Telemedicine has been defined as the use of information and communications technologies (ICTs) to deliver health services and transmit health information at distance for the purpose of improving patient’s care and education. Thanks to the clinical effectiveness and cost savings of telemedicine, it has become a standard methodology for monitoring and treating patients directly at home, especially those with chronic pathologies. Chronic diseases are the main cause of death in almost every developed country, and deaths from chronic respiratory diseases are second only to those from cardiovascular diseases. According to which structure of the respiratory system is injured, alteration or inflammation of lung parenchyma, disease of the pleura, chest wall, or neuromuscular apparatus, it is possible to distinguish different chronic pathologies like asthma, chronic obstructive pulmonary disease (COPD), obstructive sleep apnoea syndrome (OSAS), neuromuscular pathologies, etc. Chronic pathologies determine a serious burden on patients and health care systems because of low quality of life and frequent and expensive hospitalizations. The need to reduce this burden brought health care providers to rely on telemedicine services, which perform a better follow up of the patient at home and provide health services at home in order to prevent acute events that can lead to the hospitalization of the patient. The architecture of the conventional telemedicine systems is based on a complex informatics structure managed by external providers and centralized computer servers which operates through a call center. This structure requires complex and expensive agreements among the hospitals, the telemedicine service providers and the communication line providers and is the main obstacle to the wide application of the ICT in the medical routine. The purpose of the work here presented is to design, realize and test an easy to use new telemedicine system based on a simple and reliable architecture, able provide constant monitoring of patients affected by chronic diseases of the respiratory system, such as COPD and OSAS, using new technologies designed expressly for home care, and able to provide the physician a tool to optimize at distance the treatment at patient’s home in real-time. New, small and easy-to-use sensors based on old and edge-cutting techniques and methods have been realized to simply acquire specific physiological parameters, moreover broad and efficient communication services have been implemented. Taking advantage of the use and the combination of these technologies it is possible to support the realization of a tool that is complex and articulate but also practical and easy to use, and that is able to assist the physician managing, monitoring and treating chronic patients, and that provides easy access to all patient’s clinical information. The proposed model accounts on the use of an approach on three different levels, tightly bonded among them by a feedback structure. The new model is based on one side on the development and use of new technologies to measure patient’s significant parameters in a domestic environment. The acquired data are fused and computed by an artificial intelligence in order to perform the automatic intervention on therapy adjustments directly at patient’s home. On the other side the new model comprehends the possibility of a remote intervention by an automatic central decision server. The server is a concentrator that is able to collect, cross-analyse and evaluate all the data coming both from patient’s house instruments, and from results of clinical exams and visits, and from previous patient’s clinical history. Moreover the server can intervene in modifying the provided therapy to the patient with automatic and autonomous decision tools. Finally the architecture modelled allows the simple and quick connection between the patient and the physician, thus to permit the clinical supervision and the possible remote intervention of the physician for therapy optimization. The acquisition of the physiological significant parameters is done by devices designed expressly for domestic use by the patient himself and without physician supervision (mechanical ventilator, etc). These instruments are able to gain the necessary information in a non-invasive way and with the minimal patient cooperation. They’re easy to use and adaptable to different conditions of the patient involved. All the information collected is catalogued, synchronized and conveniently stored by a device that acts as a centralizer. The information is analysed through the use of intelligent functions implemented inside the systems that provide the therapy, and inside the centralizer, in order to perform the continuous monitoring of patient’s conditions and to perform the automatic intervention on the therapy delivered to automatically optimize it according to the conditions and necessities of the patient. The monitoring function can be oriented to the identification of sudden alterations of particular parameters or life threatening conditions in order to alert the physician at the right time. The designed architecture allows the physician to quickly access to previously acquired data of a single patient and to real time traces of particular parameters, and permits complete monitoring of patient’s conditions. The physician is also provided with tools that allow him to modify the patient’s therapy at distance in order to optimize the treatment directly at patent’s house from the hospital. Finally, thanks to an Internet connection all the information acquired at patient’s house are collected and stored by a remote central server, which also concentrate information and results of clinical exams originating from the hospital, about test and clinical history of the patient. The central remote system is endowed of an intelligence for the evaluation of the acquired information, and performs a deeper and more detailed analysis crossing and fusing the available information thanks to use of new procedures, data mining techniques and new developed clinical guidelines. As the central system is able to perform such detailed analysis, very wide in terms of time and parameter’s diversity, it is provided with decisional intelligence able to connect to the devices at patient’s house in order to intervene and, automatically and conveniently, modify the provided therapy with the purpose of the optimization of the therapy itself. The new Telemedicine system designed and realized during the Doctorate program is thought to be composed of an architecture simple but robust, realized on different levels. It is a complex system but simple to be applied and easy to be used, and it is able to provide a valid support to the health care professionals managing a growing number of chronic respiratory patients.

La telemedicina è definita come l’uso di tecnologie di comunicazione ed informazione (ICT) per fornire servizi sanitari e trasmettere informazioni sanitarie a distanza al fine di migliorare la cura e l’educazione del paziente. Grazie all’efficacia della telemedicina e la riduzione dei costi che ne consegue, essa è diventata un metodo standard per il monitoraggio ed il trattamento di pazienti al domicilio, in particolari quelli con patologie croniche. Le malattie croniche sono a principale causa di morte in molte nazioni a le morti causate da patologie respiratorie sono seconde solo a quelle cardiache. In base a quale struttura del sistema respiratorio è alterato è possibile distinguere tra asma, bronco pneumopatia cronica ostruttiva (COPD), sindrome delle apnee notturne ostruttive (OSAS), malattie neuromuscolari, etc. Le patologie croniche determinano un grave peso sui pazienti e sulle sistema sanitario a causa della bassa qualità di vita e dell’elevato costo delle ospedalizzazioni. La necessità di ridurre tale peso ha portato all’affidamento sempre maggiore ai servizi di telemedicina, che permettono un monitoraggio migliore dei pazienti al fine di prevenire aventi acuti che potrebbero determinare l’ospedalizzazione. L’architettura dei sistemi di telemedicina convenzionali è basata su una struttura informatica complessa controllata da fornitori esterni e server centralizzati che agiscono attraverso call-center. Tale struttura richiede costosi e complessi accordi commerciali tra gli ospedali, i fornitori di servizi ed i fornitori dei mezzi di comunicazione e questo è il maggiore ostacolo all’implementazione della telemedicina nella routine medica. L’obiettivo del lavoro di dottorato è quello di progettare, realizzare e testare un sistema di telemedicina facile da usare e basato su una semplice ed affidabile architettura in grado di fornire il monitoraggio costante di pazienti affetti da patologie croniche del sistema respiratorio come COPD e OSAS, attraverso l’uso di tecnologie progettate espressamente per l’uso domestico e in grado di fornire al medico gli strumenti per ottimizzare il trattamento a casa del paziente in tempo reale. Sono stati realizzati sensori piccoli e facili da usare basati su tecnologie innovative, e nuovi metodi per acquisire specifici parametri fisiologici. Inoltre sono stati implementati servizi di comunicazioni efficienti. Attraverso l’uso di tali servizi è stata possibile la realizzazione di uno strumento complesso ed articolato, ma anche pratico e facile da usare, in grado di assistere il medico nella gestione, monitoraggio e trattamento di pazienti cronici. Il modello proposto si basa sull’uso di un approccio su tre differenti livelli, strettamente legati tra loro attraverso una struttura a feedback. Il nuovo modello si basa sullo sviluppo ed utilizzo di nuove tecnologie per acquisire in ambiente domestico parametri fisiologici del paziente. I dati acquisiti vengono fusi e analizzati da un’intelligenza artificiale per poter intervenire automaticamente su variazioni della terapia direttamente a casa del paziente. Il modello comprende la possibilità di un intervento remoto da parte di un server centrale remoto. Tale server è un concentratore in grado di raccogliere, analizzare ed incrociare, e valutare i dati provenienti sia dagli strumenti domiciliari del paziente, sia da risultati di esami clinici e visite. Inoltre in server può intervenire nella variazione della terapia del paziente con strumenti autonomi ed automatici. Infine l’architettura modellizzata implementa una facile e veloce connessione tra il paziente ed il medico al fine di permettere a quest’ultimo la supervisione e l’eventuale intervento per ottimizzare la terapia. L’acquisizione di parametri fisiologici significativi è fatta da dispositivi progettati appositamente per uso domestico da parte del paziente stesso e senza la supervisione del medico. Tali strumenti sono in grado di acquisire le informazioni necessarie in maniera non invasiva e con la minima cooperazione del paziente. Sono facili da usare ed adattabili alle differenti condizioni del paziente coinvolto Le informazioni acquisite vengono catalogate, sincronizzate e salvate in un dispositivo che agisce da accentratore. Vengono poi analizzate attraverso l’uso di funzioni intelligenti implementate all’interno sia del dispositivo che fornisce la terapia sia all’interno dell’accentratore, al fine di effettuare il continuo monitoraggio delle condizioni del paziente e di conseguenza modificare automaticamente la terapia fornita. La funzione di monitoraggio può essere orientata anche all’identificazione di improvvise alterazioni delle condizioni del paziente che possono metterlo in pericolo, al fine di allertare il personale medico. L’architettura progettata permette al medico di avere accesso rapidamente sia a dati precedentemente acquisiti che in tempo reale al fine di effettuare un monitoraggio ottimale. A fronte di ciò il medico è anche dotato di strumenti per modificare opportunamente la terapia fornita direttamente a casa del paziente da remoto. Infine grazie alla connessione Internet tutte le informazioni acquisite vengono salvate su di un server centrale remoto, che concentra anche tutte le informazioni provenienti da esami clinici ospedalieri o visite specialistiche. Tale server è dotato di un’intelligenza per la valutazione delle informazioni acquisite, ed effettua una approfondita e dettagliata analisi incrociando e fondendo tutti i dati in suo possesso, grazie all’uso di nuove procedure, tecniche di data-mining e linee guida cliniche appositamente sviluppate. A valle di approfondite valutazioni il server centrale è in grado di connettersi ai sistemi a casa del paziente ed intervenire nella modifica della terapia fornita al fine di ottimizzarla alle condizioni del paziente. Il nuovo sistema di telemedicina sviluppato durante il progetto di dottorato è composto da un’architettura semplice e robusta, realizzata su differenti livelli. E’ un sistema complesso e semplice da applicare ed utilizzare ed è in grado di fornire un supporto valido ai clinici nel gestire un numero sempre crescente di pazienti affetti da malattie croniche del sistema respiratorio.

Development of new technologies for the home monitoring and treatment of patients with chronic respiratory disorders

GOVONI, LEONARDO

Abstract

Telemedicine has been defined as the use of information and communications technologies (ICTs) to deliver health services and transmit health information at distance for the purpose of improving patient’s care and education. Thanks to the clinical effectiveness and cost savings of telemedicine, it has become a standard methodology for monitoring and treating patients directly at home, especially those with chronic pathologies. Chronic diseases are the main cause of death in almost every developed country, and deaths from chronic respiratory diseases are second only to those from cardiovascular diseases. According to which structure of the respiratory system is injured, alteration or inflammation of lung parenchyma, disease of the pleura, chest wall, or neuromuscular apparatus, it is possible to distinguish different chronic pathologies like asthma, chronic obstructive pulmonary disease (COPD), obstructive sleep apnoea syndrome (OSAS), neuromuscular pathologies, etc. Chronic pathologies determine a serious burden on patients and health care systems because of low quality of life and frequent and expensive hospitalizations. The need to reduce this burden brought health care providers to rely on telemedicine services, which perform a better follow up of the patient at home and provide health services at home in order to prevent acute events that can lead to the hospitalization of the patient. The architecture of the conventional telemedicine systems is based on a complex informatics structure managed by external providers and centralized computer servers which operates through a call center. This structure requires complex and expensive agreements among the hospitals, the telemedicine service providers and the communication line providers and is the main obstacle to the wide application of the ICT in the medical routine. The purpose of the work here presented is to design, realize and test an easy to use new telemedicine system based on a simple and reliable architecture, able provide constant monitoring of patients affected by chronic diseases of the respiratory system, such as COPD and OSAS, using new technologies designed expressly for home care, and able to provide the physician a tool to optimize at distance the treatment at patient’s home in real-time. New, small and easy-to-use sensors based on old and edge-cutting techniques and methods have been realized to simply acquire specific physiological parameters, moreover broad and efficient communication services have been implemented. Taking advantage of the use and the combination of these technologies it is possible to support the realization of a tool that is complex and articulate but also practical and easy to use, and that is able to assist the physician managing, monitoring and treating chronic patients, and that provides easy access to all patient’s clinical information. The proposed model accounts on the use of an approach on three different levels, tightly bonded among them by a feedback structure. The new model is based on one side on the development and use of new technologies to measure patient’s significant parameters in a domestic environment. The acquired data are fused and computed by an artificial intelligence in order to perform the automatic intervention on therapy adjustments directly at patient’s home. On the other side the new model comprehends the possibility of a remote intervention by an automatic central decision server. The server is a concentrator that is able to collect, cross-analyse and evaluate all the data coming both from patient’s house instruments, and from results of clinical exams and visits, and from previous patient’s clinical history. Moreover the server can intervene in modifying the provided therapy to the patient with automatic and autonomous decision tools. Finally the architecture modelled allows the simple and quick connection between the patient and the physician, thus to permit the clinical supervision and the possible remote intervention of the physician for therapy optimization. The acquisition of the physiological significant parameters is done by devices designed expressly for domestic use by the patient himself and without physician supervision (mechanical ventilator, etc). These instruments are able to gain the necessary information in a non-invasive way and with the minimal patient cooperation. They’re easy to use and adaptable to different conditions of the patient involved. All the information collected is catalogued, synchronized and conveniently stored by a device that acts as a centralizer. The information is analysed through the use of intelligent functions implemented inside the systems that provide the therapy, and inside the centralizer, in order to perform the continuous monitoring of patient’s conditions and to perform the automatic intervention on the therapy delivered to automatically optimize it according to the conditions and necessities of the patient. The monitoring function can be oriented to the identification of sudden alterations of particular parameters or life threatening conditions in order to alert the physician at the right time. The designed architecture allows the physician to quickly access to previously acquired data of a single patient and to real time traces of particular parameters, and permits complete monitoring of patient’s conditions. The physician is also provided with tools that allow him to modify the patient’s therapy at distance in order to optimize the treatment directly at patent’s house from the hospital. Finally, thanks to an Internet connection all the information acquired at patient’s house are collected and stored by a remote central server, which also concentrate information and results of clinical exams originating from the hospital, about test and clinical history of the patient. The central remote system is endowed of an intelligence for the evaluation of the acquired information, and performs a deeper and more detailed analysis crossing and fusing the available information thanks to use of new procedures, data mining techniques and new developed clinical guidelines. As the central system is able to perform such detailed analysis, very wide in terms of time and parameter’s diversity, it is provided with decisional intelligence able to connect to the devices at patient’s house in order to intervene and, automatically and conveniently, modify the provided therapy with the purpose of the optimization of the therapy itself. The new Telemedicine system designed and realized during the Doctorate program is thought to be composed of an architecture simple but robust, realized on different levels. It is a complex system but simple to be applied and easy to be used, and it is able to provide a valid support to the health care professionals managing a growing number of chronic respiratory patients.
DELLACA', RAFFAELE
SIGNORINI, MARIA GABRIELLA
PEDOTTI, ANTONIO
27-mar-2012
La telemedicina è definita come l’uso di tecnologie di comunicazione ed informazione (ICT) per fornire servizi sanitari e trasmettere informazioni sanitarie a distanza al fine di migliorare la cura e l’educazione del paziente. Grazie all’efficacia della telemedicina e la riduzione dei costi che ne consegue, essa è diventata un metodo standard per il monitoraggio ed il trattamento di pazienti al domicilio, in particolari quelli con patologie croniche. Le malattie croniche sono a principale causa di morte in molte nazioni a le morti causate da patologie respiratorie sono seconde solo a quelle cardiache. In base a quale struttura del sistema respiratorio è alterato è possibile distinguere tra asma, bronco pneumopatia cronica ostruttiva (COPD), sindrome delle apnee notturne ostruttive (OSAS), malattie neuromuscolari, etc. Le patologie croniche determinano un grave peso sui pazienti e sulle sistema sanitario a causa della bassa qualità di vita e dell’elevato costo delle ospedalizzazioni. La necessità di ridurre tale peso ha portato all’affidamento sempre maggiore ai servizi di telemedicina, che permettono un monitoraggio migliore dei pazienti al fine di prevenire aventi acuti che potrebbero determinare l’ospedalizzazione. L’architettura dei sistemi di telemedicina convenzionali è basata su una struttura informatica complessa controllata da fornitori esterni e server centralizzati che agiscono attraverso call-center. Tale struttura richiede costosi e complessi accordi commerciali tra gli ospedali, i fornitori di servizi ed i fornitori dei mezzi di comunicazione e questo è il maggiore ostacolo all’implementazione della telemedicina nella routine medica. L’obiettivo del lavoro di dottorato è quello di progettare, realizzare e testare un sistema di telemedicina facile da usare e basato su una semplice ed affidabile architettura in grado di fornire il monitoraggio costante di pazienti affetti da patologie croniche del sistema respiratorio come COPD e OSAS, attraverso l’uso di tecnologie progettate espressamente per l’uso domestico e in grado di fornire al medico gli strumenti per ottimizzare il trattamento a casa del paziente in tempo reale. Sono stati realizzati sensori piccoli e facili da usare basati su tecnologie innovative, e nuovi metodi per acquisire specifici parametri fisiologici. Inoltre sono stati implementati servizi di comunicazioni efficienti. Attraverso l’uso di tali servizi è stata possibile la realizzazione di uno strumento complesso ed articolato, ma anche pratico e facile da usare, in grado di assistere il medico nella gestione, monitoraggio e trattamento di pazienti cronici. Il modello proposto si basa sull’uso di un approccio su tre differenti livelli, strettamente legati tra loro attraverso una struttura a feedback. Il nuovo modello si basa sullo sviluppo ed utilizzo di nuove tecnologie per acquisire in ambiente domestico parametri fisiologici del paziente. I dati acquisiti vengono fusi e analizzati da un’intelligenza artificiale per poter intervenire automaticamente su variazioni della terapia direttamente a casa del paziente. Il modello comprende la possibilità di un intervento remoto da parte di un server centrale remoto. Tale server è un concentratore in grado di raccogliere, analizzare ed incrociare, e valutare i dati provenienti sia dagli strumenti domiciliari del paziente, sia da risultati di esami clinici e visite. Inoltre in server può intervenire nella variazione della terapia del paziente con strumenti autonomi ed automatici. Infine l’architettura modellizzata implementa una facile e veloce connessione tra il paziente ed il medico al fine di permettere a quest’ultimo la supervisione e l’eventuale intervento per ottimizzare la terapia. L’acquisizione di parametri fisiologici significativi è fatta da dispositivi progettati appositamente per uso domestico da parte del paziente stesso e senza la supervisione del medico. Tali strumenti sono in grado di acquisire le informazioni necessarie in maniera non invasiva e con la minima cooperazione del paziente. Sono facili da usare ed adattabili alle differenti condizioni del paziente coinvolto Le informazioni acquisite vengono catalogate, sincronizzate e salvate in un dispositivo che agisce da accentratore. Vengono poi analizzate attraverso l’uso di funzioni intelligenti implementate all’interno sia del dispositivo che fornisce la terapia sia all’interno dell’accentratore, al fine di effettuare il continuo monitoraggio delle condizioni del paziente e di conseguenza modificare automaticamente la terapia fornita. La funzione di monitoraggio può essere orientata anche all’identificazione di improvvise alterazioni delle condizioni del paziente che possono metterlo in pericolo, al fine di allertare il personale medico. L’architettura progettata permette al medico di avere accesso rapidamente sia a dati precedentemente acquisiti che in tempo reale al fine di effettuare un monitoraggio ottimale. A fronte di ciò il medico è anche dotato di strumenti per modificare opportunamente la terapia fornita direttamente a casa del paziente da remoto. Infine grazie alla connessione Internet tutte le informazioni acquisite vengono salvate su di un server centrale remoto, che concentra anche tutte le informazioni provenienti da esami clinici ospedalieri o visite specialistiche. Tale server è dotato di un’intelligenza per la valutazione delle informazioni acquisite, ed effettua una approfondita e dettagliata analisi incrociando e fondendo tutti i dati in suo possesso, grazie all’uso di nuove procedure, tecniche di data-mining e linee guida cliniche appositamente sviluppate. A valle di approfondite valutazioni il server centrale è in grado di connettersi ai sistemi a casa del paziente ed intervenire nella modifica della terapia fornita al fine di ottimizzarla alle condizioni del paziente. Il nuovo sistema di telemedicina sviluppato durante il progetto di dottorato è composto da un’architettura semplice e robusta, realizzata su differenti livelli. E’ un sistema complesso e semplice da applicare ed utilizzare ed è in grado di fornire un supporto valido ai clinici nel gestire un numero sempre crescente di pazienti affetti da malattie croniche del sistema respiratorio.
Tesi di dottorato
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