Einführung in die Medizinische Informatik - Exam

Aufgabe 1)

Kontext: Die Medizinische Informatik befasst sich mit der Anwendung von Informatikprinzipien und -techniken im Gesundheitswesen zur Verbesserung der Forschung, Diagnose, Therapie und des medizinischen Managements. Dies beinhaltet die Integration von Informationstechnologie in alle Bereiche der Medizin, die Optimierung von Datenverarbeitungssystemen für medizinische Anwendungen, die Unterstützung von Diagnostik und Therapie durch moderne Technologien, die Datenverwaltung und den Datenschutz im Gesundheitswesen, die Förderung der wissenschaftlichen Forschung und klinischen Studien, die Entwicklung von elektronischen Patientenakten (EPA), die Verbesserung der Kommunikation zwischen medizinischem Personal und die Entwicklung von Softwaresystemen zur Patientendatenanalyse.

a)

Beschreibe die Hauptziele der medizinischen Informatik. Welche spezifischen Techniken oder Systeme werden eingesetzt, um diese Ziele zu erreichen? Gehe auf mindestens drei Bereiche ein.

Lösung:

Hauptziele der medizinischen Informatik

Die medizinische Informatik verfolgt mehrere Hauptziele, die im Gesundheitswesen wesentliche Verbesserungen bewirken sollen. Hier sind die wichtigsten Ziele zusammen mit spezifischen Techniken und Systemen, die genutzt werden, um diese Ziele zu erreichen:

• Verbesserung der PatientenversorgungDurch den Einsatz von elektronischen Patientenakten (EPA) können Ärzte schnell und effizient auf die medizinische Geschichte eines Patienten zugreifen. Dies führt zu einer verbesserten Diagnose und Behandlung, da alle relevanten Informationen sofort verfügbar sind. Außerdem ermöglichen Telemedizin-Plattformen die Fernüberwachung und Diagnose, insbesondere für Patienten in abgelegenen Gebieten.
• Effizienzsteigerung im GesundheitswesenMedizinische Informatiksysteme optimieren die Datenverarbeitung und -verwaltung im Gesundheitswesen. Krankenhausinformationssysteme (KIS) unterstützen die Verwaltung von Patientendaten, Terminplanung und Abrechnung. Diese Systeme reduzieren administrative Arbeit und minimieren Fehler, was zu einer höheren Effizienz und Kosteneinsparungen führt.
• Förderung der wissenschaftlichen ForschungDurch die Integration von großen Datenbanken und fortschrittlichen Analysetools kann die medizinische Forschung erheblich beschleunigt werden. Bioinformatik-Systeme analysieren genetische Daten und helfen bei der Entdeckung neuer Therapien. Zudem unterstützen Systeme für klinische Studien die Planung und Durchführung von Forschungsprojekten, indem sie Datenmanagement und Compliance sicherstellen.

b)

Eine Kernaufgabe der medizinischen Informatik ist die Entwicklung von elektronischen Patientenakten (EPA). Erläutere detailliert, wie eine EPA die Kommunikation zwischen medizinischem Personal verbessern kann und welche Sicherheitsmaßnahmen implementiert werden müssen, um den Datenschutz zu gewährleisten.

Lösung:

Entwicklung von elektronischen Patientenakten (EPA)

Verbesserung der Kommunikation zwischen medizinischem Personal

Eine elektronische Patientenakte (EPA) bietet zahlreiche Vorteile, insbesondere bei der Verbesserung der Kommunikation zwischen verschiedenen Akteuren im Gesundheitswesen. Hier sind einige wesentliche Punkte:

• Zugänglichkeit und Verfügbarkeit: Ärzte, Pfleger und andere medizinische Fachkräfte können jederzeit und von überall auf die relevanten Patientendaten zugreifen. Dies erleichtert die Zusammenarbeit, insbesondere in Notfällen, in denen schnelles Handeln gefragt ist.
• Echtzeit-Updates: Alle an der Behandlung beteiligten Fachkräfte können die Akte gleichzeitig einsehen und relevante Informationen in Echtzeit aktualisieren. Dies verhindert Informationsverlust und sorgt dafür, dass alle über den aktuellen Stand der Behandlung informiert sind.
• Interdisziplinäre Zusammenarbeit: Verschiedene Spezialisten können einfacher miteinander kommunizieren und Behandlungsvorschläge koordinieren, da die gesamte medizinische Geschichte eines Patienten umfassend und übersichtlich dargestellt ist. Dies fördert eine ganzheitliche und effiziente Patientenversorgung.
• Reduzierung administrativer Hürden: Elektronische Patientenakten reduzieren den Papierkram und die Notwendigkeit physischer Dokumente, wodurch der Informationsfluss beschleunigt und administrative Aufgaben vereinfacht werden.

Datenschutzmaßnahmen für elektronische Patientenakten

Datenschutz und Datensicherheit sind bei der Nutzung von elektronischen Patientenakten von höchster Wichtigkeit. Hier sind einige wichtige Sicherheitsmaßnahmen, die implementiert werden müssen:

• Verschlüsselung: Daten sollten sowohl im Ruhezustand als auch bei der Übertragung verschlüsselt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass nur autorisierte Personen Zugang zu sensiblen Informationen haben.
• Authentifizierung und Autorisierung: Strikte Zugangskontrollen müssen eingeführt werden, um sicherzustellen, dass nur berechtigtes Personal Zugang zu den Patientenakten hat. Dies kann durch mehrstufige Authentifizierungsverfahren wie biometrische Authentifizierung, Token oder Smartcards erreicht werden.
• Protokollierung und Überwachung: Alle Zugriffe und Änderungen an den Patientenakten sollten protokolliert und regelmäßig überwacht werden, um unberechtigte Zugriffe und mögliche Sicherheitsverletzungen frühzeitig zu erkennen.
• Datensicherung: Regelmäßige Backups der Daten sollten erstellt und sicher gespeichert werden, um Datenverluste durch Hardware-Fehler, menschliches Versagen oder Cyberangriffe zu verhindern.
• Schulung des Personals: Alle Mitarbeiter sollten regelmäßig über Datenschutz- und Sicherheitsrichtlinien geschult werden, um ein Verantwortungsbewusstsein und ein hohes Sicherheitsbewusstsein zu gewährleisten.

Aufgabe 2)

Kliniken und Krankenhäuser setzen zunehmend auf elektronische Gesundheitsakten (EHR-Systeme), um die Effizienz und Qualität der Patientenversorgung zu verbessern. Du bist als IT-Spezialist in einem Krankenhaus angestellt und wirst gebeten, die Einführung eines neuen EHR-Systems zu unterstützen. Das System muss verschiedene Anforderungen erfüllen, unter anderem die Speicherung von Patientendaten wie Medikationshistorie, Laborergebnisse und Bildgebung. Es muss darüber hinaus HL7 und FHIR-Standards für den Datenaustausch unterstützen und über rollenbasierte Zugriffskontrollmechanismen (RBAC) verfügen. Ebenso ist es wichtig, dass die Benutzeroberfläche intuitiv und benutzerfreundlich gestaltet ist, um klinische Arbeitsabläufe zu unterstützen. Schließlich muss das System auch Schnittstellen zu externen Systemen wie PACS und LIS bieten und effiziente Sicherheitsmaßnahmen wie Verschlüsselung und Authentifizierung implementieren.

a)

• Teilaufgabe 1: Erläutere die grundlegenden Unterschiede zwischen den Interoperabilitätsstandards HL7 und FHIR. Wie tragen diese Standards zur Integration von EHR-Systemen bei?

Lösung:

• HL7 (Health Level Seven):HL7 ist ein Standard, der sich auf den Austausch, die Integration, die gemeinsame Nutzung und die Wiederherstellung von elektronischen Gesundheitsinformationen konzentriert. Er wurde entwickelt, um den Informationsaustausch in der Gesundheitsversorgung zu standardisieren und zu erleichtern. Einige Kernmerkmale von HL7 sind:
  • Nachrichtenbasiert: Daten werden in Form von Nachrichten übertragen, wobei jede Nachricht einen spezifischen Datensatz repräsentiert, z.B. eine Patientenaufnahme oder ein Laborergebnis.
  • Versionen: Es gibt verschiedene Versionen von HL7 (z.B. HL7 v2.x, HL7 v3), wobei die älteren Versionen (v2.x) noch immer weit verbreitet sind.
  • Komplexität: HL7 v3 ist komplexer und umfassender als HL7 v2.x und verwendet XML für die Datenrepräsentation.
• FHIR (Fast Healthcare Interoperable Resources):FHIR ist ein neuerer Standard, der von HL7 International entwickelt wurde, um die Interoperabilität im Gesundheitswesen zu verbessern. FHIR kombiniert die besten Eigenschaften früherer HL7-Standards mit modernen Web-Technologien. Zu den Besonderheiten von FHIR gehören:
  • Ressourcenbasiert: Daten werden als 'Ressourcen' organisiert, die spezifische Gesundheitskonzepte wie Patienten, Beobachtungen und Medikationen darstellen.
  • RESTful API: FHIR verwendet RESTful APIs, was bedeutet, dass es HTTP-basierte Methoden (GET, POST, PUT, DELETE) für den Zugang und die Manipulation von Ressourcen nutzt.
  • Flexibilität und Erweiterbarkeit: FHIR ist flexibel und leicht erweiterbar, wodurch es einfacher wird, an spezifische Anforderungen angepasst zu werden.
  • Interoperabilität: FHIR zielt darauf ab, die Interoperabilität durch standardisierte Datenstrukturen und -formate zu verbessern und ist sowohl menschen- als auch maschinenlesbar.
• Integration von EHR-Systemen durch HL7 und FHIR:Beide Standards spielen eine entscheidende Rolle bei der Integration von EHR-Systemen:
  • HL7 ermöglicht den Austausch von Informationen zwischen unterschiedlichen Systemen und Institutionen, wodurch die Kontinuität der Patientenversorgung verbessert wird.
  • FHIR bietet eine moderne, webbasierte Methode zur Integration und erleichtert die Entwicklung und Implementierung von interoperablen Gesundheitsanwendungen und -systemen.
  • Durch die Unterstützung dieser Standards können EHR-Systeme effizienter miteinander kommunizieren, Daten austauschen und sicherstellen, dass relevante Gesundheitsinformationen jederzeit zugänglich sind.

b)

• Teilaufgabe 2: Erkläre das Prinzip der rollenbasierten Zugriffskontrolle (RBAC) und beschreibe, wie dieses Prinzip in einem EHR-System umgesetzt werden könnte. Gehe dabei auf mindestens drei verschiedene Rollen innerhalb eines Krankenhauses ein.

Lösung:

• Prinzip der rollenbasierten Zugriffskontrolle (RBAC):Die rollenbasierte Zugriffskontrolle (RBAC) ist ein Sicherheitsmodell, bei dem der Zugriff auf Systemressourcen basierend auf den Rollen der Benutzer innerhalb einer Organisation kontrolliert wird. Jede Rolle hat eine bestimmte Menge an Berechtigungen und Verantwortlichkeiten. Benutzer werden diesen Rollen zugewiesen, um sicherzustellen, dass sie nur auf die Informationen und Funktionen zugreifen können, die sie für ihre Aufgaben benötigen. Zentrale Punkte von RBAC sind:
  • Rollen: Definition von Rollen basierend auf den Aufgaben und Verantwortlichkeiten innerhalb der Organisation.
  • Berechtigungen: Zuweisung spezifischer Berechtigungen zu jeder Rolle.
  • Benutzerzuweisung: Zuweisung von Benutzern zu den definierten Rollen basierend auf ihrer Position und ihren Aufgaben.
• Umsetzung von RBAC in einem EHR-System:In einem EHR-System könnte RBAC wie folgt umgesetzt werden, um sicherzustellen, dass verschiedene Benutzergruppen nur die für sie relevanten Daten und Funktionen sehen und nutzen können:
  • Arzt:Ein Arzt benötigt umfassenden Zugriff auf die medizinischen Informationen der Patienten, um Diagnosen zu stellen und Behandlungspläne zu erstellen. Typische Berechtigungen könnten sein:
    • Zugriff auf und Bearbeitung von Patientendaten (Medikationshistorie, Laborergebnisse, Bildgebung).
    • Anordnen und Ansehen von Diagnosetests und Behandlungsvorschlägen.
    • Erstellung und Aktualisierung von medizinischen Berichten und Notizen.
  • Pflegekraft:Pflegekräfte benötigen Zugriff auf relevante Patientendaten, um Pflegepläne durchzuführen und die Patientenversorgung zu dokumentieren. Typische Berechtigungen könnten sein:
    • Zugriff auf Patientendaten zur Pflege (Medikationspläne, Vitalzeichen, Pflegeprotokolle).
    • Dokumentation von Pflegehandlungen und Patientenbeobachtungen.
    • Kommunikation mit Ärzten über den Zustand der Patienten.
  • Verwaltungsmitarbeiter:Verwaltungsmitarbeiter benötigen in der Regel Zugriff auf administrative Daten der Patienten für die Abrechnung und Terminplanung. Ihre Berechtigungen könnten eingeschränkt sein, um den Datenschutz zu gewährleisten. Typische Berechtigungen könnten sein:
    • Zugriff auf demografische und Versicherungsinformationen der Patienten.
    • Terminverwaltung und -planung.
    • Abrechnungs- und Versicherungsdokumentation.

c)

• Teilaufgabe 3: Diskutiere die sicherheitstechnischen Herausforderungen bei der Implementierung eines EHR-Systems. Gehe dabei insbesondere auf die Verschlüsselung von Patientendaten und Authentifizierungsmechanismen ein. Berechne zudem, wie viel Speicherplatz benötigt wird, wenn 10.000 Patientenakten à 50 MB pro Akte verschlüsselt gespeichert werden müssen.

Lösung:

• Sicherheitstechnische Herausforderungen bei der Implementierung eines EHR-Systems:Die Implementierung eines EHR-Systems bringt mehrere sicherheitstechnische Herausforderungen mit sich, die besonders in einem Krankenhausumfeld kritisch sind:
• Verschlüsselung von Patientendaten:Die Verschlüsselung ist ein wesentliches Sicherheitsmerkmal, um den unbefugten Zugriff auf Patientendaten zu verhindern. Es gibt zwei Hauptarten der Verschlüsselung: Datenverschlüsselung im Ruhezustand (data-at-rest) und Datenverschlüsselung während der Übertragung (data-in-transit).
  • Datenverschlüsselung im Ruhezustand: Diese schützt Daten, die auf Festplatten oder in Datenbanken gespeichert sind. Hier können AES (Advanced Encryption Standard) mit 256-Bit-Schlüssel verwendet werden, um hohe Sicherheit zu gewährleisten.
  • Datenverschlüsselung während der Übertragung: Diese schützt Daten, die zwischen Systemen und Nutzern transferiert werden, und wird oft durch Protokolle wie TLS (Transport Layer Security) implementiert.
  • Herausforderungen:
  • Verwaltung von Verschlüsselungsschlüsseln: Sichere Aufbewahrung und Verwaltung der Schlüssel sind entscheidend, um die Integrität der verschlüsselten Daten zu gewährleisten.
  • Performance: Die Verschlüsselung und Entschlüsselung können erhebliche Rechenressourcen beanspruchen, was die Systemleistung beeinträchtigen könnte.
• Authentifizierungsmechanismen:Starke Authentifizierungsmethoden sind erforderlich, um sicherzustellen, dass nur autorisierte Benutzer auf das EHR-System zugreifen können. Einige gängige Methoden sind:
• Benutzername und Passwort: Dies ist die einfachste Methode, reicht aber oft nicht aus, um die nötige Sicherheit zu gewährleisten.
• Mehrfaktor-Authentifizierung (MFA): Hier werden mehrere Faktoren verwendet, z.B. etwas, das der Benutzer kennt (Passwort), etwas, das der Benutzer hat (Token oder Smartphone), und etwas, das der Benutzer ist (biometrische Daten).
• Biometrische Authentifizierung: Nutzung von Fingerabdrücken, Gesichtserkennung oder Iris-Scans zur Verifizierung der Identität.
• Herausforderungen:
• Benutzerfreundlichkeit: Sicherheitsmechanismen dürfen die Benutzerfreundlichkeit nicht beeinträchtigen, da dies die Akzeptanz negativ beeinflussen könnte.
• Sicherheit gegen Angriffe: Systeme müssen gegen verschiedene Arten von Angriffen wie Phishing, Brute-Force und Man-in-the-Middle geschützt sein.
• Speicherplatzberechnung:Angenommen, jede Patientenakte benötigt 50 MB und es gibt 10.000 Patientenakten, dann berechnet sich der benötigte Speicherplatz wie folgt:
  • Größe pro Akte: 50 MB
  • Anzahl der Akten: 10.000
  • Gesamtgröße: 50 MB * 10.000 = 500.000 MB (das entspricht 500 GB)
  • Die Verschlüsselung selbst könnte eine zusätzliche Speicheranforderung generieren, aber für die einfachere Berechnung nehmen wir an, dass die Verschlüsselungsdaten innerhalb derselben Speichermenge verwaltet werden können.
  Die insgesamt benötigte Speicherplatz beträgt 500 GB für 10.000 Patientenakten, jeweils 50 MB groß, wenn sie verschlüsselt gespeichert werden.

d)

• Teilaufgabe 4: Skizziere ein Diagramm, das die Integration eines EHR-Systems mit externen Systemen wie PACS und LIS darstellt. Erläutere die Rolle und Funktionsweise der Schnittstellen in diesem Kontext.

Lösung:

Skizze eines Diagramms zur Integration eines EHR-Systems mit externen Systemen wie PACS und LIS:

• Erklärung des Diagramms:Das Diagramm stellt die Integration eines EHR-Systems (Electronic Health Record) mit externen Systemen wie PACS (Picture Archiving and Communication System) und LIS (Laboratory Information System) dar. Folgende Komponenten werden dargestellt:
  • EHR-System: Das zentrale System, das Patientendaten wie Medikationshistorie, Laborergebnisse und Bildgebung speichert.
  • PACS: Speichert und verwaltet medizinische Bilder (z.B. Röntgen-, CT- oder MRT-Bilder) und ermöglicht deren Abruf und Anzeige im EHR-System.
  • LIS: Verarbeitet und verwaltet Laborergebnisse, die im EHR-System verfügbar gemacht werden.
  • FHIR/HL7 Schnittstellen: Diese Schnittstellen ermöglichen den standardisierten Austausch von Daten zwischen dem EHR-System und den externen Systemen (PACS und LIS).
• Rolle und Funktionsweise der Schnittstellen:Die Schnittstellen spielen eine zentrale Rolle in der Integration und dem Datenaustausch zwischen den Systemen:
  • HL7 (Health Level Seven): Ein älterer Standard für den Austausch von klinischen und administrativen Daten. Nachrichten werden in einem spezifischen Format ausgetauscht, um die Interoperabilität zu gewährleisten.
  • FHIR (Fast Healthcare Interoperability Resources): Ein moderner Standard, der auf Ressourcen basiert und HTTP-basierten RESTful-APIs verwendet, um den Datenaustausch zu ermöglichen. FHIR ist flexibel und gut an die Bedürfnisse moderner Gesundheitsanwendungen anpassbar.
  • Schnittstelle zwischen EHR und PACS: Über die Schnittstelle können medizinische Bilder aus dem PACS abgerufen und im EHR-System angezeigt werden. Ärzte und Pflegepersonal können so schnell und effizient auf Bilddaten zugreifen, ohne das System wechseln zu müssen.
  • Schnittstelle zwischen EHR und LIS: Laborergebnisse werden über die Schnittstelle vom LIS ins EHR-System übertragen. Dies ermöglicht eine zentrale Ansicht und Verwaltung der Gesundheitsdaten eines Patienten, was die Entscheidungsfindung und die Patientenversorgung verbessert.

Aufgabe 3)

In einem Krankenhaus ist es wichtig, dass das Krankenhausinformationssystem (KIS) effizient arbeitet, um die Dokumentation und Verarbeitung von Patientendaten sicherzustellen. Überlege mögliche Architekturen und Komponenten eines KIS und beantworte die folgenden Fragen.

a)

Beschreibe die Mehrschichtarchitektur eines KIS und erkläre die Aufgaben jeder Ebene. Erläutere auch, warum eine Mehrschichtarchitektur vorteilhaft ist im Vergleich zu einer einstufigen Architektur.

Lösung:

Mehrschichtarchitektur eines Krankenhausinformationssystems (KIS)

Eine Mehrschichtarchitektur unterteilt das System in mehrere, voneinander getrennte Ebenen oder Schichten, die jeweils spezifische Aufgaben erfüllen. Diese Struktur kann in drei Hauptschichten unterteilt werden:

• Präsentationsschicht (Presentation Layer):Diese Ebene ist für die Benutzeroberfläche (UI) des Systems verantwortlich. Sie umfasst alles, was der Benutzer sieht und womit er interagiert, wie beispielsweise Webseiten, Formulare und grafische Benutzeroberflächen. Die Präsentationsschicht ist darauf ausgelegt, Benutzereingaben zu erfassen und Informationen in einer übersichtlichen und verständlichen Weise anzuzeigen.
• Logik- oder Anwendungsschicht (Business Logic Layer):Diese Schicht enthält die Geschäftslogik des Systems. Hier werden die Regeln und Prozesse definiert, die die Datenverarbeitung steuern. Die Anwendungsschicht nimmt Eingaben von der Präsentationsschicht entgegen, verarbeitet sie gemäß den definierten Geschäftsregeln und sendet die Ergebnisse zurück an die Präsentationsschicht. Typische Aufgaben dieser Ebene sind Datentransformationen, Berechnungen und Entscheidungen.
• Datenzugriffsschicht (Data Access Layer):Diese Ebene ist zuständig für die Kommunikation mit den Datenbanken und Speichersystemen. Hier werden Daten abgefragt, gespeichert, aktualisiert und gelöscht. Die Datenzugriffsschicht stellt sicher, dass die Daten konsistent und sicher gespeichert werden, und bietet eine Schnittstelle zur physischen Datenhaltung.

Vorteile einer Mehrschichtarchitektur

• Modularität: Jede Schicht kann unabhängig entwickelt, getestet und gewartet werden. Das macht das System flexibler und erleichtert die Fehlerbehebung.
• Wiederverwendbarkeit: Komponenten einzelner Schichten können in verschiedenen Projekten wiederverwendet werden, was Entwicklungszeit und -kosten spart.
• Skalierbarkeit: Schichten können horizontal skaliert werden, indem beispielsweise mehrere Server zur Verarbeitung von Geschäftslogik oder zur Handhabung des Datenzugriffs bereitgestellt werden.
• Sicherheit: Durch die Trennung der Schichten können sicherheitskritische Funktionen isoliert und geschützt werden. Beispielsweise kann die Datenzugriffsschicht vor direkten Zugriffen durch Benutzer abgeschirmt werden.
• Wartbarkeit: Änderungen an einer Schicht können vorgenommen werden, ohne dass die anderen Schichten davon betroffen sind, was die Wartung und Weiterentwicklung des Systems vereinfacht.

b)

Ein Krankenhaus möchte sicherstellen, dass seine Patientendaten über verschiedene Systeme hinweg zugänglich und austauschbar sind. Erkläre, wie Interoperabilitätsstandards wie HL7 und FHIR dabei helfen können. Ziehe zur Verdeutlichung ein konkretes Beispiel aus der Praxis heran, z.B. die Integration eines Laborinformationssystems (LIS) und die elektronische Patientenakte (EPA).

Lösung:

Interoperabilitätsstandards in Krankenhausinformationssystemen (KIS)

Um die nahtlose Integration und den Austausch von Patientendaten zwischen verschiedenen Systemen zu ermöglichen, sind Interoperabilitätsstandards wie HL7 und FHIR von entscheidender Bedeutung. Diese Standards sorgen dafür, dass verschiedene Systeme und Anwendungen miteinander kommunizieren und Daten auf eine konsistente Weise austauschen können.

HL7 (Health Level Seven)

• Beschreibung: HL7 ist ein weit verbreiteter Standard für den Austausch, die Integration und die gemeinsame Nutzung elektronischer Gesundheitsinformationen. Er definiert eine Reihe von Nachrichtenformaten und Protokollen zur Übertragung klinischer und administrativer Daten zwischen Gesundheitsdiensten.
• Beispiel: Ein Laborinformationssystem (LIS) sendet die Ergebnisse von Bluttests an das Krankenhausinformationssystem (KIS) unter Verwendung des HL7-Standards. Die Nachricht enthält alle relevanten Informationen über den Bluttest, einschließlich der Patientendaten, der Testdetails und der Ergebnisse.

FHIR (Fast Healthcare Interoperability Resources)

• Beschreibung: FHIR ist ein neuerer Standard, der von HL7 entwickelt wurde. FHIR nutzt moderne Web-Technologien wie RESTful APIs, JSON und XML, um den Austausch von Gesundheitsdaten zu erleichtern. FHIR stellt eine flexible und erweiterbare Methode zur Verfügung, um medizinische Daten darzustellen und zu übertragen.
• Beispiel: Ein elektronisches Patientenaktensystem (EPA) soll Daten von verschiedenen Quellen, einschließlich Laborinformationen und Arztberichten, integrieren. Mit FHIR können die Daten in einem standardisierten Format abgerufen und visualisiert werden, wodurch die unterschiedlichen Informationsquellen miteinander verknüpft werden. Zum Beispiel kann ein Arzt die aktuellen Bluttestergebnisse eines Patienten direkt aus dem EPA-System einsehen, unabhängig davon, welches LIS zur Durchführung des Tests verwendet wurde.

Konkretes Beispiel: Integration eines Laborinformationssystems (LIS) und die elektronische Patientenakte (EPA)

Stellen wir uns vor, ein Krankenhaus verwendet ein separates LIS für Laboruntersuchungen und möchte die Ergebnisse in die EPA des Patienten integrieren:

• HL7-basiert: Das LIS generiert eine HL7-Meldung, die Informationen über den durchgeführten Test und die Ergebnisse enthält. Diese Nachricht wird an das KIS gesendet, welches die Informationen in der EPA des Patienten speichert und anzeigt. Durch die Verwendung des HL7-Standards wird sichergestellt, dass die Nachricht korrekt interpretiert und verarbeitet wird.
• FHIR-basiert: Anstatt eine feste Nachrichtenstruktur zu verwenden, nutzt das LIS eine RESTful API, um Testdaten als FHIR-Ressourcen (wie Patienten, Beobachtungen und Diagnosen) bereitzustellen. Das KIS ruft diese Ressourcen ab und integriert sie in die EPA. FHIR ermöglicht eine flexiblere und effizientere Integration, da einzelne Datenressourcen gezielt abgerufen und aktualisiert werden können.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Interoperabilitätsstandards wie HL7 und FHIR erheblich dazu beitragen, die Kommunikation und den Datenaustausch zwischen verschiedenen Gesundheitssystemen zu verbessern. Dies führt zu einer besseren Patientenversorgung, effizienteren Arbeitsabläufen und einer höheren Datenqualität.

Aufgabe 4)

Du bist ein Elektrotechnik-Ingenieur und arbeitest an der Implementierung eines telemedizinischen Systems zur Fernüberwachung von Patienten mit chronischen Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Das System soll sowohl Wearables zur Messung der Herzfrequenz und des Blutdrucks als auch mobile Apps zur Erfassung und Übertragung dieser Daten umfassen. Die erfassten Daten sollen in ein zentrales Remote Monitoring System integriert werden, das Echtzeit-Überwachung ermöglicht und bei Erkennung kritischer Werte sofort Alarm schlägt. Dein Team muss sicherstellen, dass alle Datenübertragungswege datenschutzkonform sind und den gesetzlichen Anforderungen entsprechen.

a)

Beschreibe die spezifischen Anforderungen, die die Wearables im vorliegenden System erfüllen müssen. Berücksichtige dabei Aspekte wie Genauigkeit der Messungen, Datenübertragungswege und Batterielaufzeit.

Lösung:

• Genauigkeit der Messungen:
  • Die Wearables müssen eine hohe Genauigkeit bei der Messung der Herzfrequenz (z.B. ±2 BPM) und des Blutdrucks (z.B. ±5 mmHg) gewährleisten, um zuverlässige Daten für die Patientenüberwachung zu liefern.
  • Die Messungen sollten konsistent und wiederholbar sein, um Trends und plötzliche Veränderungen im Gesundheitszustand der Patienten präzise zu erkennen.
• Datenübertragungswege:
  • Die Wearables müssen in der Lage sein, nahtlos Daten in Echtzeit an das zentrale Remote Monitoring System zu übertragen.
  • Die Datenübertragung muss verschlüsselt sein, um die Privatsphäre und den Schutz der patientenspezifischen Daten zu gewährleisten.
  • Es sollten unterschiedliche Übertragungsprotokolle (z.B. Bluetooth, Wi-Fi) unterstützt werden, um eine flexible und zuverlässige Verbindung zu gewährleisten.
• Batterielaufzeit:
  • Die Wearables sollten über eine lange Batterielaufzeit verfügen, um kontinuierliche Überwachung ohne häufiges Aufladen sicherzustellen (z.B. mindestens 7 Tage bei kontinuierlichem Gebrauch).
  • Eine effiziente Nutzung der Energiequellen ist wichtig, um die Gesamtbetriebszeit zu maximieren.
  • Benutzerfreundliche Lademethoden (z.B. kabelloses Laden) können die Akzeptanz und Nutzung durch die Patienten erhöhen.
• Komfort und Tragekomfort:
  • Die Wearables sollten leicht und ergonomisch gestaltet sein, um einen hohen Tragekomfort zu gewährleisten, damit die Patienten die Geräte durchgehend tragen können.
  • Hypoallergene Materialien sollten verwendet werden, um mögliche Hautirritationen zu vermeiden.
• Integration und Interoperabilität:
  • Die Wearables müssen sich nahtlos in die vorhandene IT-Infrastruktur des Gesundheitssystems integrieren lassen.
  • Es sollten standardisierte Schnittstellen und APIs verwendet werden, um die Interoperabilität mit verschiedenen Systemen und Plattformen sicherzustellen.

b)

Entwickele einen mathematischen Algorithmus zur frühzeitigen Erkennung von Anomalien in den Herzfrequenzdaten der Patienten. Der Algorithmus soll auf aktuellen Herzfrequenzdaten basieren und folgende Anforderungen erfüllen:

• Er soll einen gleitenden Mittelwert der letzten 10 Herzfrequenzwerte berechnen.
• Abweichungen von mehr als 15% vom gleitenden Mittelwert sollen als Anomalie markiert werden.
• Die Erkennung der Anomalie soll als Ein Datum-Zeit-Paar in einer Liste gespeichert werden.

Lösung:

Um einen mathematischen Algorithmus zur frühzeitigen Erkennung von Anomalien in den Herzfrequenzdaten zu entwickeln, gehen wir wie folgt vor:

• Berechnung des gleitenden Mittelwerts (Moving Average): Wir berechnen den Durchschnitt der letzten 10 Herzfrequenzwerte.
• Anomalie-Erkennung: Wir betrachten eine Abweichung von mehr als 15% vom gleitenden Mittelwert als Anomalie.
• Speicherung der Anomalien: Erkannte Anomalien werden mit einem Zeitstempel in einer Liste gespeichert.

Algorithmus in Python

 import datetime  # Funktion zur Berechnung des gleitenden Mittelwerts def gleitender_mittelwert(herzfrequenzen, fenstergrösse): mittelwert = [] for i in range(len(herzfrequenzen) - fenstergrösse + 1): fenster = herzfrequenzen[i:i+fenstergrösse] mittelwert.append(sum(fenster) / fenstergrösse) return mittelwert  # Funktion zur Erkennung von Anomalien def erkenne_anomalien(herzfrequenzen, fenstergrösse=10, schwellwert=0.15): datum_zeit_anomalien = [] mittelwerte = gleitender_mittelwert(herzfrequenzen, fenstergrösse) for i in range(fenstergrösse - 1, len(herzfrequenzen)): aktuelle_frequenz = herzfrequenzen[i] mittelwert = mittelwerte[i - fenstergrösse + 1] if abs(aktuelle_frequenz - mittelwert) / mittelwert > schwellwert: zeitpunkt = datetime.datetime.now().strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S') datum_zeit_anomalien.append((zeitpunkt, aktuelle_frequenz)) return datum_zeit_anomalien  # Beispiel-Daten herzfrequenzdaten = [72, 74, 73, 75, 76, 74, 73, 72, 70, 68, 95, 72, 73, 74, 75, 60, 74] anomalien = erkenne_anomalien(herzfrequenzdaten) print(anomalien)  

Erklärung der mathematischen Berechnungen:

• Gleitender Mittelwert (Moving Average): Der gleitende Mittelwert wird durch Summieren der letzten 10 Herzfrequenzwerte und Teilen durch die Fenstergröße (10) berechnet:

   \[v_{i} = \frac{1}{n} \sum_{k=i-(n-1)}^i \text{herzfrequenzen}_{k} \quad \text{,  wobei} \quad n = 10 \] 

• Anomalie-Erkennung: Eine Herzfrequenz wird als Anomalie markiert, wenn die absolute Abweichung von der aktuellen Frequenz zum Mittelwert mehr als 15% des Mittelwerts beträgt:

   \[\left| \text{herzfrequenz}_{i} - v_{i} \right| > 0.15 \times v_{i} \] 

• Speicherung der Anomalie: Wenn eine Anomalie erkannt wird, wird das aktuelle Datum und die Uhrzeit zusammen mit dem Herzfrequenzwert in einer Liste gespeichert.