Studio e Realizzazione di una Workstation Radiologica 3D Multitouch

Abstract
La presente trattazione ha lo scopo di presentare il lavoro svolto tra gli ulti-
mi mesi del 2011 e i primi del 2012 per realizzare, in collaborazione con l’azienda
O3 Enterprise srl, un nuovo modello di workstation radiologica. Il punto focale di
innovazione del progetto, negli intenti di chi scrive e dell’azienda partner,  e stato
l’introduzione di tecnologie di tipo multitouch quali uniche periferiche di controllo
della postazione, nell’ottica di garantire elevati livelli di soddisfazione del personale
medico. I Capitoli 1 e 2 sono interamente dedicati a illustrare il contesto operativo
in cui si  e svolto il progetto e le prime fasi di raccolta e sviluppo delle idee.
Il lavoro  e stato eettuato in collaborazione con il personale di due presidi medici
di Trieste, ovvero l’Unit a Clinico Operativa di Radiologia dell’Universit a di Trieste
sita presso il polo ospedaliero di Cattinara e la Struttura Complessa di Radiologia
ad indirizzo pediatrico dell’IRCCS materno infantile Burlo Garofolo. Le esigenze
del personale medico sono state raccolte -seguendo i paradigmi della progettazione
funzionale orientata al cliente- attraverso la compilazione di appositi questionari,
pensati come ausilio per discriminare tra le diverse ipotesi di implementazione pro-
spettate a seguito di una fase di brainstorming attuata da chi scrive in collaborazione
con il personale tecnico di O3 Enterprise, tenendo in considerazione le possibilit a
oerte dal mercato tanto quanto i numerosi vincoli dettati dalla normativa vigente
in termini di prestazioni dei dispositivi medici e di problematiche di natura ergo-
nomica. Il Capitolo 3  e dedicato a illustrare l’approccio utilizzato nella raccolta di
dati sulle preferenze dei potenziali clienti, nonch e a fornire una panoramica sui dati
stessi.
Passo conclusivo del lavoro, una volta individuata la tipologia di soluzione ot-
timale e raccolte le aspettative espresse ed inespresse del personale medico,  e stata
l’ideaziones di un prototipo funzionale che consenta, a fronte di un’analisi del feed-
back dell’utente, ulteriori sviluppi della postazione. Il metodo utilizzato per tradurre
i requisiti forniti dal personale medico in speciche di sviluppo  e descritto -insieme
ai risultati cui si  e pervenuti- nel Capitolo 4 e nel Capitolo 5, mentre alla discussione
degli sviluppi auspicati per il futuro del progetto  e dedicato il Capitolo 6.
Capitolo 1
Il contesto operativo
1.1 RIS, PACS e workstation: la moderna strut-
tura di un reparto di Radiologia
Figura 1.1: I ussi informativi di Radiologia (Iniziativa IHE)
L’innovazione tecnologica, unitamente alla necessit a di razionalizzare l’impie-
go di risorse economiche da parte degli enti ospedalieri, ha portato nel corso degli
ultimi trent’anni alla progressiva digitalizzazione dei ussi informativi dei reparti.
La prima specialit a ad essere coinvolta in questo processo di ammodernamento  e
tradizionalmente considerata la Radiologia[19], prevalentemente in virt u delle con-
1
sistenti moli di dati trattate quotidianamente in tale contesto. Al ne di consentire
lo studio e l’implementazione di suite software adeguate alle necessit a dei reparti
di Radiologia diverse iniziative sono nate nel mondo, dichiaratamente votate al su-
peramento di problemi quali la modellazione dei ussi informativi caratteristici del
contesto in analisi nonch e alla ricerca delle migliori prestazioni possibili dal punto di
vista dell’interoperabilit a tra dispositivi provenienti da produttori diversi, dunque
generalmente incompatibili a meno di particolari accorgimenti.[41]
 E nell’ottica di arontare tali problemi che si sono aermati negli anni degli
standard quali HL7[18] e DICOM[33], strumenti fondamentali per manipolare i ussi
informativi radiologici appoggiandosi ad infrastrutture tecnologiche di cui verr a nel
seguito fornita una sintetica disamina.
1.1.1 RIS
Il RIS, acronimo di Radiology information system,  e il sistema network based
deputato al management dei ussi informativi radiologici, intendendo tanto stream
di dati signicativi sotto il punto di vista clinico quanto informazioni necessarie
all’organizzazione dell’attivit a lavorativa all’interno del reparto. Tra le funzionalit a
di base garantite da un RIS ci sono solitamente:
• Gestione dei dati: il RIS tiene traccia dell’intero workow relativo al pazien-
te nell’ambito del dipartimento di Radiologia, garantendo permessi di lettura
e scrittura di immagini e referti al personale autorizzato;
• Scheduling: l’agenda del dipartimento  e gestita in maniera integrata a livello
di RIS;
• Gestione dello storico pazienti: l’intera storia del paziente, dall’ammissio-
ne alla dismissione,  e memorizzata nel RIS;
• Reporting: il RIS  e in grado di generare report statistici e presentazioni
strutturate relative ai dati di singoli pazienti o gruppi di pazienti;
• Data tracking: la posizione sica di ciascun dato in ogni istante  e memoriz-
zata nel RIS;
• Gestione dei pagamenti: i ussi monetari relativi alle prestazioni erogate
dal reparto sono tracciati dal RIS.
2
Un RIS progettato per l’interoperabilit a si appoggia sullo standard HL7 per la
gestione dei workow amministrativi e sullo standard DICOM per la manipolazione
dei dati medicali. Il RIS viene solitamente utilizzato in congiunzione con un PACS.
Figura 1.2: Una transazione HL7 schematizzata: lo Scheduled Workow
1.1.2 PACS
PACS  e acronimo di Picture Archive and Communication System: si tratta del-
l’insieme di tecnologie hardware e software deputate all’archiviazione e alla trasmis-
sione di dati elettronici all’interno del dipartimento. Un PACS nella sua minima
congurazione comprende dispositivi di archiviazione di massa, dispositivi di rete,
software per la gestione di database e per il controllo degli accessi. L’installazione di
un PACS  e solitamente eettuata mirando all’integrazione con il RIS dipartimenta-
le, in modo da subordinare la gestione del usso di dati al workow regolamentato
a livello di RIS. L’accezione originaria di tali strumenti prevedeva l’immagine radio-
logica come unico oggetto delle transazioni informative, mentre l’attuale tendenza
 e quella di implementare sistemi di pi u ampio spettro applicativo che garantiscano
identiche funzionalit a su un’ampia gamma di tipologie di dati.[26]
Lo standard de facto utilizzato nella progettazione dei sistemi PACS  e DICOM,
del quale sar a utile fornire una breve e incompleta descrizione ai ni di comprendere
l’utilit a di un sistema di archiviazione robusto e strutturato qual’ e un PACS.
3
Figura 1.3: Un esempio di PACS: O3-DPACS
Lo standard DICOM si basa su un modello concettuale denito Service Object
Pair (SOP): ciascun SOP  e composto da una Information Object Denition (IOD)
e da un insieme di DICOM Service Elements (DIMSE), ovvero da un oggetto rap-
presentante il dato e da una o pi u operazioni eseguibili sul dato stesso.
1
Uno IOD
DICOM  e costituito dal core informativo rappresentato da un dato di interesse cli-
nico e da una serie di metadati aggiuntivi relativi all’esame nell’ambito del quale il
dato stesso  e stato ottenuto (ad esempio i dati anagraci del paziente, dati relativi
all’esame e all’apparecchiatura utilizzata per l’acquisizione).
Dal punto di vista del usso di dati, il le  e sicamente costituito da una sequen-
za di byte rappresentanti un header contenente i metadati seguito da una stringa
nella quale  e incapsulato il dato vero e proprio. Lo stream cos  composto  e tra-
sferito appoggiandosi a strutture di rete di tipo Client/Server, concetti ribattezzati
all’interno dello standard DICOM rispettivamente come Service Class User (SCU)
e Service Class Provider (SCP). In quest’ottica, non  e errato denire un PACS come
un Service Class Provider DICOM deputato all’immagazzinamento di le -appunto-
DICOM in un database e alla regolazione degli accessi al database stesso. Per quanto
concerne l’immagazzinamento delle immagini radiologiche, queste vengono salvate
in formato DICOM seguendo una precisa gerarchia che inserisce ciascuna immagine
in una istanza (DICOM Instance), ciascuna istanza in una serie (DICOM Series) e
ciascuna serie in uno studio (DICOM Study).[10]
Il consistente contenuto informativo aggiuto al dato incapsulato in un le DICOM
1
Si noti come tale concezione non  e dissimile da quella che sta alla base del paradigma di
programmazione Object Oriented[15]
4
Figura 1.4: Un esempio di DICOM IOD
comporta logicamente un aumento della quantit a di memoria dedicata allo storage
del le stesso, portando per quanto concerne le immagini a grandezze tipiche simili
a quelle riportate nella Tabella 1.1 di pagina 6. Appare evidente come la quantit a
di dati gestiti da un PACS ne renda critica la gestione ottimale, al ne di garantire
l’integrit a, l’immediatezza d’accesso e la sicurezza di dati sensibili quali sono i referti
medici e le immagini di interesse clinico.
1.1.3 Workstation
La postazione di lavoro del personale sanitario nei moderni reparti di Radiolo-
gia rappresenta un punto di accesso alla rete dipartimentale: interfacciandosi con
il PACS nel rispetto delle policy determinate dal RIS, la workstation opera query
sul database contenente i dati dei pazienti e li recupera, al ne di fornire e pre-
sentare al personale medico i dati necessari per eettuare diagnosi appropriate; i
referti prodotti dall’operatore possono successivamente essere archiviati, sempre nel
rispetto del corretto workow dipartimentale. Oltre a svolgere il ruolo di client nei
confronti del server rappresentato dal PACS, le moderne workstation implementano
spesso funzionalit a avanzate di elaborazione graca, rivestendo di fatto il ruolo di
postazioni per la produzione di dati signicativi interpolati dalle originarie serie di
immagini e non pi u dei semplici terminali di visualizzazione.
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Tabella 1.1: Dimensioni tipiche di diversi studi DICOM
Modalit a Dimensioni
immagine
[pixel]
Bpp im-
magine
[bit/pixel]
Dimensioni
immagine
[Bytes]
Numero
immagini
Dimensioni
studio
[Bytes]
Gamma ca-
mera
128x128 16 32 KB 10 320 KB
SPECT 128x128 16 32 KB 10 320 KB
PET 128x128 16 32 KB 10-64 320 KB  2 MB
Fluoroscopia
digitale
1024x1024 12 1.5 MB 10-30 2.6 MB  45 MB
CR, scanner
pellicole
2000x2500 12 7.2 MB 2-5 12 MB  36 MB
Mammogra
(18x24 cm)
4800x6000 16 55 MB 2-5 12 MB  275 MB
DR 3000x3000 16 17.2 MB 2-30 14.4 MB  516 MB
TAC 512x512 16 512 KB 40-4000 10 MB  2 GB
RM 1024x1024 16 2 MB 80-1000 320 KB  375 MB
ECO 640x480 8 300 KB 20-60 5 MB  17.6 MB
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Figura 1.5: Un esempio dell’hardware dedicato a una workstation radiologica
Dal punto di vista della dotazione hardware, una workstation consiste in un
computer desktop con prestazione adeguate alle esigenze del personale medico e
dotato di uno o pi u monitor di grado medicale[13], di tradizionali periferiche di
input, solitamente di un sistema per la refertazione vocale (necessario dal momento
che l’operatore lavora spesso in condizioni di illuminazione ridotta al ne di rispettare
vincoli relativi alla qualit a delle immagini da visualizzare[8]).
Considerando che il workow di un moderno reparto di Radiologia prevede l’im-
piego delle workstation come punti di accesso alla LAN dipartimentale -dunque al-
l’insieme di risorse informative gestite dal PACS e accessibili secondo le modalit a e
nei tempi stabiliti dalle politiche del RIS- e ipotizzando l’integrazione delle dierenti
componenti del sistema informativo nora prospettato mediante l’uso di standard
per l’interoperabilit a (situazione rappresentante l’attuale stato dell’arte[11]), una
workstation radiologica deve implementare un applicativo software che si comporti
da Service Class User DICOM, che garantisca condizioni di visualizzazione ottimali
dell’immagine (evitando cio e distorsioni nella rappresentazione dell’intensit a lumi-
nosa delle immagini stesse su monitor)
2
e che consenta di operare nel rispetto della
privacy del paziente e della sicurezza dei dati.
2
A tale proposito riveste particolare importanza il concetto di DICOM Grayscale Standard
Display Function, un sistema di mappatura che specica con esattezza quale luminanza dovrebbe
essere fornita in output per rappresentare un certo valore di input sulla base della funzione nota
come curva di Barten, con lo scopo di mappare tutti i valori di interesse in un range nel quale il
sistema visivo umano abbia risposta lineare.[8]
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