CURS 2

CURS 3Aplicaii computerizate n medicin

Sistematizarea aplicaiilor computerizate n Informatic Medical

Softurile cu specific medical pot fi clasificate pe 6 domenii de aplicabilitate, care presupun la rndul lor nivele diferite de complexitate i de interaciune ntre computer i specialistul uman:

1. Comunicaie i telematic

2. Stocare i cutare date

3. Procesare i automatizare

4. Diagnostic i stabilirea deciziei

5. Terapie i control

6. Cercetare i dezvoltare

Nivelul 1: Comunicaie i telematic:

Cele mai performante i mai bine-structurate aplicaii computerizate sunt cele destinate achiziiei i transmisiei datelor. Aceasta presupune adesea codificarea / decodificarea datelor, pentru transformarea lor ntr-o form standardizat i, uneori, ntr-o form ncriptat. Computerele sunt de asemenea folosite din ce n ce mai mult n telematic respectiv transferul de date i comunicaia.

Exemple:

vizualizarea semnalelor biologice (ECG, tensiune arterial) pe monitorul computerului, n seciile de terapie intensiv. Datele sunt preluate de la pacieni cu ajutorul unor electrozi sau transductori, sunt apoi amplificate, digitizate, introduse n computerul din secia de terapie intensiv i sunt apoi afiate pe un monitor, plotter sau listate la o imprimant laser;

transferul rezultatelor analizelor din laboratorul de biochimie al spitalului ctre seciile clinice care au comandat analizele respective, sau transmiterea reetelor scrise de ctre medicul clinician la farmacia spitalului, prin intermediul unei reele locale de calculatoare;

schimbul electronic de date ale pacienilor ntre sistemele computerizate de nregistrare a pacienilor n zonele n care medicii de asisten primar colaboreaz n cadrul unui sistem de asisten medical comun, sau transferul de scrisori i rapoarte ntre medicii generaliti i spitalele ctre acetia i direcioneaz pe pacienii aflai sub tratament;

transmiterea de imagini radiologice de la spitalele locale ctre spitalele universitare n vederea derulrii unor programe de teleconsultare;

transmiterea nregistrrilor ECG din locul n care au fost preluate ctre departamentul de cardiologie, unde se realizeaz interpretarea computerizat;

transmiterea datelor dintr-o locaie medical n alta folosind serviciile Internet i WWW.

Problemele uzuale specifice aplicaiilor de acest tip sunt de obicei de natur tehnic fiind legate n special de standardizare, codificare i transfer al datelor. Aceste probleme sunt comune cu dificultile specifice tuturor celorlalte aplicaii de transfer de date folosite oriunde n viaa social.

Nivelul 2: Stocare i cutare date:

Aceste funcii se realizeaz uor i ieftin folosind tehnologiile de baze de date. Limitrile de spaiu de memorare a datelor actualmente au disprut, sistemele informatice de spital lucrnd cu baze de date de ordinul sutelor de GB sau chiar al TB, n special atunci cnd bazele de date sunt actualizate n permanen i conin date de tip imagine.

Aplicaiile existente sunt similare cu aplicaiile de tip baze de date din oricare alt domeniu al vieii sociale, cteva elemente specifice domeniului medical i de ocrotire a sntii fiind:

marea varietate de date care sunt stocate de la informaii cu caracter financiar la imagini radiologice;

numrul ridicat de poteniali utilizatori ai acestor date.

Exemple:

baze de date cu datele pacienilor din spitale, clinici sau cabinete medicale: sunt folosite n primul rnd n scopuri statistice, i eventual pentru a gestiona unitile respective (din punct de vedere material i financiar);

instituii care pun la dispoziia medicilor baze de date centrale i sisteme de stocare a cunotinelor:

MEDLINE n SUA, ntreinut de NLM (National Library of Medicine);

Baze de date naionale de medicamente;

Baze de date internaionale pentru stocarea codurilor de diagnostic: ICD (International Classification of Diseases), SNOMED International (Systematized Nomenclature of Human and Veterinary Medicine)

sisteme de arhivare a imaginilor (PACS Picture Archiving Systems): actualmente au devenit din ce n ce mai ieftine i cu capacitate de stocare tot mai mare, i sunt de obicei implementate n serviciile de radiologie;

baze de date naionale pentru managementul, planificarea, evaluarea calitii actului medical sau monitorizarea medicamentelor post-marketing.

Nivelul 3: Procesare i automatizare:

Aplicaiile din acest domeniu sunt mai complexe, avnd drept posibile obiective automatizarea parial a procedurilor de laborator sau procesarea semnalelor biologice. La acest nivel este necesar o cantitate mult mai mare de cunotine strict de specialitate, iar aplicaiile se adreseaz doar problemelor care pot fi standardizate, avnd o natur repetitiv. n acest proces sunt necesare cunotine mult mai avansate de programare, precum i cunotine de matematic, fizic, biochimie i nelegerea aprofundat a unor fenomene medicale: procese fiziologice i fiziopatologice la nivelul organelor i al sistemelor.

De asemenea, aplicaiile din aceast categorie sunt dezvoltate n exclusivitate pentru domeniul medical, avnd un grad ridicat de specificitate.

Exemple:

analiza automat a eantioanelor de snge i urin din laboratoarele de specialitate i transferul imediat al datelor n vederea procesrii ulterioare pentru controlul calitii sau generarea de rapoarte de analiz;

procesarea semnalelor biologice achiziionate n timpul procedurilor chirurgicale, n seciile de terapie intensiv sau pe parcursul procesului de stabilire a diagnosticului; n majoritatea situaiilor rezultatele sunt trimise imediat la un alt computer conectat n sistem, la nivelul cruia se realizeaz de obicei procesarea datelor;

calculul computerizat al dozelor de radiaie i al planurilor posibile de radioterapie n final medicul realiznd alegerea planului care va fi aplicat i pstrndu-i responsabilitatea deplin asupra alegerii efectuate;

imagistica medical: aplicaii de captur a imaginilor radiologice: radiografii, imagini de tomografie computerizat, RMN, tomografie prin emisie pozitronic, medicin nuclear, ultrasunete.

Nivelul 4: Diagnostic i decizie:

n aceast categorie se ncadreaz aplicaiile de recunoatere a imaginilor sau a situaiilor specifice, care eventual s l poat ajuta pe specialistul uman n stabilirea unei decizii i n planificarea corespunztoare a aciunilor sale ulterioare. Sistemele de recunoatere automat sunt suficient de performante numai dac sunt ndeplinite urmtoarele condiii:

au implementate suficiente cunotine pe baza crora s se fac recunoaterea;

datele de analizat sunt precise i complete.

Principala dificultate care apare o constituie realizarea unui sistem de formalizare a cunotinelor medicale, astfel nct acesta s poat fi folosit ca baz pentru decizii automate. n medicin este ns aproape imposibil s crem un astfel de sistem complet automat, deoarece nu poate fi exclus gradul de particularitate specific fiecrui pacient care este tratat. Prin urmare, unica soluie viabil o constituie sistemele de diagnostic asistat de calculator, i nu sistemele de diagnostic automat.

ntre tehnologiile specifice acestui domeniu se pot enumera pattern recognition, sau raionamentul euristic.

Exemple:

interpretarea diagnostic a ECG: este una dintre cele mai performante aplicaii computerizate de asistare a deciziei medicale, putnd fi folosit aproape independent de intervenia uman. Oricum, clasificarea final a ECG este ns tot responsabilitatea medicului curant, care prin semntura sa avizeaz clasificarea computerizat;

au fost de asemenea dezvoltate sisteme de decizie asistat de calculator pentru diferite tipuri de diagnostic. Unul dintre exemplele clasice l constituie sistemul de diagnostic difereniat pentru dureri abdominale (De Dombay): pe baza semnelor i simptomelor introduse de clinician, computerul listeaz bolile posibile i probabilitile de apariie a fiecreia dintre ele, astfel nct medicul s poat discerne n final diagnosticul real.

Nivelul 5: Tratament i control:

La acest nivel exist o gam restrns de aplicaii computerizate care s influeneze direct tratamentul pacientului deoarece aceasta este o zon cu precdere a aciunilor concrete, care trebuie s rmn de competen uman. Aplicaiile computerizate care iniiaz ca rezultat diverse aciuni sunt specifice cu precdere proceselor industriale i controlului tehnologic.

Exemple:

monitorizarea echilibrului de fluide n seciile de terapie intensiv i reglarea acestuia exist algoritmi de control al perfuziei, a cror corectitudine este dat de faptul c se bazeaz pe un model farmacocinetic; algoritmi de administrare automat a insulinei, de control i reglare pe parcursul terapiilor de anti-coagulare;

ajustarea i calibrarea automat a echipamentului radiologic pe baza modelelor i a stabilirii planurilor de radiaie, specifice nivelului 3;

controlul prescripiei de medicamente pe baza sistemelor de nregistrare electronic a pacienilor i a modelelor de decizie care analizeaz interaciunile ntre medicamente i eventualele contraindicaii. Astfel de aplicaii au fost implementate cu succes n special n tratamentul bolilor cronice: diabet, HTA, etc.

sistemele de decizie asistat auxiliare sistemelor de nregistrare electronic a pacienilor care genereaz comentarii asupra opiunii pe care a fcut-o medicul pentru o anumit terapie, pe baza datelor nregistrate despre pacient sisteme de critic;

sistemele de tip pacemaker trigger care se activeaz atunci cnd este detectat un voltaj prea sczut, sau tulburri de ritm cardiac.

Nivelul 6: Cercetare i dezvoltare:

Acesta este nivelul cel mai performant att n medicin, ct i n informatica medical, obiectivul principal fiind acela de a studia diferite procese, pentru a le putea formaliza i apoi pentru a dezvolta modele i algoritmi corespunztori, care s le simuleze sau s le interpreteze.

Exemple:

dezvoltarea i validarea diferitor modele care s permit nregistrarea computerizat a pacienilor i transferul de date;

analiza datelor achiziionate prin studii epidemiologice folosind, de exemplu: sisteme de gestiune a bazelor de date; metode statistice; foi de calcul; software de generare de reprezentri grafie;

modele computerizate pentru depolarizarea electric a muchiului cardiac care furnizeaz informaii despre funcionarea intern a inimii i permit interpretarea mai fidel a ECG-urilor;

modele de investigare a sistemelor de control nervos sau hormonal permit studiul interaciunilor ntre sisteme pentru o mai bun nelegere a lor;

modele computerizate pentru stabilirea protocoalelor i verificarea ipotezelor pentru experimente in vivo;

modele pentru recunoaterea imaginilor, semnalelor i pattern recognition folosind baze de date bine documentate cu date de referin de la pacieni;

folosirea modelelor de realitate virtual n chirurgie, pentru nvare (similar cu simulatoarele de zbor), sau pentru asistena chirurgului n cadrul chirurgiei minim-invazive (laparoscopie).

SISTEMUL DE PROCESARE A INFORMAIILOR

Sistemele de calcul descrise mai sus pot fi folosite n scopuri multiple:

Sisteme de procesare a informaiilor: sistemul de calcul este folosit pentru a furniza utilizatorului datele necesare pentru a lua decizii sau pentru a realiza diferite aciuni (exemplu: asistena computerizat n ciclul diagnosticare terapie, n special n etapa de observaie);

Sisteme de control al proceselor: sistemul de calcul detecteaz variabilele procesului i ajusteaz parametrii procesului, pentru a putea permite acestuia s se desfoare n siguran (exemplu: monitorizarea semnelor vitale ale pacientului i controlul terapiei n seciile de terapie intensiv).

Diferena dintre sistemele 1) i 2) este urmtoarea:

n cazul sistemelor de control al proceselor, procesul de decizie este parte a sistemului de calcul; utilizatorul sistemului nu este parte a ciclului observaie decizie aciune.

n cazul sistemelor de procesare a informaiilor, utilizatorul este cel care ia deciziile i folosete calculatorul pentru a obine informaiile adecvate n acest sens. n cazul unui astfel de sistem, distingem urmtoarele elemente i activiti componente:

1) utilizatorul;

2) introducerea datelor;

3) software-ul de procesare a datelor;

4) prezentarea datelor.

Fiecare dintre aceste elemente necesit resurse de hardware i software specifice.

1) Utilizatorul:

Utilizatorii sunt eseniali n orice sistem de procesare a informaiilor; ei sunt responsabili cu introducerea datelor n sistem i controlul proceselor de calcul. Utilizatorii se grupeaz n mai multe categorii, fiecare avnd un comportament specific i necesitnd nivele de acces particulare n sistem:

Utilizatorii ocazionali: sunt familiarizai cu funciile pe care le are implementate sistemul, dar nu au nevoie s cunoasc toate posibilitile sistemului, cu toate detaliile specifice. Sunt interesai n urmtoarele aspecte:

asistena furnizat de computer n navigarea prin sistem;

protecia mpotriva evenimentelor nedorite de ex. pierderea datelor;

sistemul de help (asisten on-line) care trebuie s poat fi activat n orice moment, s furnizeze explicaii att globale, ct i detaliate, precum i indicaii relativ la aciunile recomandate utilizatorului, i s fie sensibil la context activarea sa s depind de momentul n care a fost solicitat.

Utilizatorii regulai: au cunotine detaliate despre toate funciile aplicaiilor pe care le folosesc, i cunosc cu precizie comportamentul sistemului ceea ce nseamn c, pentru acetia, asistena oferit de mesajele de help este adesea inutil i chiar derutant, ocupnd un spaiu care altfel ar putea fi folosit pentru datele semnificative. Sunt interesai n urmtoarele aspecte:

lucrul s se deruleze ct mai comod, din punct de vedere al vitezei de exploatare a aplicaiei i al uurinei n introducerea datelor;

sistemul trebuie s fac un compromis ntre viteza de operare i interfaa prietenoas avnd n vedere c utilizatorii regulai au o mare dexteritate n folosirea sistemului, astfel nct adesea vor introduce date, de exemplu, fr a mai atepta mesajele de confirmare specifice; astfel sistemul nu va putea ine pasul cu viteza de lucru a utilizatorului ntotdeauna i va genera unele rspunsuri cu ntrziere.

Experii: experii dintr-un domeniu sunt adesea interesai n rezolvarea unor sarcini specifice i, adesea, nalt specializate. Prin urmare un cercettor va fi interesat n urmtoarele aspecte:

s i poat modifica n mod constant cerinele, i eventual s i poat scrie i modifica propriile programe;

funcionalitatea programului i rezultatele pe care le genereaz, i mai puin n eficacitatea i n interfaa prietenoas;

sistemul de help este rareori solicitat, cu excepia cazului n care se dorete familiarizarea cu programe noi.

2) Introducerea datelor:

Informaia este provenit din date. Computerul poate procesa date i poate ajuta la extragerea informaiei din acestea, dar n nici un caz nu poate genera informaii care nu sunt coninute n datele introduse; prin urmare calitatea datelor este esenial pentru nivelul de performan a sistemului. Datele pot fi introduse n mai multe modaliti:

manual;

prin dispozitive de msurare automat: autoanalizatori n laboratoarele clinice, echipamente de nregistrare ECG, echipamente de monitorizare a pacienilor care opereaz fr intervenie uman;

prin dispozitive cititoare de coduri-bar;

prin dispozitive de recunoatere automat a caracterelor;

sisteme care permit introducerea datelor prin recunoatere vocal;

sisteme care recunosc scrisul de mn n general sunt inadecvate, deoarece necesit o antrenare serioas a utilizatorului n prealabil, iar rata de eroare este totui prea ridicat pentru a putea fi folosite n regim de lucru normal.

Principala problem la acest nivel o constituie detectarea i controlul erorilor. O condiie esenial n acest scop o constituie meninerea unei distane ct mai mici n timp i spaiu ntre sursa informaiei i locul de introducere a datelor n computer, deoarece n acest mod erorile pot fi corectate mai uor (ex.: atunci cnd datele de nregistrare ale pacientului sunt introduse iar pacientul este nc prezent n cabinetul medicului, orice dat eronat, absent sau ambigu poate fi corectat imediat, prin simpla chestionare a pacientului; n comparaie, atunci cnd datele au fost mai nti scrise pe hrtie i dup aceea au fost introduse n calculator, eventual de ctre o alt persoan, erorile aprute vor fi corectate mai greu deoarece trebuie s se fac referire la sursa informaiei de baz, adic la pacient, care eventual va trebui rechemat la medic. De asemenea, n aceast situaie apar dou surse de erori posibile: la trecerea datelor pe hrtie, i apoi la introducerea lor n computer).

Trebuie de asemenea evitate situaiile n care exist / sunt permise mai multe etape / puncte independente de introducere n sistem a unor date neverificate.

3) Software-ul de procesare a datelor:

Interfaa cu utilizatorul:

Interfaa cu utilizatorul este acea parte a sistemului de calcul care comunic cu utilizatorul, fiind util n controlul execuiei i al fluxului programului, i pentru introducerea de date n mod interactiv. Cerinele pentru interfaa cu utilizatorul depind de tipul de utilizator, aa cum s-a precizat anterior.

n principal exist dou tipuri de baz de interfee cu utilizatorul:

interfee n mod text;

interfee grafice.

Interfaa n mod text: Folosete numai tastatura n procesul de comunicare. Astfel de interfee se folosesc de obicei n programarea tradiional, n care programul determin urmtoarea aciune care va avea loc. Utilizatorul trebuie s rspund ntrebrilor pe care le pune programul, i care fie c reprezint cereri pentru introducerea de date, fie pentru alegerea unei opiuni dintr-o list predefinit, relativ la controlul derulrii ulterioare a programului. Interfeele text necesit rate joase de transmisie ntre computer i diversele dispozitive periferice, deoarece este necesar numai transferul informaiilor referitoare la codul caracterului i poziia sa n ir. Prin urmare aceste sisteme sunt necesare n special atunci cnd utilizatorul este conectat la sistem de la distan, printr-un canal de transmisie de capacitate sczut de ex. o linie telefonic obinuit. Un avantaj al sistemelor de acest tip l constituie ns preul sczut al dispozitivului care permite interaciunea. n general, interfeele text sunt eficiente, dar nu sunt user-friendly.

Interfeele grafice (Windows-based): nlocuiesc interfeele de tip text ntr-o msur din ce n ce mai mare, unul dintre motive principale pentru acest proces fiind acela c actualmente, datorit preului n continu scdere al tehnicii de calcul, reelele de calculatoare folosesc staii de lucru / terminale din ce n ce mai performante (n general PC-uri pe care poate fi instalat sistemul de operare Windows 95).

Cteva dintre avantajele acestor interfee sunt:

introducerea datelor i controlul fluxului programului se realizeaz prin obiecte Windows (butoane, meniuri derulante, etc.), iar programarea respect principiile programrii orientate-obiect;

toate softurile vor arta similar, i pentru construirea unei interfee complexe este suficient folosirea numai a unui set limitat de controale. Aplicaiile impun aadar un comportament standard pentru interfaa cu utilizatorul, astfel nct acesta va nva uor s foloseasc sistemele noi, odat ce cunosc principiile de baz de funcionare. Pentru sistemele informatice medicale, mai mult dect n alte domenii, este chiar necesar ca, indiferent de complexitatea lor, toate aplicaiile s foloseasc acelai tip de interfa.

Procesarea datelor:

Pe parcursul acestui proces datele sunt analizate i transformate aa nct informaiile cerute s poat fi furnizate utilizatorului.

Exemple:

Sortarea datelor: dup diferite criterii, n diferite ordini, eventual i grupndu-le pe baza unor criterii adiionale (ex.: gruparea pacienilor dup boal sex vrst ntr-un registru special);

Memorarea i regsirea datelor: ex.: sisteme de baze de date relaionale;

Calculul: operaiile matematice (algebrice, logice, statistice) i orice alte operaii care necesit valori numerice pot fi relativ uor descrise cu ajutorul unor algoritmi, care apoi pot fi transformai n programe. Computerele realizeaz de asemenea calcule numerice foarte complexe (folosite n procesarea imaginilor, analiza biosemnalelor sau rezolvarea ecuaiilor difereniale necesare n modelarea biofizic).

Transformarea datelor:

Fiina uman are n general o capacitate limitat de recunoatere a abloanelor.

De exemplu, ntr-o imagine radiologic noi vedem doar umbra bidimensional a unui obiect; prin urmare, dou obiecte care sunt aezate unul n spatele celuilalt vor fi greu de distins pe o radiografie deoarece umbrele lor se vor suprapune parial sau total. n plus, este imposibil de spus care dintre obiecte este localizat mai aproape de sursa de radiaie X. Numai un specialist cu experien este capabil s i construiasc un model mintal pe baza cruia s interpreteze o imagine bi-dimensional n 3 dimensiuni. De aceea este mai util folosirea de imagini 3-dimensionale. Astfel de imagini pot fi obinute nregistrnd o serie de imagini bi-dimensionale prin Rx n jurul obiectului, sub diferite unghiuri (ex. tomografia computerizat) dup care computerul poate calcula imaginea 3-dimensional pe baza imaginilor bi-dimensionale nregistrate.

Exemplu de flux de procesare a datelor:

4) Prezentarea datelor:

Prezentarea informaiei ctre utilizator ntr-o modalitate corect este esenial pentru nelegerea adecvat a acestora. Procesarea informaiei trebuie s aib scopul de a-i permite utilizatorului s extrag informaia relevant n modalitatea cea mai clar i mai convenabil. n plus, utilizatorul trebuie s primeasc numai informaiile pe care le-a solicitat i care i sunt necesare n a lua anumite decizii.

Este important ca utilizatorul s fie capabil s specifice modul n care dorete s primeasc informaia, astfel nct computerul s poat fi folosit ca un instrument n acest scop. Vor fi precizate urmtoarele elemente:

ce date se doresc;

n ce mod s fie acestea prezentate (list de valori sau grafic);

pentru datele prezentate sub form de grafic se pot indica parametri suplimentari: perioada de timp vizat, unitile de msur pe axa orizontal i pe axa vertical;

ordinea n care s fie prezentate datele.

Tehnologiile moderne permit de asemenea afiarea datelor i n alte formate, multimedia: secvene audio sau video.

Problemele care pot apare sunt date de rezoluia monitorului computerului care poate fi insuficient pentru a vizualiza, de exemplu, o radiografie n cele mai mici detalii).

Avantaje:

imaginea poate fi mrit i vizualizat pe seciuni;

imaginile pot fi vzute simultan din locaii diferite i pot fi procesate pentru mbuntirea calitii lor (contrast, luminozitate).

1

2

3

4

5

6

COMPUTER

SPECIALISTUL UMAN

Raportul implicrii computer / cercettor uman pe cele 6 nivele

ETAPA I: Observarea i achiziionarea datelor

ETAPA II: Diagnosticul

ETAPA III: Terapia

CICLUL DIAGNOSTIC / TERAPIE

INPUT

Introducere

date

Msurtori

PROCESARE

OUTPUT

Sortare

Memorare

Regsire

Calcule

Transformri

Afiare

Listare

PAGE 10