>"Medizinische Informatik ist die Wissenschaft von Informationsverarbeitung und der Gestaltung informationsverarbeitender Systeme in der Medizin."
Detaillierter:
>"Die Medizinische Informatik ist die Wissenschaft der systematischen Erschließung, Verwaltung, Aufbewahrung, Verarbeitung und Bereitstellung von Daten, Informationen und Wissen in der Medizin und im Gesundheitswesen. Sie ist von dem Streben geleitet, damit zur Gestaltung der bestmöglichen Gesundheitsversorgung beizutragen." (GMDS = Deutsche Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie)
Damit die nötigen Daten und Informationen und das benötigte Wissen fachgerecht erfasst, aufbewahrt, abgerufen, verarbeitet und verteilt werden können, entwickeln, betreiben und evaluieren Medizinische Informatiker/innen Infrastrukturen, Informations-und Kommunikationssysteme einschließlich solcher für Medizintechnische Geräte.
## Die Einsatzfelder medizinischer Informatik nach dem Prozess der Entscheidungsfindung in der Medizin:
- **Physiologische oder phatologische Zustände** => Messen
- Biosignalerfassung
- Bioelektrische und nicht elektrische Signale
- Physiologische Ursache dieser Signale
- Messverfahren, Ableitungen
- Anforderungen an Hard- und Software
- Bildgebung
- Bildgebenden Verfahren (Modalitäten)
- Indikationen zur Anwendung (Was kann womit gut erkannt werden?)
- Unmittelbare Information über Vorgänge an Nerven und Muskeln
- Repräsentation physiologischer und pathologischer Veränderungen => Globale und detaillierte Beurteilung der Organfunktion
- Zumeist nichtinvasiv (Signalableitung an der Körperoberfläche) => Geringe Belastung für den Patienten
- Kostengünstig
Quellen/Ursprung bioelektrischer Signale: Nerven und Muskeln
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Beide Gewebearten haben spezielle Eigenschaften:
- Erregbarkeit
- elektrisch
- mechanisch
- chemisch
- Erregungsfortleitung:
- innerhalb der Zelle vom erregten Abschnitt zum benachbarten Abschnitt
- von Zelle zu Zelle
Aktionspotential
- Ursachen:
- Ionenpumpen (insbes. Kalium-Natrium-Pumpe)
- Selektive Permeabilität von Ionenkanälen
- Chemische und elektrische Gradienten (Potentiale)
- Messung des Zellinneren gegen das Zelläußere!
- Ruhepotential
- ist das elektrische Potential (Potentialdifferenz) an einer Membran nach Einstellung des elektrochemischen Gleichgewichts (Betrag des elektrischen Potentials = Betrag des chemischen Potentials).
- Ursache (I):
- Kalium-Natrium-Pumpe(pro ATP: 3 Na+-Ionen nach außen und nur 2 K+-Ionen nach innen)
- Ursache (II):
-Natriumkanäle geschlossen => keine (nur sehr geringe) Diffusion von Na+ nach innen
-Kaliumkanäle offen => Diffusion von K+-Ionen nach außen entlang des chemischen Gradienten und entgegen des elektrischen Gradienten => Einstellung des elektrochemischen Gleichgewichts
- Depolarisation wenn Störung des Ruhepotentials (z.B. durch elektrische Erregung) über das Schwellwertpotential (-55 mV) hinaus, dann
- => Öffnung der spannungsabhängigen Natriumkanäle
- => Einschießen von Na+ ins Zellinnere (schneller Prozess)
- => Umpolarisieren des Membranpotentials bis zur Einstellung des Natrium-Gleichgewichtspotentials
- Repolarisation:
- Schließen der Natriumkanäle
- Öffnen der Kaliumkanäle
- => Austrittvon K+ aus dem Zellinneren (langsamer Prozess)
- Plateau (Herzmuskelzelle)
- zusätzliches Einströmen von $Ca^{2+}$-Ionen ins Zellinnere (langsamer Prozess)
- Verzögerung der Repolarisation
- Ausbildung eines Plateaus (Refraktärzeit der Herzmuskelzelle)
### Elektrophysiologische Untersuchung
Elektrophysiologische Untersuchungen werden in drei Teilgebiete unterteilt:
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### Diagnostischer Informationsgehalt
Anwendungsgebiete in Diagnostik und Therapie: Epilepsie, Objektive Perimetrie (objektive Vermessung des Gesichtsfeldes), Neurofeedback, Narkosetiefe, Schlafmedizin (Polysomnographie), Kognitionsforschung (Gedächtnisprozesse), Hirntodbestimmung, Schlaganfall, Tumore, Hirnreifung, Psychiatrische Erkrankungen
## Elektrokardiogramm (EKG)
Elektrokardiogramm ist der zeitliche Verlauf der an der Körperoberfläche abgeleiteten Potentialschwankungen des Herzens
- nichtinvasive Ableitung
- relativ geringer zeitlicher und personeller Aufwand
- am häufigsten abgeleitetes Biosignal
- außerdem:
- Ösophagus-EKG => EKG-Ableitung in der Speiseröhre
- Intrakardiales EKG => EKG-Ableitung am offenen Herzen
| P-Welle | Erregung der Vorhöfe | kleine positive Welle |
| PQ-Strecke | Zeit vom Beginn der Vorhoferregung bis zum Beginn der Kammererregung, sog. Erregungsüberleitungszeit| verläuft auf der isoelektrischen Linie; PQ-Dauer ist abhängig von der Herzfrequenz |
| QRS-Komplex | Kammererregung, besteht aus Q-Zacke, R-Zacke und S-Zacke | Form des QRS-Kompl. ist bei den Extremitätenableitungen abhängig von der Herzachse |
| ST-Welle | Zeit, in der die gesamte Kammermuskulatur erregt ist | verläuft normalerweise auf der isoelektrischen Linie |
| T-Welle | Rückbildung der Kammererregung | breiter und flacher als der QRSKomplex, da die Rückbildung nicht über feste Bahnen verläuft |
| U-Welle | Nachschwankung der Kammererregungsrückbildung | sehr klein und nicht immer registrierbar |
### Widerspieglung des Errregungsablaufs (Herzzyklus) im EKG
- Elementarvektor = Vektor, der die Erregung einer einzigen Muskelfaser widerspiegelt
- Summationsvektor = Resultat mehrerer Vektoren nach dem Kräfteparallelogramm
- elektrische Herzachse = Gesamtsummationsvektor bei Erregung der Herzkammern
- Ableitorte: rechter Arm (rot), linker Arm (gelb), linker Fuß (grün)
#### Extremitätenableitung nach Goldberger
- unipolare Ableitung
- Ableitungsbezeichnungen: aVR, aVL, aVF
- Projektion der Frontalebene (um 30 Grad gegenüber Einthoven-Ableitung gedreht)
#### Thorax-Ableitung nach Wilson
- unipolare Ableitung
- Ableitungen: V1 ... V6 (Standard)
- Projektion der Horizontalebene
- Referenzelektrode: Herzmitte => hochohmige Zusammenschaltung der Extremitätenableitung
nach Wilson: 
#### Altersabhängigkeit der Herzachse
- elektrische Herzachse = Gesamtsummationsvektor bei Erregung der Herzkammern
- Rechtstyp (RT): Säuglings- und Kindesalter
- Steiltyp (ST): jugendliches Alter
- Mitteltyp (IT): jüngeres Erwachsenenalter
- Linkstyp (LT): Erwachsenenalter und ältere Menschen
- Überdrehte Rechts- u. Linkstypen (ÜRT, ÜLT) sind pathologisch
### Diagnostischer Informationsgehalt
Morphologische Untersuchung und Herzfrequenz Analyse
- Herzinfarkt
- Verengung oder Verschluß eines koronaren Herzkranzgefäßes
- deutliche Hebung der ST-Strecke
- Verschmelzung mit folgender T-Welle ("monophasische Deformierung")
- Extra-Systolen
- frühzeitig auftretender Extraschlag aus dem Kammerbereich
- Einsetzen eines verbreiterten und deformierten QRS-Komplexes
- kompensatorische Pause, weil Sinusrhythmus in Takt ist
- AV-Block
- Störung der Erregungsleitung zwischen Vorhof und Kammer
- Grad 1: PQ-Verlängerung
- Grad 2: gelegentlicher (Typ Wenkebach) oder regelmäßiger (Typ Mobitz) Ausfall eines Kammerschlages
- Grad 3: Keine Kopplung zw. Vorhof- u. Kammererregung => Schrittmacher
### Digitale EKG Signalanalyse
EKG-Signaleigenschaften
- R-Zacke = zentraler Punkt im QRS-Komplex
- hat in der Regel die größte Amplitude und den größten Anstieg bzw. Abfall
- -> hebt sich somit meist als Peak hervor (Polarität kann verschieden sein)
- Amplitudenbereich : 0,5 - 4 mV (ortsabhängig)
- Frequenzbereich EKG : 0,2 - 150 Hz
- Frequenzbereich QRS-Komplex : 5 - 30 Hz
- Dauer eines QRS-Komplexes : 60 - 100 ms
- zu wählende Abtastfrequenz ist abhängig vom Zweck der Untersuchung
- z.B. Spektralanalyse des QRS-Komplexes zur Analyse von Spätpotentialen -> hochauflösendes EKG : 1 - 2 kHz
- zur Herzrhythmusanalyse : 200 - 500 Hz ausreichend
Grundprinzip QRS-Detektion: Roh-EKG -> Vorverarbeitung -> QRS-Detektion (inkl Signal Transformation)
- maximaler, mittlerer und minimaler RR-Abstand: $RR_{min}, RR_{max}, \overline{RR}$
- Standardabweichung der RR-Abstände: $S_{RR}= \sqrt{\frac{1}{n-1} * \sum_{i=1^n}(RR_i - \overline{RR}^2)}$
- Variationskoeffizient: Quotient aus Standardabweichung und mittlerem RR-Abstand $VK=\frac{S_{RR}}{\overline{RR}}$
- RMSSD (root mean squared successive difference) = Kenngröße zur Quantifizierung der Variationen aufeinanderfolgender RR-Abstände $RMSSD = \sqrt{\frac{\sum_{i=1}^{n-1} (RR_{i+1}-RR_i)^2}{n}}$
- BB50 (pNN50): relativer Anteil [%] von aufeinanderfolgenden RR-Abständen, mit Differenz größer als 50 ms
- MCR: Betrag des mittleren Summenvektors aller event-Vektoren auf dem Atemperioden-Einheitskreis
- E/I-Quotient: mittlerer Quotient aus längstem RR-Abstand während forcierter Expiration und kürzestem RR-Abstand während forcierter Inspiration; spez. Kenngröße der Respirationsphase
- 30/15-Quotient: Quotient aus dem längsten RR-Abstand etwa um den 30. Herzschlag und dem kürzesten RR-Abstand etwa um den 15. Herzschlag nach Aufstehen; Kenngröße zur Charakterisierung der Orthostasereaktion
- Herzfrequenvariabilität (HRV)
- VLF $<= 0.04$ Hz: Thermoreg. Einflüsse
- LF $0.04- 0.15$ Hz: Barorezeptorische Einflüsse
- HF $0.15 - 0.4$ Hz: Resp. Sinusarrhythmie (RSA)
- Intervall-Tachogramm: Problem: keine äquidistante Impulsfolge -> kontinuierliches Herzfrequenzsignal notwendig
## Elektromyogramm (EMG)
elektrische Aktivität hervorgerufen durch Muskelaktivität. Gemessen über Oberfläche oder mit Nadel
- Verhältnis vom sauerstoffbehaftetem zum gesamten Hämoglobin
- Beim gesunden Menschen 94-98 %
- Je nach Sauerstoffsättigung -> Änderung der opt. Eigenschaften
- Fraktionelle Sauerstoffsättigung $SO_2 = \frac{HbO_2}{Hb + HbO_2 + COHb + MetHb}$ (liefert die 'richtigere' Messung da mehr berücksichtigt)
(Hb = Hämoglobin; $O_2$ = Sauerstoff)
## Lambert Beer Gesetz
Lichtquelle (einfallende Lichtintensität $I_0$) Durchstrahlt Medium (Weglänge des Lichts $d$). Photodiode auf anderer Seite des Mediums misst übriges Licht (Lichtintensität $I$).
- $\epsilon(\lambda)$ Extinktionskoeffizient in L $mmol^{-1}cm^{-1}$;
- $c$ Konzentration in $mmol^{-1}$
- $I = I_0 * e^{-\epsilon(\lambda)cd}$
- in Medium: $I(x)=I_0e^{-\epsilon(\lambda)c(x-a)}$
Für nichtinvasive Messung werden Körperstellen gewählt, bei denen arterielle Blutgefäße zugänglich sind, z.B. Finger, Zeh, Ohrläppchen.
- Laser
- Vorteil: hohe Lichtausbeute und nahezu monochromatisches Licht
- Nachteil: preisintensiv und schwer zu regeln
- -> eher ungeeignet
- LED
- Vorteil: guter Wirkungsgrad, relativ schmales Spektrum, kleine Bauform
- Nachteil: Temperaturabhängigkeit der mittleren Wellenlänge
- -> geeignet
#### LED Prinzip
- physikalisch:
- emittierte Licht entsteht bei der Rekombination von Elektron-Loch-Paaren und ist dabei materialspezifisch
- größere Wellenlängen besonders wichtig für Medizin -> größere Eindringtiefe in Gewebe (rot, infrarot)
- Abstrahlcharakteristik: Wiedergabe der Winkelabhängigkeit in normierter Form (bezogen auf die maximale Strahlstärke)
- Temperaturabhängigkeit:
- Abnahme des Wertes der Energielücke bei zunehmender Temperatur -> Verschiebung des Emissionsmaximums zu höheren
- Wellenlängen $E=h*f$ und $c=\lambda * f \rightarrow E=h/\lambda$ (h=plansches Wirkungsquantum; )
- Zunahme der mittleren kinetische Energie der Elektronen bzw. Löcher mit zunehmender Temperatur, d.h. die Elektronen und Löcher halten sich weniger an den Bandkanten auf
#### Photodiode
- Photodioden sind Halbleiter aus Silizium, welche für Photonen und hoch-energetische Partikel sensitiv sind
- Absorption der Energie unter Umwandlung in elektrische Ladung
| Wandlung | in ein sichtbares Bild | Übertragungsverhalten Wandler |
| Betrachtung | des sichtbaren Bildes mit dem Auge | Betrachtungsbedingungen, Übertragungsverhalten Auge |
| Auswertung | des Röntgenbildes | Erfahrungen des Befundes, weitere Befunde |
### Röntgenstrahlenquelle
In Vakuumgefäß wird eine Glühkatode (Wolframwendel) durch elektrische Leistung erhitzt. Daraus emmitierende Elektronen treffen auf Anode (Kupfer + Wolfram) und werden in bestimmten Winkel abgelenkt. Anforderungen sind punktförmiger Fokis (Zentralprojektion) und kurze Schaltzeiten (Bewegungsunschärfe).
Drehanodenröntgenröhren besitzen als Anode einen Anodenteller der durch einen Motor gedreht wird. Schnelle Speicherung großer Wärmemengen, hohe Tellertemperaturen und Wärmeabgabe über Wärmestrahlung (Strahlungskühlung) an Keramikkörper.
# Bildverarbeitung
## Anwendungsfelder digitaler Bildverarbeitung
- Medizinische Diagnostik und Therapie
- Röntgen, CT, DSA, PET, SPECT, Ultraschall, MRI, fMRI, OCT
- Biolog. Bildgebung
- Histologie, Mikroskopie, Zählung, Klassifikation u. Morphologie von Zellen, Bewegungsanalyse, Wachstum
- Forensik / Rechtsmedizin
- Fingerabdruck, Gesichtserkennung
- Mensch-Maschine-Kommunikation / Robotik
- Gestenerkennung, Zeichensprache, Orientierung im Raum
- Dokumentenverarbeitung
- Automatische Texterkennung (OCR), Scannen, Archivieren, Fotografie
| Bildrestauration | Beseitigen von Störungen / Verzerrungen, die bei der Bildaufnahme entstanden sind |
| Bildverbesserung | Verbesserung des subjektiven Wahrnehmung; Anhebung der (diagnostisch) relevanten Bildinformation |
| Bildregistrierung | Anpassung (Transformation) von Zielbildern auf ein Referenzbild (z.B. mit Ziel der Bildfusion) |
| Bildsegmentierung | Unterteilung des Bildes hinsichtlich der Struktur in einzelne Bildabschnitte (Segmente: Histogramm-/Regionen-/Kanten-/Modellbasiert) |
- Angaben über durchgeführte Maßnahmen, Vorschläge für die weitere Behandlung
Motivation - Benötigt werden:
- einheitliche Klassifikationen / Nomenklaturen für die gesamte Medizin
- international anerkannt
- sprachunabhängig
- Grundlage für die Entwicklung spezieller Kataloge
## ICD
- := Internationale Klassifikation der Krankheiten, Verletzungen und Todesursachen (ICD := International statistical Classification of diseases, injuries and causes of death (... related health problems))
- Zweck: wichtigste weltweit anerkannte Klassifikation für Diagnosen
- Morbi-RSA (Risikostrukturausgleich für Krankenkassen)
- Interne Aufgaben
- Qualitätssicherung
- Controlling
- Weitere: Arbeitsunfähigkeitsbescheinigung,...
- Aktuell ICD10, 10. Auflage der WHO
## ICPM
- ICPM = Internationale Klassifikation der Prozeduren und Methoden in der Medizin (International classification of procedures in medicine)
- Ziel:
- bessere Kosten- und Leistungstransparenz
- erste Ansätze – operative und apparativ aufwendige Maßnahmen
- später für alle therapeutischen Eingriffe
## OPS 301
- := Operationsschlüssel nach § 301 SVG V
- amtliche Klassifikation zum Verschlüsseln von Operationen, Prozeduren und allgemein medizinischen Maßnahmen im stationären Bereich und beim ambulanten Operieren in Deutschland
- seit 1994 von DIMDI herausgegeben, gepflegt, jährlich aktualisiert
- verbindlich für alle Krankenhäuser zur Klassifizierung von Leistungen
- Verhandlungsgrundlage nach Bundespflegesatzverordnung (Pflegesätze, Fallpauschalen etc.)
- Anwendung
- G-DRG-System
- Fallpauschalen in der stationären Versorgung
- EBM
- Vergütungssystem in der ambulanten Versorgung
- Qualitätssicherung
- Qualitätsberichte der Krankenhäuser (ICD- und OPS-kodiert)
> Unter einem KIS versteht man das Teilsystem eines Krankenhauses, welches alle informationsverarbeitenden Prozesse und die an ihnen beteiligten menschlichen und maschinellen Handlungsträger in ihrer informationsverarbeitenden Rolle umfasst. Dazu gehören Hardware, Software, Personen und nicht-EDV-basierte Informationsverarbeitung
- Informationen über Patienten
- Unterstützung von Prozessen
- Wissen über Krankheiten und Wechselwirkungen
- Informationen über Qualität der Versorgung
- Informationen über Leistung und Kosten
- Unterstützung der Ausbildung und Forschung
### KIS als Informationsmittelpunkt
- Medizin
- Diagnostik beschleunigen
- Therapie verbessern
- Pflege
- Pflege optimieren
- Personal entlasen
- Technik/Versorgung
- Zuverlässigkeit der Technik verbessern
- Versorgungsengpässe vermeiden
- Verwaltung
- Effizienz der Verwaltung erhöhen
- Qualität sichern
- Verbundlösungen
- Krankenhaus nutzt EDV eines Serviceanbieters als Dienstleistung
- IT-Anbieter: kommunale oder firmeneigene Rechenzentren -> verschiedene Automatisierungsgrade
- Bedeutung allgemein abnehmend
- Autonome Lösung
- integriertes System mit Krhs.-eigenem Rechenzentrum
- aufgrund verfügbarer Hardware heute Standard -> verschiedene Systemarchitekturen
Autonome Lösungen:
- Zentralrechnersysteme
- ein Zentralserver für gesamte Verarbeitung
- ansonsten nur Terminals
- Insellösungen
- separate Systeme für jeweilige Applikation
- keine Kommunikation zwischen den Einzelsystemen
- Verbundsysteme
- dedizierte, modulare Systeme
- Zentralserver zur Administration der Modulserver
- standardisierte Kommunikation zwischen den Komponenten
### Was ist ein KIS nun in der Realität?
- Ein Krankenhausinformationssystem (KIS) ist heute eine Ansammlung von Programmen (Sub-Informationssystemen) zur Bearbeitung medizinischer und administrativer Daten im Krankenhaus.
- Ziel: Integration (Patientendaten-orientierte Abbildung aller Behandlungs- und Geschäftsprozesse im Krankenhaus im KIS)
- Praxis:
- Die Komplexität der Informationsverarbeitung im Krankenhaus und mit externen Einrichtungen ist so hoch, dass es praktisch kein monolithisches KIS gibt, dass alle Funktionsbereiche adäquat bzw. für die jeweilige Einrichtung bestmöglich abdeckt.
- alle Daten, die während stationärer Aufenthalte bei der Erfüllung der ärztlichen Aufgabenstellung erhoben bzw. erzeugt wurden bzw. im Wege der Übermittlung durch den Patienten gewonnen wurden, z.B. Arztbriefe, Operationsberichte, Befundunterlagen, Röntgenbilder, EKG, EEG usw. in elektronischer Form
- Merkmale:
- Selektiver Datenzugriff, virtuelle Sichten
- Elektron. Patientenakte / Krankenakte (EPA)
- Einrichtungsübergreifende EPA (eEPA)
- Elektron. Gesundkeitsakte (EGA)
- Informations-Lieferanten:
- Station / Ambulanz
- Klinik / Diagn. Informationssysteme
- Informations-Nutzer:
- Alle befugten Abteilungen
- Zentralarchiv
- EPA – Elektronische Patientenakte
- ist eine Sammlung medizinischer und medizinisch relevanter Informationen zu einem Patienten in einer Institution, die auf digitalen Datenträgern gespeichert sind.
- eEPA – einrichtungsübergreifende EPA
- ist eine Sammlung medizinischer und medizinisch relevanter Informationen zu einem Patienten, die institutionsübergreifend auf digitalen Datenträgern gespeichert sind und im Sinne von „Shared Care“ allen an der Behandlung Beteiligten zur Verfügung gestellt werden; Arztmoderiert
- Synonym: Virtuell, Sektorenübergreifend
- eGA – elektronische GesundheitsAkte:
- Ermöglicht Eingabe von Inhalten durch Patienten selbst (Wellness, Ernährung, Home Care); Patientenmoderiert
- Synonym: PHR – Personal Health Record
### Radiologie-Informationssystem (RIS / PACS)
- Inhalt / Funktion:
- RIS = IS zur Unterstützung des Workflows in der Radiologie
- Merkmale:
- Terminplanung
- Unterstützung radiologischer Untersuchungen (Röntgen, CT, MRT, ...) und ihrer Befundung
- Schnittstelle zu den bildgebenden Geräten und zum PACS (DICOM, DICOM MPPS)
- Dokumentation der Daten nach RöV
- Dokumentation durchgeführter Leistungen
- Informations-Lieferanten:
- Radiologe
- Informations-Nutzer:
- EPA
- Stationsarzt
- Leistungsabrechnung
### Bildarchivierung (PACS)
- Inhalt / Funktion:
- PACS = Picture Archiving and Communication System
- Zentralarchiv für Bild- und Signaldaten
- Merkmale:
- Anbindung an RIS, aber auch CIS, Strahlentherapie, Neurologie u.a.
- Medizinische Monitore (Schnittstelle zur Befundung durch Arzt)
- Informations-Lieferanten:
- RIS
- Informations-Nutzer:
- Alle befugten Abteilungen
### Kardiologie-Informationssystem (CIS)
- Inhalt / Funktion:
- IS zur Unterstützung des Workflows in der kardiolog. Klinik
- Merkmale:
- Terminplanung
- Unterstützung kardiologischer Untersuchungen (z.B.: Herzkatheter, EKG, ...) und ihrer Befundung
- Schnittstelle zu den Kardiologie-Geräten
- Dokumentation der Daten
- Dokumentation durchgeführter Leistungen
- Informations-Lieferanten:
- Kardiologe
- Informations-Nutzer:
- EPA
- Stationsarzt
- Leistungsabrechnung
### Labor-Informationssystem (LIS)
- Inhalt / Funktion:
- IS zur Unterstützung der automatisierten Laboranalytik / Mikrobiologie im Krankenhaus
