1、第一章,簡介與概論,參考書籍 李友專，簡明醫學資訊學，合記圖書出版社，2002 J.H. van Bemmel, Handbook of Medical Informatics, Springer-Verlag Heidelberg,1-1 簡介,人類在採取行動之前通常會先思考與推理，此原則不僅適用於日常生活，也適用於科學活動。 推理對病患照顧與醫學研究都非常重要。 推理思考則仰賴對向現實世界的觀察與專家所提供的知識，對病患照顧與醫學研究都非常重要。 電腦可以儲存資料與知識，這是電腦可以協助人類推理的原因。,1-1 簡介,資訊在解讀資料與決策訂定 (decision making) 上扮演關鍵
2、角色。 圖1.1顯示，藉由觀察病人或一些檢查，臨床醫師 可以取得資料。 經由解讀與推理這些資料，可以產生資訊，而這些資訊則是臨床醫師採取進一步行動的依據。,圖1.1,1-2 診斷治療循環,人類的大部分活動，都可以歸類為三個階段： 觀察（observation） 推理（ reasoning） 行動（ action） 這三個階段所扮演的角色，不僅見於日常生活，同時對病人照護處置與醫學研究也十分重要。,表1.1 人類活動三階斷,1-2 診斷治療循環,在健康照護的領域中，這三個階段又可以稱為診斷治療循環。 觀察（observation） 診斷（ diagnosis） 治療（ therapy） 病人敘述
3、他的病史，臨床醫師收集資料（包括理學檢查、實驗室檢查與影像檢查的結果），作出診斷，而後開立處方或提供其他治療。,圖1.2 診斷治療循環,1-2 診斷治療循環,醫療照護與科學研究不同之處： 科學研究主要解決一般性的問題，而醫療照護則對面對個體化的病人。 病人的問題通常無法完全依照一般性的原則來處理。 臨床醫師在治療病人時，應盡可能根據科學研究結果，但也必需留意每一個病人都可能有其獨特的問題。 在醫療執業中，前敘人類活動的三個步驟會週期性地循環執行。,1-2.1 觀察（Observation）,在觀察階段，首先要擷取資料，尤其是能夠提供相關資訊的資料，有了資訊就可減低生病原因的不確定性。 這種不確
4、定性的減低可以來自病史（病歷分析），或是從病人身上收集來的生化、生理數據；如理學檢查，血液分析，或生理訊號紀錄，如心電圖（ECG），呼吸功能檢查 （spirograms）。 醫學資訊學上一個重要的挑戰就是協助醫師解讀得自病人的資料。,1-2.1 觀察（Observation）,病人的資料經常得自不同的管道，它們通常具有互補性且可以加強彼此的可信度，適於協助醫師作出可信賴的診斷（如缺血性心臟病病人的病史，運動心電圖、冠狀動脈攝影與心臟超音波）。 有時候醫院提供了太多的資料，我們稱做資料的重複性（Redundancy）。 在診斷治療的循環中，醫師在每一個週期都是嘗試降低對疾病的不確定性，瞭解病人病
5、程的實際狀況。,1-2.1 觀察（Observation）,第一步驟通常是取得病人的病史，然後安排一些較低費用的檢查（如理學檢查或實驗室檢查），如有需要再進一步安排較昂貴或侵入性的檢查，如核磁共振掃描（MRI），或心導管檢查（Cardiac catheterization）。 使用各種不同的方法獲取病人資料並加以分析，可以讓臨床醫師對病人的病情有概略的認識。 醫學資訊學主要的目的是要讓臨床醫師取得必要的資料，提供決策支援的方法，如此能夠讓診斷治療的循環進行的更有效率，同時兼顧醫療品質與減少病人的不方便。,1-2.2 診斷（ Diagnosis）,臨床醫師下診斷前須經過思考的程序，這正是電腦可以
6、協助醫師診斷的關鍵。 不過這只限於可以結構化並同時具有客觀性的診斷流程；亦即這一部份需仰賴科學化，結構化的方法。 臨床醫師通常並不察覺有那些東西是他不知道的，電腦表列的資料對臨床醫師沒有察覺的部分可以產生提示作用 例如，電腦可以協助臨床醫師自文獻中找尋所需的資訊。,1-2.2 診斷（ Diagnosis）,臨床醫師對病人與其所下之診斷必須擔負責任，電腦永遠無法替代醫師在作出診斷時所擔負的責任。 下診斷過程中的客觀性、科學性部分，則可交由電腦代勞；個別性、特殊性的問題不能也不應給機器處理。 在作出診斷的過程中，永遠包含某種程度主觀的部分，這些部分無法一般化交給電腦處理。,1-2.3 治療（ Th
7、erapy）,治療階段所需的臨床知識與經驗不同於診斷階段。 治療通常是一實際之行動，它受決策的所影響大於理論。 治療通常取決於診斷的結果與決策分析（Decision analysis）所預測之預後(prognosis)結果。 治療的準備工作與監測可以利用電腦來協助 例如，投藥時，可利用電腦來計算用量，檢查可能發生的藥物交互作用（Drug-drug interaction）與給藥禁忌（Contraindication） 利用電腦監測（monitoring）重症病患或施行放射治療。,1-2.3 治療（ Therapy）,電腦可以用來分析得自眾多病人的資料以作出某些結論（圖1.1）。 這類分析見於流
8、行病學 （epidemiology） 、健康服務研究、決策分析、或醫學研究，並稱為資料挖掘（Data mining），此外電腦也用於評估不同治療方式的結果，例如對照試驗 （Controlled trials）。,1-3 資訊處理,1-3.1 支援人類思考,臨床醫師未必能全盤瞭解疾病的本質，以及疾病的發生原因。 臨床醫師通常基於知識、經驗，以及在健康照護領域下所建立的理論及模型來作出決策，雖然他们對於這些基礎可能並非完全瞭解。 如果沒有這些經由醫學研究產生的理論及模型，現代醫學根本就無法存在。,1-3.1 支援人類思考,在醫學資訊學的領域哩，我們嘗試制定規則、尋找定律或建構模型，使我們能夠更清楚
9、資訊處理的本質 這些模型是電腦可執行的，其目的為希望能用來做病人照護。 使用研究結果來衡量真實世界事件(如醫療)，必須了解該模型的可能性與限制。,1-3.2 在健康照護領域的發展,在醫療照護中引入電腦的同時，健康照護的花費成長也過快，超過社會所能接受的程度。 如圖1.3，西方世界的國家在健康照護上的支出已佔 6% 12% 的國民生產毛額（GDP）。 電腦被引入此一領域，以控制與穩定醫療支出的成長，其中有一項措施是藉由提供醫師與護士電腦設備來強化基層醫療的功能。,圖1.3,1-3.2 在健康照護領域的發展,以電腦為基礎的合作照護（ shared care ） 、病人資料的電子交換、專家遠距會診系
10、統、決策支援系統、新的協定（protocols）及計畫性醫療 （managed care）都有助於合作的進行。 這些結果都會改變臨床醫師的責任與各種健康照護提供者所扮演的角色，同時也改變了病人自身的責任。 如果病人自己有電腦的輔助，將能夠更適切地照顧自己。 電子病歷上的資料正逐漸被用於評估醫療照護的提供狀況與品質。,1-4 電腦應用之系統化分類,電腦在醫療照護的應用上分成六個層次（圖1.4 ）。 較低層次的應用，對人員參與的依賴性較低，而一般化（generalization）的程度較高。 較高層代表複雜性較高的電腦應用，因此較依賴人員參與。 第一層應用的主要功能是溝通（communicatio
11、n）與通訊（telematics）。 原則上，在這一層的時間是即時時間（real time）。,圖1.4,1-4 電腦應用之系統化分類,第二層，時間基本上是被凍結的。 在這一層的資料被貯存電腦的記憶體內，無法立即離開電腦，資料在這一層通常會保持原狀，不會被處理、轉換格式或解讀。 第三層，不僅時間被暫時凍結，資料也會因近一步處理而發生改變。 這個階層是進行自動化資料處理的階層。資料在這個階層處理完畢後可能被送至第二層貯存，也可能被送往第四層進行解讀。,1-4 電腦應用之系統化分類,第四層，人員的參與程度或人機互動遠大於較低的階層。 解讀後的資料會被送至第五階層以協助治療或療程控制。 第六階層，人
12、員參與程度最深，在這個階層經由研發會產生新的發現，而這些新發現又會被較低階層所應用 在這六層結構中的底下兩層負責的診斷治療循環中的第二階段醫-即作出診斷。 第五階層則處理第三時期治療。,第一階層：溝通與通訊（Communication and Telematics）,最佳的結構化應用通常是使用電腦來作資料擷取（data acquisition）與資料傳輸。 這通常包含資料的編碼(coding) / 解碼(decoding)程序，將資料轉換為標準格式或加密。 電腦在資料的傳輸與溝通上，扮演越來越吃重的角色，這類程序被稱做遠距資訊（Telematics）。 資料在被傳輸前，會貯存於暫存性的媒體上。
13、,第一階層：溝通與通訊（Communication and Telematics）,實例 加護病房電腦螢幕上心電圖、血壓等生理訊號的顯示。這類資料利用電極（electrodes）或傳導器（transducers）從病人身上擷取信號並放大，經數位化（digitized）後輸入電腦，再從終端機、雷射印表機或繪圖機輸出結果。 醫院內，經由區域網路（local area networks），將生化分析資料從檢驗部門傳至臨床部門，或將臨床醫師的處方箋傳至藥局。,第一階層：溝通與通訊（Communication and Telematics）,在一個區域醫療網，病人電子病歷之交換，或基層醫師與醫院間轉診單
14、、出院病歷摘要的電子傳送。 從偏遠地區醫院將X光影像傳至大學醫院作遠距會診；或將心電圖（ECG）從遠方傳至醫院之心臟科，並以電腦解讀。 使用網際網路將資料從甲地傳至到乙地。 在這個階層的系統發展上，我們較不會遇到基本的技術問題（除了資料的傳輸速度之外），或因資訊科技而受到限制，主要的困難是來自健康照護領域的問題本質。,第二階層 ：資料的貯存與搜尋 （Storage and Retrieval ）,醫學資料庫的容量正快速成長，醫院中的醫院資訊系統，容量幾乎都會超過 100 gigabytes有時甚至會達到一個terabyte，其中的病人資料還不斷在更新（表1.1）。 有些醫院中的資料庫包含超過1
15、00萬個病人資料。 醫療影像貯存需要巨大的空間，而目前已有貯存媒體可以貯存上4張醫療影像（需經過壓縮）。 目前已有標準規範自然影像如何從甲地傳送至乙地。,表1.1各式醫學影像之記憶容量,Nuclear Medical (NM) Magnetic Resonance Imaging (MRI) Ultrasound (US) Digital subt. Angiography (DSA) Digitized Electronic Microscopy Digitized Color Microscopy Computed Tomography (CT) Computed Radiography
16、(CR) Direct Radiography (DR) Digitized X-Rays Digital Mammography,128 X 128 X 12 256 X 256 X 12 512 X 512 X 8(24) 512 X 512 X 8 512 X 512 X 8 512 X 512 X 24 512 X 512 X 12 2048 X 2048 X 12 2048 X 2048 X 12 2048 X 2048 X 12 4000 X 5000 X 12,30-60 60 20-230 15-40 1 1 40 2 2 2 4,1-2 8 5-60 4-10 0.26 0.
17、79 20 16 16 16 160,Modality,Row X Col X bits,# of images / Exams,M byte / Exams,第二階層 ：資料的貯存與搜尋 （Storage and Retrieval ）,應用範例 醫院、臨床部門或基層醫療貯存病人資料，以統計為目的之資料庫。後勤部門（ancillary departments）的資料庫則可以協助醫院內衛材、藥品存庫之管控。,第二階層 ：資料的貯存與搜尋 （Storage and Retrieval ）,有些機構提供資料庫或系統給醫謢人員使用。這些資料可以提供病人照護或研究的相關知識。例如美國國家醫學圖書館（N
18、LM）提供之MEDLINE、藥物資訊之國家資料庫、貯存診斷碼之國際性資料庫如國際疾病分類碼（International Classification of Diseases-ICD）或SNOMED（Systematized Nomenclature of Human and Veterinary Medicine）。,第二階層 ：資料的貯存與搜尋 （Storage and Retrieval ）,越來越多醫療影像系統以數位化形式(DICOM)傳遞影像，而電腦記憶體的容量不斷增加，價格不斷下降，這些趨勢使醫療影像系統(PACS)逐漸平民化，而廣受放射部門所採用。 很多國家中，國家型資料庫被應用為
19、管理或規劃衛生政策；或用來監控醫療品質，評估上市藥品的狀況。 這個層次的電腦應用與工業、銀行、貿易或交通並無本質上的不同。,第二階層 ：資料的貯存與搜尋 （Storage and Retrieval ）,社會上的各個領域都用資料庫管理系統或標準來編碼、壓縮、貯存資料、訊號與影像。 健康照護在這一方面並無例外，主要的不同在於醫療資料的多樣性，與這些資料有著廣泛的使用者。 在這個層次的應用，較複雜的是資料間的交互關聯，以及貯存這些資料的目的之繁雜與多樣性，這是建構資料庫時要考量的重點。,第三階層 ：資料處理與自動化 （Processing and Automation ）,這個階層是較具智慧性的應
20、用，如實驗室中訊號的擷取與處理，要設計此一階層的系統，需要大量的醫學相關知識。 應用實例 大部分實驗室中血液或尿液的檢查都是高度的自動化。分析儀器大多與電腦直接連線，分析結果（資料）可以直接被電腦擷取，並進一步加以處理，例如品管分析或報告產生。,第三階層 ：資料處理與自動化 （Processing and Automation ）,應用實例 手術房或加護病房內具診斷功能分析之訊號處理。例如量取運動心電圖上之ST波過低（ST depression）或腦波之頻譜分析（electroenceph-alogram）。通常檢測儀器與處理資料的電腦之間有緊密的結合。 利用電腦來作放射治療的計畫擬定與劑量計
21、算，是本階層電腦應用的另一個實例。放射腫瘤科的醫師是最後決策的決定者，本階層電腦應用，是為上面的兩階層預作準備。,第三階層 ：資料處理與自動化 （Processing and Automation ）,醫療影像是本階層的另一重要應用，如電腦斷層掃描（computer tomography, CT）、核磁共振掃描（magnetic resonance images, MRI）、正子攝影（positron emission tomography, PET）、核子醫學（nuclear medicine, NM）、超音波（ultrasound, US），沒有電腦的強大運算能力，這些造影技術幾乎不可能存
22、在。 在這個階層，電腦科技、數學、物理與生物學的複雜性都遠大於第一、二階層。 必需對於人體器官或系統的生理學與病理學有徹底瞭解才能針對問題提出解決方案。,第四階層 ：診斷與決策 （Diagnosis and Decision Making）,視覺影像與狀況的辨識，是作出決策或採取行動的先決條件。 不管是人腦或電腦，辨識都需要足夠的知識與經驗，而且資料本身要正確、完整、不模糊，在這方面的最大挑戰是如何將醫學知識標準化以支援決策。 在這個階層使用的方法與圖形辨識（pattern recognition）及推理 (reasoning) 技術有關。,第四階層 ：診斷與決策 （Diagnosis and
23、 Decision Making）,實例 心電圖的自動判讀、診斷：心電圖的自動判讀是利用電腦作決策支援最成功的實例之，它可以完全自動進行，不需人員操作。不過診治醫師仍需負最後的責任，他們必需在電腦判讀結果上簽字，表示同意該項結果。 有很多決策支援系統（decision-support systems）被發展來協助臨床醫師作出正確診斷。有一個早期發展的系統被用來做腹痛的鑑別診斷。臨床醫師輸入病人的徵候（signs）與症狀（symptoms），電腦根據機率函數列出可能的疾病，供臨床醫師選擇。,第四階層 ：診斷與決策 （Diagnosis and Decision Making）,在這個階層，使用電
24、腦會遭遇到無可避免的困難。因為是這個階層的工作大多為典型的人類行為，例如對病患做出診斷。 如果我們要使用電腦來進行這些工作，一定要先訂出統一的決策標準與模型。 在圖形辨識、影像處理、決策支援系統上，完全自動化系統所能扮演的角色有限。 通常我們看到的系統是協助診斷，而非完全獨立操作。 此階層的系統是與診斷治療循環中的診斷有關。,第五階層 ：治療與控制 （Treatment Control ）,在這個階層裡，只有少數應用對病患照顧有直接影響。 不管是注射藥物或進行手術，基本上仍是仰賴人員操作的行為。 例子： 重症病患的體液平衡（fluid balance）需仔細監測。研究者發展出可以根據體液進出狀
25、況來自動調整輸液的電腦演算法則（algorithms）。自動迴饋系統也被應用於抗凝血劑治療或施打胰島素。根據藥物動力（pharmacokinetic）發展出來的藥物施打法則應會更為完美。,第五階層 ：治療與控制 （Treatment Control ）,在放射治療（radiotheraphy）中，儀器通常根據在第三階層所得的計算結果，利用電腦自動調節、校正。 藥物處方可與電子病歷及決策支援系統結合，以監測可能的藥物交互作用（drug-drug-interaction）或禁忌（contraindications）。對高血壓、糖尿病等慢性疾病有些成功應用的例子。 電子病歷（computer-bas
26、ed patient records）中的資料，亦可應用於決策支援。例如，有些系統可以整合電子病歷的資料，對臨床醫師的治療方針提出評論。這種系統稱為評論系統（Critiquing system）。,第五階層 ：治療與控制 （Treatment Control ）,當心臟節律器（pacemaker）晶片上的小電腦，偵測出無心跳或心律不整時，它會開始激發病人心跳。 因為治療與控制的流程相當複雜，因此在本階需要很多人為的參與，本階層與診斷治療循環中的第三階段治療有關。 只有可以一般化、結構化的流程，如一些純粹物理性或生化性的流程，才有可能採用自動迴饋機制。,第六階層 ：研究與發展 （Research
27、 and Development）,人類最具創造性的工作-科學研究 研究各種流程、作出一般化的描述、發展並評估模型與運算法則、以及發展處理系統等，這些都是醫學資訊學研究的目標。 醫學資訊學是實驗科學（使用數學、物理學等工具）也是應用科學（使用資訊學工具）。 如果不能定義出模型，就無法設計電腦程式。 這些模型包括醫學資料的電子交換（第一階層），醫療影像的3D呈現（3-D reconstruction，第三階層），心電圖之自動判讀或腹痛之鑑別診斷（第四階層）以及治療方針之評論系統（第五階層）,第六階層 ：研究與發展 （Research and Development）,實例 發展與驗證（valid
28、ation）電子病歷及病患資料共享的各種不同模型。 利用電腦分析流行病學調查所得到的各種資料，例如使用資料庫管理系統（database management systems）、統計學方法、試算表（spreadsheet）、及圖形表示來做比較。 心臟肌肉去極化（depolarization）之電腦模型。這類模型可以增進我們對心臟功能的瞭解，也是改進心電圖解讀的基礎。,第六階層 ：研究與發展 （Research and Development）,循環之神經性或內分泌控制系統模型。這類模型使我們可以研究不同系統的控制機制與交互作用。電腦模型可以驗證我們的假說，並為活體實驗預作準備。 利用已知的病患資料，來發展或評估有關訊號，例如：影像之圖形辨識(pattern recognition)模型。 利用虛擬實境（virtual reality）來訓練或協助醫師從事低侵入性手術。,第六階層 ：研究與發展 （Research and Development）,特別在這個階層，我們要牢記，模型只是真實世界的縮影，它只有在我們事先定義的範圍內，才是有效的。 這個階層所產生的系統，在應用到較低階層之前，應徹底評估它的限制與可能性並且詳細紀錄，它絕對不能應用到事先定義的領域之外。,
