Informatica in medicina

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1 Informatica in medicina Sicurezza e confidenzialità Reti e sistemi client-server distribuiti (applicazioni web) Pubblicazioni digitali e bibliografie digitali (medline) Cartella clinica elettronica Telemedicina Organizzazione e trattamento di immagini Bioinformatica Teoria della decisione, sistemi esperti e sistemi di supporto alle decisioni Introduzione L informatica serve in tutte le professioni per ovvi motivi Esiste tutta una serie di usi che sono comuni più o meno a tutti gli utilizzatori. Principalmente sono: Word processing (scrivere documenti) Posta elettronica In più, ogni professione ha le proprie esigenze. P.es.: le professioni legali devono accedere efficientemente a enormi raccolte di leggi e sentenze. P.es.: architetti, ingegneri... devono fare diagrammi e disegni precisi e complessi Nella professione medica, l informatica serve in molte attività. Possiamo distinguere 3 categorie: I. Produrre e archiviare informazioni standard (documenti, lettere, gestione studio professionale o reparto o...) in condizioni di sicurezza e riservatezza II. Produrre, elaborare, analizzare e archiviare informazioni tecniche (dati anamnestici, cartelle cliniche, decorso, dati, immagini e video diagnostici...), con l aiuto di appositi software; effettuare attività a distanza (telemedicina, telechiurgia) con l aiuto delle reti telematiche III. Creare conoscenza nuova a partire dai dati raccolti e prendere decisioni con l aiuto di appositi software (data mining, sistemi esperti, sistemi di 1

2 supporto alle decisioni, intelligenza artificiale...) Sicurezza e riservatezza Motivi per la riservatezza: Deontologia professionale / Possibilità di uso non equo o illegale delle informazioni / Normativa e standard professionali Sicurezza = garantire che un sistema informativo non possa essere letto o (peggio) modificato da non autorizzati Esempi di situazioni: * Assicurazione che fa pagare di più chi ha determinate patologie * Portatore (sano) di patologia discriminato sul lavoro * Marketing diretto a pazienti affetti da patologie specifiche * Informazioni genetiche per predire il futuro delle persone Sicurezza e crittografia Gli scambi di informazioni in forma di file sono soggetti a furto o spionaggio o manomissione a scopo di frode. Rispetto ai documenti tradizionali, però, i file si possono crittografare. Cosa significa crittografare? Applicare un procedimento con cui si passa da una rappresentazione leggibile del messaggio (in chiaro) a una rappresentazione non comprensibile (cifrata). Il procedimento è schematizzato come segue: Documento originale ( testo in chiaro ) Cifratura Documento crittografato ( testo in cifra o Trasmissione Decifratura cifrato ) Il procedimento o algoritmo di crittografia (o cifrario) dipende da una chiave, che è un numero segreto molto grande. Si distinguono algoritmi a chiavi simmetriche e asimmetriche. SIMMETRICHE: Le parti concordano una chiave segreta e tale chiave serve per crittografare e decrittografare. ASIMMETRICHE: La parte che possiede il documento in chiaro si procura una coppia di chiavi, una per crittografare e una distinta per decrittografare. Solitamente si intende per crittografia "tradizionale" la crittografia a chiavi simmetriche. Documento decrittografato (di nuovo in chiaro ) 2

3 Caratteristiche di un algoritmo di crittografia La principale è che deve essere molto difficile capire la chiave. Cioè non deve esistere un algoritmo che sia capace di ottenere la chiave attraverso analisi statistiche sul testo cifrato, almeno non in un tempo minore di quello che ci vuole tirando a caso. Una caratteristica che invece non serve a niente è la segretezza dell'algoritmo. Funzioni della crittografia Le varie funzioni della crittografia sono: Riservatezza (nascondere le informazioni) Integrità (assicurare assenza di manomissioni) Autenticazione (garanzia su chi è l'autore) Non ripudio (garanzia che l'autore non può disconoscere un suo documento) Tutte sono basate sull'uso di procedimenti matematici per estrarre da un file informazioni che caratterizzano, congiuntamente, un determinato documento e il suo autore. Il materiale delle due sezioni seguenti è tratto in gran parte dal sito Garantire la riservatezza: codifica o cifratura La codifica o ciratura di un documento (elettronico) si può effettuare con un cifrario, ossia un metodo di cifratura. La cifratura ha l'obiettivo di garantire che, per risalire dal testo cifrato al testo in chiaro, la complessità dell'operazione sia tale da non essere conveniente rispetto al tirare a caso o rispetto all'uso della forza bruta. Il termine forza bruta caratterizza i metodi enumerativi, quelli che si basano sull'approccio (brutale) di tentare tutte le possibilità. Quindi risalire al testo in chiaro deve essere complesso (=lungo, impegnativo) quanto provare tutte le possibilità. COME LA CIFRATURA PROTEGGE IL TESTO Un testo cifrato è illeggibile in quanto somiglia a un testo scritto a caso Facendo della statistica sui byte di un testo in chiaro si trova che p.es. (in italiano) esiste una buona probabilità che dopo una lettera h vi sia una vocale, una forte probabilità che si tratti di una i o di una e, e una fortissima probabilità che dopo una q si trovi una u. Inoltre, più è lunga una sequenza di caratteri più è probabile che capiti uno spazio (le parole hanno lunghezza limitata); il punto fermo ha scarse probabilità di trovarsi prima di una minuscola e buone probabilità di 3

4 essere seguito da un a capo. Al contrario, facendo della statistica sui byte di un file cifrato, non si ricava nessuna struttura. Qualunque sequenza è ugualmente probabile. Si è detto che la chiave è il parametro che decide come viene effettuata la cifratura. Esistono cifrari a chiave simmetrica (segreta, condivisa fra due persone) e cifrari a chiavi asimmetriche (una privata e una pubblica). I cifrari tradizionali sono tutti caratterizzati da una chiave segreta; mittente e destinatario dei messaggi segreti devono preventivamente concordare una qualche informazione da mantenere segreta. Questa necessità di comunicarsi la chiave segreta è un grosso punto debole: o ci si vede di persona e in luogo riservato, o si deve usare un canale di comunicazione assolutamente sicuro (p.es. la valigetta diplomatica), cosa molto difficile da ottenersi (e se si dispone di un tale canale... la crittografia diviene inutile); e la scoperta della chiave da parte del nemico sarebbe fatale alla segretezza del messaggio. Questi cifrari sono detti anche simmetrici perché cifratura e decifratura fanno uso della stessa chiave. Cifrari a chiavi asimmetriche; RSA La crittografia tradizionale richiede una chiave segreta da concordarsi segretamente, cosa che complica molto le cose dal punto di vista pratico. La crittografia a chiave pubblica supera questo problema usando chiavi diverse per cifrare e decifrare. Nella pratica si uniscono i vantaggi dei due metodi con soluzioni miste. Questa tecnica è utile anche per generare le cosiddette firme digitali. A partire dagli anni '70 si sono affermati cifrari a chiave pubblica, primo tra tutti il ben noto RSA, basati su una filosofia del tutto diversa. La chiave per cifrare non è la stessa di quella per decifrare; la prima può allora essere resa pubblica mentre solo la seconda resta segreta. Per questo motivo sono detti anche cifrari asimmetrici. Supponiamo per esempio che Aldo e Biagio vogliano comunicare in modo segreto; per prima cosa Aldo e Biagio scelgono, ognuno per proprio conto, una chiave segreta e calcolano quindi la chiave pubblica facendo uso di una qualche funzione che sia facile da calcolare (per un elaboratore) e pressoché impossibile da invertire. Nel RSA tale funzione è il prodotto di due numeri primi elevati. Le chiavi pubbliche così calcolate sono inserite su una specie di elenco telefonico degli utenti. P.es. Aldo ; Biagio

5 A questo punto se Aldo deve inviare un messaggio segreto a Biagio trasformerà il suo messaggio in un numero o serie di numeri (p.es. codificandolo in ASCII); effettuerà una serie di calcoli usando la chiave pubblica di Biagio e spedirà il messaggio cifrato a Biagio. Biagio decifrerà il messaggio usando una formula che, data la chiave segreta e il messaggio cifrato, permette di ricostruire il messaggio chiaro. Solo Biagio è in grado di decifrare il messaggio; paradossalmente lo stesso Aldo non è in grado di decifrare il messaggio da lui stesso cifrato! Questo avviene perchè la chiave per cifrare il messaggio non è anche quella che serve per decifrarlo. Garantire l'autenticità e l'integrità: firma digitale Abbiamo visto che è possibile cifrare un testo per renderlo leggibile a un solo destinatario, utilizzando un algoritmo a chiavi asimmetriche in cui: rendiamo pubblica la chiave di cifratura, teniamo segreta la chiave di decifratura. In questo modo l'informazione è legata a un solo destinatario. Se ora invertiamo il ruolo delle chiavi: teniamo segreta la chiave di cifratura; rendiamo pubblica la chiave di decifratura, l'informazione diventa legata a un solo autore. Questa tecnica si chiama firma digitale. Poiché l'autore è unico, non è possibile produrre un documento che si possa decifrare con la chiave pubblica associata, se non si è in possesso della corretta chiave privata, quella nota solo all'autore legittimo. In tal modo, è garantita l'autenticità: non è possibile impersonare un autore. Allo stesso modo, non è possibile alterare un documento se non si è l'autore legittimo. In tal modo è garantita anche l'integrità: il documento è come lo ha scritto (e firmato ) il suo autore. Telemedicina Una breve introduzione di cosa sia la telemedicina è riportata dal sito web di 118 Italia ( testualmente riportata qui di seguito. La parola telemedicine fu coniata negli USA per indicare l'assistenza medica prestata da centri sanitari a pazienti lontani mediante i mezzi di telecomunicazione e d'informatica. Una commissione di esperti della CEE ha redatto il documento sulle prospettive di sviluppo della telemedicina in Europa (1990), concordando la seguente definizione: 5

6 L'integrazione, monitoraggio e gestione dei pazienti, nonché l'educazione dei pazienti e del personale, usando sistemi che consentano un pronto accesso alla consulenza di esperti ed alle informazioni del paziente, indipendentemente da dove il paziente o le informazioni risiedano Secondo questa definizione la telemedicina non ha solo la finalità di assicurare una assistenza medica a pazienti lontani dai centri sanitari, ma anche quella di adeguare ed aggiornare il Sistema Sanitario con particolare attenzione ai servizi d' emergenza, di organizzazione sanitaria, di educazione sanitaria, di didattica, di formazione professionale. Le aree di applicazione della telemedicina sono molteplici ed in espansione: - l'emergenza sanitaria, - la teleassistenza domiciliare ( home care ), - la diagnosi e le consultazioni remote ( second opinion ), - i sistemi informativi sanitari distribuiti, - i servizi ambulatoriali remotizzati con accesso a servizi specialistici, - lo scambio e la raccolta elettronica di dati, - la comunicazione tra e con i laboratori diagnostici, - l'educazione sanitaria continua, - la teledidattica tradizionale ed interattiva I potenziali fruitori della telemedicina sono: - personale medico, - personale paramedico, - personale amministrativo e tecnico dell area sanitaria, - responsabili di struttura e/o di servizi, - pazienti, - familiari dei pazienti, - operatori in strutture sanitarie, - tecnici, - studenti. La tecnologia di base è costituita da: - sitemi informatici (computer e periferiche di vario genere), - reti informatiche (collegamenti strutturati tra computer), - canali e mezzi di telecomunicazione (telefonia, radiofonia, televisione, ecc.). 6

7 Immagini digitali Sono segnali, cioè sono dati catturati da un sensore che rileva grandezze fisiche (la macchina fotografica, che rileva variazioni di luminosità e colore). Una immagine viene digitalizzata. Cioè viene trasformata in una sequenza di numeri. I numeri corrispondono ai livelli di luminosità misurati in molti punti dell'immagine: L'immagine viene infatti divisa in quadrettini molto piccoli, approssimativamente puntiformi. Per esempio, può essere divisa in una griglia di 500 x 500 puntini. Ogni puntino si chiama pixel (picture element). 500 x 500 significa che avrò 500 righe composte di 500 pixel ciascuna. Il livello di luminosità di ogni pixel viene misurato, rappresentato come un numero, e memorizzato in una sequenza prestabilita. La sequenza più usata è la scansione raster (la stessa usata nei televisori): prima tutti i pixel della prima riga, da sinistra a destra; poi tutti i pixel della seconda riga, da sinistra a destra; poi tutti i pixel della terza riga, da sinistra a destra;... infine tutti i pixel dell'ultima riga, da sinistra a destra. Una caratteristica dei segnali è di essere sovrabbondanti. Un modo tipico per trattare le immagini è quindi la compressione. Comprimere un segnale significa rappresentarlo in una forma in cui si butta via dell'informazione. Esistono due tipi di compressione, corrispondenti a due tipi di informazione abolita: COMPRESSIONE SENZA PERDITA Butta via dell'informazione che si può comunque ricavare dai dati restanti (cioè informazione ridondante). Un esempio di compressione senza perdita è: se incontro 10 pixel con livello di luminosità 112, anziché scrivere 10 volte il numero 112 scrivo solo i numeri 10 e 112. Questo è possibile e vantaggioso per immagini create al calcolatore, cioè puramente artificiali, per le quali è possibile che ampie aree abbiano esattamente lo stesso colore. Un tipo di compressione senza perdita si chiama GIF (graphics interchange format) 7

8 COMPRESSIONE CON PERDITA Butta via dell'informazione che non si può ricavare dai dati restanti, ma che percettivamente è poco importante. La compressione con perdita ha alcune caratteristiche che la differenziano da quella senza perdita: è più sofisticata (bisogna studiare la percezione umana) va bene solo per dati destinati alla percezione (visione, ascolto...) va molto bene su determinate classi di immagini (fotografie) e molto meno bene su altre è parametrica: ci sono uno o più parametri che stabiliscono quanto sono disposto a perdere Un esempio di compressione con perdita è: se ho un'immagine 500 x 500 e butto via una riga sì e una riga no, ottengo un'immagine più piccola; se replico le righe dispari e le metto in posizione pari ottengo ancora un'immagine 500 x 500, ma avendo memorizzato solo 250 x 500 valori. Ovviamente bisogna vedere se percettivamente il risultato è ancora buono. Un tipo di compressione senza perdita si chiama JPEG (joint photographic expert group). Questa è una tecnica piuttosto sofisticata, che ottiene tassi di compressione molto più elevati dell'algoritmo GIF, e si basa sulle conoscenze della fisiologia del sistema visivo (come funzionano l occhio e la corteccia visiva) e sulla psicofisica della visione (come il nostro cervello analizza e interpreta i messaggi visivi). 8