee guida Procedure PL/SQL che interrogano il DATABASE relazionale generando pagine HTML “dinamiche” relativamente ai dati ottenuti dalle query SQL

Dal sistema informativo ospedaliero ai servizi per il consumatore Internet permette di definire servizi per utenti su una rete “globale” PC paziente Ospedale LAN (Intranet) PC PC Internet Service provider PC PC medico

Il progetto T-IDDM Hospital House Physician Patient Patient Telecommunication system House Therapeutic Protocol Patient Unit Medical Unit Patients’ Data Reflectometer Physician Patient

Oltre la Telemedicina Sino ad ora si è parlato di telemedicina come uso delle telecomunicazioni per fornire informazioni mediche e servizi ai pazienti (Allen, JAMA 1995) Il mondo delle comunicazioni permette oggi di parlare di servizi distribuiti per medici e pazienti in modo da consentire di effettuare certe tipologie di trattamento indipendentemente dalla distanza

Palmtop/ reflettometro Oltre Internet Mail Data Base Knowledge Base Data Analysis CTI server WEB server Telefono Palmtop/ reflettometro WAP server Cellulare PC Web/TV

L’ospedale virtuale “cybermedicine”, “virtual hospital”, “virtual doctors”: sistema telematico di diagnosi e prescrizione terapeutica completo in cui medico e paziente, distanti fra loro, hanno a disposizione varie possibilità di comunicazione ed interazione (verbale, visiva, uditiva) in completa assenza del contatto fisico: esperienza di ospedale virtuale a Seattle (Lancet, 1999) per la gestione telematica di problemi clinici minori dottori per e-mail (gratis e... con parcella!) necessità di fornitura “certificata” di servizi

Comunicazione fra ospedali Necessità di condividere competenze altamente specializzate fra diversi ospedali, talvolta a grande distanza Necessità di selezionare con metodi di triage le richieste di consulenze specialistiche interospedaliere Valutazione attenta dei bisogni territoriali di sanità per l’organizzazione e la distribuzione dei servizi (in particolare in aree disagiate o per servire comunità sparse) Teleradiologia Telepatologia Telecardiologia Teleconsulto in Sevizi d’Emergenza Consulenza a distanza

Comunicazione nell’ospedale Comunicazione all’interno dell’ospedale Pochi studi sui sistemi di comunicazione più adeguati alle dinamiche comunicative interne ad un ospedale Necessità di supportare la mobilità sistemi a cercapersone telefoni cellulari Necessità di utilizzare messaggi asincroni per ridurre l’elevato numero di interruzioni (chiamate telefoniche o da cercapersone, incontri casuali) che caratterizza il lavoro del medico con rischio di compromettere l’efficienza lavorativa. Sistemi di posta elettronica o vocale interna con numerosi punti di accesso nei vari reparti Telematica

Comunicazione e medicina di base Modello di terapia condivisa (medico di base/medico specialista/infermiere specializzato/altre figure sanitarie) Organizzazione decentralizzata dei servizi di comunità Esigenza fondamentale di processi comunicativi efficienti Non ancora chiara definizione e comprensione delle necessità comunicative intraorganizzative in questo settore Molta enfasi e documentazione sulla comunicazione interorganizzativa fra medicina di base e servizi specialistici

Comunicazione con i pazienti Assistenza domiciliare aspetto cruciale: i costi sempre più elevati della ospedalizzazione, necessità di degenze brevi ed eventualmente “protette” cambiamento epidemiologico con maggiore prevalenza di patologia cronica L’assistenza domiciliare impone dinamiche comunicative peculiari, con necessità del paziente di accedere frequentemente ad informazioni circa la propria terapia e di interagire con gli operatori sanitari in caso di problemi o dubbi terapeutici o riguardanti il proprio stato di salute. La teleassistenza richiede una diversa organizzazione della gestione dei pazienti

Assistenza a distanza via telefono La modalità più semplice e più sfruttata è stata la chiamata telefonica programmata: esperienza positiva di Leirer (1991) con pz. anziani per l’invio automatico di promemoria di farmaci da assumere esperienze varie con i pz. diabetici per l’invio periodico delle glicemie al centro di riferimento Esperienze più sofisticate hanno fatto uso di un telefono interattivo per la verifica delle condizioni mentali ed emotive dei pazienti. La linea telefonica è stata inoltre sfruttata per la trasmissione di segnali biomedici a distanza in caso di necessità di monitoraggio semiintensivo in pazienti precocemente dimessi dall’ospedale o allo scopo di prevenirne il ricovero: monitoraggio a distanza di PA, tracciato ECGgrafico, segnale di pace-maker monitoraggio pressorio e cardiotocografico a distanza nelle gravide a rischio ipertensivo

Sicurezza Requisiti di un sistema sicuro di scambio di documenti elettronici: Consenso: il mittente deve esprimere consenso sul contenuto Paternità: la paternità di un documento digitale deve essere garantita Integrità: il messaggio non deve essere contraffatto dagli altri utenti del canale, incluso il destinatario Autenticità: il destinatario possa verificare l’identità del mittente Segretezza: gli interlocutori siano in grado di scambiare documenti senza che nessuno all’infuori di loro due sia in grado di leggerli

Riferimenti legislativi e crittografia Rif. Leg. Legge Bassanini (art. 15 n°59 15/03/97) e sue norme attuative (firma elettronica) Il metodo trae la sua origine nella crittografia, la disciplina che studia l’utilizzo e la creazione dei crittosistemi chiave Messaggio di prova Algoritmo di crittografia XXX???X? ****§§§ Testo in chiaro Testo cifrato

Algoritmi A chiave privata (simmetrica, singola) Una sola chiave nota agli interlocutori Testo cifrato Testo in chiaro La chiave viene scambiata in modo riservato E’ necessaria una chiave diversa per ogni coppia di interlocutori Algoritmi “veloci” (e.g. IDEA)

Algoritmi Chiave pubblica (asimmetrica, doppia) Chiave pubblica Chiave privata Riferita ad un utente Testo in chiaro cifrato Solo l’utente può leggere il messaggio, chiunque può scrivergli Testo in chiaro cifrato Chiunque può leggere il messaggio, solo l’utente può averlo inviato Bisogna mantenere le chiavi pubbliche, Algoritmi “lenti” (e.g. RSA)

La firma digitale - precondizioni Deve soddisfare i requisiti di consenso, paternità, integrità, autenticità Realizzata con crittografia a doppia chiave Il soggetto chiede una coppia di chiavi ad un’autorità di certificazione (CA). La CA verifica i dati personali ed emette (pubblica) un certificato (firmato in modo digitale dalla CA) che contiene i dati del soggetto Il certificato viene distribuito a tutti gli interessati. La chiave pubblica viene generalmente installata nel browser, nel client di posta elettronica

La firma digitale Consenso e paternità Funzione di Hash Impronta (checksum) documento Chiave privata Documento + firma Firma digitale Integrità e autenticità trasmissione Funzione di Hash Impronta (checksum) documento =? Firma digitale Impronta (checksum) Chiave pubblica

Il protocollo HTTPS HTTPS: protocollo HTTP con Secure Socket Layer (SSL) Utilizzato per transazioni commerciali via Web Utilizza i certificati ed entrambi i tipi di crittografia Si basa sull’identificazione del server (colui che fornisce un servizio su Internet)

HTTPS (semplificato) Richiesta certificato Server Client Certificato con chiave pubblica Chiave privata Server Client Chiave di sessione Chiave pubblica Server Client Canale sicuro

Rimangono i problemi di natura organizzativa e gestionale Le soluzioni tecnologiche consentono la realizzazione di servizi di comunicazione efficienti e con costi ridotti Rimangono i problemi di natura organizzativa e gestionale

Problemi di valutazione L’interesse verso le soluzioni IT è crescente, sebbene gli studi di valutazione siano pochi La valutazione per mezzo di trial clinici randomizzati è complessa e di difficile generalizzazione: IT non è un farmaco ma è legata ad un intervento sull’organizzazione La sfida è nello sviluppare metodi di valutazione qualitativa e quantitativa multi-prospettiva Necessaria una migliore comprensione del ruolo di soluzioni IT in sanità ai fini di risolvere i problemi (Heatefield et al, BMJ 1998)

Aspetto economico (tecnologico/gestionale) - sociale Dimensioni della valutazione delle soluzioni IT in sanità (Cochrane Library, febbraio 2000) Aspetto economico (tecnologico/gestionale) - sociale Aspetto deontologico (cyberdoctor) Aspetto medico-legale (responsabilità in teleconsulenza) Aspetto educativo-formativo (circolazione di informazioni) “Patient satisfaction” Review di BMJ giugno 2000 Aspetto epistemologico (conoscenza/comunicazione uomo-computer) Aspetto squisitamente umano (motivazione/competenze)