La Arquitectura de Representación de Datos. Diseño Arquitectónico Aplicado a La Visualización en Anestesiología.

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Esta ponencia presenta el proceso y producto arquitectónico que estan siendo empleados en una investigación interdisciplinaria en anestesiología. El objetivo del proyecto es desarrollar una nueva tecnología de representación de datos que permita

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                 Encuadre e Importancia de la Inves-tigación La gran mayoría de los trabajos en vi-sualización médica se han mantenidohasta ahora fuera del ámbito de la re-presentación de procesos y estados fi-siológicos. Su interés se ha concentra-do en la representación de estructurasorgánicas. Así vemos un gran desarro-llo en el campo de visualización anatómi-ca, que puede ser dividido en tres áreasfundamentales: (1) imágenes estáticas(ej. , radiografías, escaneos CAT, etc.),(2) modelaciones interactivas pero noen tiempo real (MacLeod y Johnson1993), y (3) representaciones dinámi-cas interactivas y en tiempo real (ej. ,Metaxas 1996). La falta de atención a lavisualización en tiempo real de datosmetabólicos es remarcable, dada la im-portancia y el poder que tiene esta infor-mación en el diagnóstico médico.Las investigaciones recientes en laanestesiología dan claras evidenciasque la visualización de condiciones fi-siológicas permite interpretaciones dedatos médicos más rápidas y exactasque las representaciones numéricas ode onda usuales, implicando una mayorseguridad en la toma de decisiones, unadisminución del stress del profesional, yun mejoramiento en la supervisión delpaciente (Deneault y otros 1991,Gurushanthaiah y otros al 1995, Michelsy Westenskow 1996) Esta ponenciapresenta un proyecto de investigacióninterdisciplinario enfocado a este áreatan poco desarrollada de la imagineríamédica: La visualización de datos fisio-lógicos. La Relevancia del Diseño Arquitec-tónico en la Visualización Médica Trabajar en la visualización médica co-múnmente significa mejorar   un siste-ma dado de imágenes o de comporta-mientos anatómicos de modo tal que seanmás legibles o actúen en forma más exac-ta. En este tipo de trabajo solo hay una               Dr Julio Bermudez University of Utah (Graduate School ofArchitecture), USAbermudez@arch.utah.edu Jim Agutter University of Utah (Graduate School ofArchitecture), USAagutterja@arch.utah.edu Dr Dwayne Westenskow University of Utah (School of Medicine),USAdwayne@remi.med.utah.edu Yi Zhang University of Utah (Department ofBioengineering), USAyzhang@Antonin.med.utah.edu Dr Stefano Foresti University of Utah (Center for HighPerforming Computing), USAstefano@chpc.utah.edu Noah Syroid University of Utah (Department ofBioengineering),, USAnoahs@abl.med.utah.edu Brent Lilly University of Utah (Department ofMathematics), USAlilly@math.utah.edu Dr David Strayer University of Utah(Department ofPsychology), USAdavid.strayer@psych.utah.edu Dr. Frank Drews University of Utah (Department ofPsychology), USArews@csbs.utah.edu Debra Gondeck-Becker Pine Technical College (Minnesota)gondeckd@ptc.tec.mn.us Abstract This paper presents the architectural process and products that are being employed in an ongoing multidisciplinary research in anesthesiology. The project’s goal is to develop a new data representation technology to visualize physiologic information inreal time. Using physiologic data, 3-D objects are generated in digital space that represent physiologic changes and show functional relationships that aid in the detection, diagnosis, and treatment of critical events. Preliminary testing results show statistically significant reduction in detection times. The research outcome,potential, and the NIH grant supporting the team’s scientific methods demonstrate the contributions that architecture offers to the growing field of data visualization.     necesidad mínima de diseño debido aque las estructuras orgánicas ya po-seen sus propias formas y movimientoscaracterísticos. En contraste, los datosfisiológicos no tienen ninguna forma par-ticular y por lo tanto exigen la creaciónde representaciones. Los parámetrosnuméricos (ej., una presión arterial de120/80, un ritmo cardíaco de 70/minuto,etc.) no tienen ningún imperativo espa-cial o gráfico excepto en los diagramaso ploteados construidos en el espaciomatemático. Nuestro trabajo de investi-gación por lo tanto se ocupa de la in- vención   (y no el mejoramiento) devisualizaciones.El aporte de la arquitectura a tal tarea deinvención visual se basa en el conoci-miento disciplinario de semiótica formal.Dado que los arquitectos se ocupancotidianamente de la sintaxis, semánti-ca, y pragmática de geometrías bi ytridimensionales, la disciplina ha recogi-do una base de conocimientos compren-siva de la naturaleza, los métodos, y elvalor del diseño (abstracto, geométrico)en 2 y 3 dimensiones así como tambiénde su relación con la psicología humana(Albers 1975, Arheim 1977, Broadbenty otros 1980,Ciocier 1993, DeSausmarez 1964, Wong 1977). Nuestromodelo de representación y organiza-ción de datos fisiológicos surge de lautilización de principios, (ej. , escala, for-ma, ritmo, balance, color, tectónica, es-tructura, etc.), elementos (Ej., Línea, fi-guras, objetos, espacio, etc.) y reglasde organización (ej., jerarquía, el aco-dar, tipología, simetría, etc.) básicas dediseño. Áreas de Aplicación y Metodología La Anestesiología ofrece una de lasmejores áreas de aplicación para unnuevo modelo de visualización de pro-cesos fisiológicos. El anestesiólogodebe monitorear constantemente 32parámetros, presentados por separadoen ploteos bidimensionales de onda ynuméricos, para determinar si el pacien-te esta estable y en el estado fisiológicodeseado (ver Ilustración 1). El problemaque aborda el diseño es la creación deun nuevo tipo de visualización que re-presente estas 32 variables fisiológicascorrelacionadas y no-espaciales en tiem-po real, de tal manera que se mejore enexactitud y velocidad la detección, diag-nostico y tratamiento con respecto a loque es hoy posible usando los sistemasexistentes.Ilustración 1: Ejemplo de un monitor co-mún de datos fisiológicos (HewlettPackard, Rockville, MD). Este tipo de“visualización” se caracteriza por el usode representaciones discretas y nointeractivas de datos fisiológicos en for-ma numérica y de onda.La investigación ha sido conducida porun equipo interdisciplinario con repre-sentantes de arquitectura, bioingeniería,informática, medicina, y psicología. Du-rante los primeros 2 años, lasinteracciones del equipo evolucionaronnaturalmente hacia el marco operativodel proceso del diseño. La validez deeste tipo de método de investigación hasido ampliamente demostrada (Lawson1980, Rowe 1987, Schön 1983). Así ytodo, hubo ciertas dudas preliminaresrespecto de su adopción. Sin embargo,el equipo terminó aceptando el procesodel diseño como metodología sistemáti-ca y experimental luego de verificar sucapacidad concreta para avanzar, de-sarrollar, probar, seleccionar y comuni-car conocimientos. Premisas El equipo de investigación acordó apli-car las siguientes siete premisas de di-seño para dirigir el proceso de inven-ción e implementación de un nuevo pa-radigma de visualización médica:- Inventar   una semiótica formal para re-lacionar representaciones y significadosfisiológicos; - Integrar   los datos de modo que las re-presentaciones revelen relaciones einteracciones intrínsecas a la informa-ción; - Proveer interactividad   para facilitar elacceso del usuario a la información;- Mapear la información en una arqui- tectura de representación de datos tridimensional   para mejorar su compren-sión e integración y al mismo tiempo au-mentar significativamente el número devariables a representar; - Utilizar la plataforma PC   para asegu-rar su adaptabilidad y adopción univer-sal en ámbitos médicos; - Permitir la distribución en red   parapoder acceder a la visualización y/o da-tos en bruto sin importar la distancia(usando un ancho de banda moderado);- Tener como objetivo la simplicidad   for-mal, funcional, y técnica.El proyecto aquí presentado consiste enla visualización de 13 y no 32 variablesfisiológicas. La reducción del númerode parámetros fue basada en la caren-cia de suficientes recursos en el co-mienzo de este proyecto. Esta simplifi-cación hizo posible el proyecto mientrasque permitió confrontar desafíos en eldiseño visual y computacional que erancualitativamente idénticos (y así su so-lución transferible) a una arquitecturade representación de datos basada enla expresión completa de las 32 varia-bles. Contar con los 13 parámetros tam-bién permitió la prueba y puesta en prác-tica de las siete premisas de diseño es-tablecidas. Las 13 variables fisiológi-cas seleccionadas fueron: - Función cardíaca  : volumen de bom-beo, volumen cardíaco, ritmo cardíaco,presiones arteriales, y saturación de oxí-geno arterial. - Función respiratoria  : volumen respi-ratorio, ritmo respiratorio, óxido nitroso,oxígeno, dióxido de carbono, y presiónen la vía respiratoria. Resultado La Ilustración 2 muestra nuestro siste-ma tridimensional de visualización dedatos fisiológicos en tiempo real. Losmismos datos son representados encuatro ventanas interactivas; cada unadiseñada para expresar cierta informa-ción detallada y complementariamente.                 Cualquier desviación respecto de tra-mas de referencia, formas,espaciamiento, y colores ¨normales¨ayuda al anestesiólogo o médico a iden- tificar cambios  . La estructura de lavisualización mapea cada variable almodelo mental del anestesiólogo-médi-co, para ayudar a diagnosticar el pro- blema  . Las relaciones funcionales queconectan los elementos de la visualiza-ción ayudan al usuario a tratar el pro- blema  .Ilustración 2: Nuevo sistema de visuali-zación de datos fisiológicos en tiemporeal.El modelado de datos sigue configura-ciones especificas en las coordenadasde X-Y-Z, en tiempo real. Una arquitec-tura tridimensional de datos primero or-ganiza las 13 variables en conjuntos dedatos o “funciones críticas” que luegoson mapeadas en objetostridimensionales. Estos objetos se des-empeñan como metáforas de funcionescardiacas y respiratorias. Las esferasrojas del primer plano representan acti-vidad cardiaca. El plano de fondo comu-nica actividades respiratorias. La loca-lización y movimiento de los objetos enel espacio así como sus cualidades (Ej. ,Forma, textura, opacidad, color, etc.)mapean otras variables. Líneas y pun-tos especialmente diseñados establecentramas de referencia para detectar anor-malidad. El tiempo se despliega de dere-cha a izquierda (en X), con las condicio-nes actuales en el “frente” o borde de-recho de cada vista. Los estados delpasado son mantenidos para permitir una“perspectiva histórica” de la información.Más específicamente, el objeto“cardiaco” crece y se contrae con cadalatido del corazón en coordinación conla actualización de los datos. Su alturaes proporcional al volumen de bombeodel corazón y su ancho es proporcionalal ritmo cardíaco. Su volumen total esproporcional al volumen cardiaco totaldel corazón. La posición de este objetoesférico en el espacio en Y y Z es pro-porcional a (1) la presión arterial prome-dio (más alta cuando el objeto sube ymenor cuando baja) y (2) a la saturacióndel oxígeno en la sangre (más alta cuan-do el objeto va hacia adelante y másbaja cuando va hacia atrás) del pacien-te respectivamente. El color del objetoindica el nivel total de oxigenación delpaciente. El icono gráfico ofrece unasimilitud a un corazón en funcionamien-to, facilitando así un reconocimiento rá-pido e intuitivo.Fig 3: Vista frontal del sistema de visua-lizaciónLos datos de las funciones críticas res-piratorias son mapeados en un planoazulado o “cortina” en el fondo. La on-dulación hacia adelante y hacia atrás deeste objeto en Z plotea información aso-ciada con la Inhalación, la Exhalación yel ritmo respiratorio (vista superior en laIlustración 2) Los datos relativos a lostipos y los volúmenes de gases sonmapeados en Y. La variación de colo-res grises y verdes expresan los gasesy sus concentraciones (dióxido de car-bono y oxígeno). Las medidas cuantita-tivas de las concentraciones de gasesy la presión en la vía respiratoria sonmejor observadas en la vista lateral (Ilus-tración 4). La altura de la “cortina” esproporcional al volumen respiratorio.Fig 4: Vista lateral del sistema de visua-lizaciónFig 5: Ventana interactiva que muestrauna expresión tridimensional de los da-tos. Observe la trama de referencia. Evaluación del modelo de visualiza-ción Nuestra hipótesis de investigación es queuna arquitectura tridimensional de repre-sentación de datos comunica el estadode salud de un paciente de un vistazo,reduciendo así el trabajo cognoscitivodel profesional y acelerando la detec-ción de problemas. Probamos esta hi-pótesis comparando el sistema tradicio-nal y nuestro prototipo de visualización(Ilustraciones 1 y 2). Utilizamos el simu-lador del cuerpo METI para generar lassituaciones fisiológicas necesarias parael testeo (Ilustración 6). El METI consisteen un mannequin colocado en una mesade quirófano que simula funciones y res-puestas fisiológicas humanas a la anes-tesia. El METI genera todos los datosfisiológicos necesarios para hacer fun-cionar en tiempo real a cualquier siste-ma de visualización.Fig 6: El simulador del cuerpo METI     El METI fue preprogramado con 3 acon-tecimientos críticos. Se hicieron luegotesteos de “situation awareness” condos grupos, uno usando el sistema tra-dicional y el otro con el nuevo (CROMDI).Los resultados obtenidos muestran unmejoramiento en los tiempos de recono-cimiento, detección y diagnóstico queson estadísticamente significativos. VerTabla 1. Bibliografía Albers, J. Interaction of Color. YaleUniversity Press, New Haven. 1975Arheim, R. The Dynamics of ArchitecturalForm. University of California Press,Berkeley. 1977Broadbent, G., Bunt, R. and C.Jenks.Sign, Symbol and Architecture. JohnWilley & Sons, Chichester, UK. 1980Ciocier, R. Manufactured Pleasures,Psychological Responses to Design.Manchester University Press,Manchester, UK. 1993De Sausmarez, M. Basic Design: theDynamics of Visual Form. Van NostrandReinhold, New York. 1964Deneault, L.G., Stein, K.L., Lewis, C.M.,Debbons, A., and A. Dewolf. Comparinggeometric objects and conventionaldisplays in patient monitoring. J Clin Monit7:111-113. 1991Gurushanthaiah, K., Weinger, M.B. andC.E. Englund. Visual display formataffects the ability of anesthesiologiststo detect acute physiologic changes.Anesthesiology 83:1184-1193. 1995Lawson, B. How Designers Think.Architectural Press, London. 1980MacLeod, R.S. and C.R. Johnson. Map3d:Interactive scientific visualization forbioengineering data. IEEE ComputerSociety, pp.30-31. 1993Metaxas, D. NSF 1996 Grant: InteractiveVirtual Environment for ModelingAnatomy and Physiology. Award number9624604. 1996Michels P. and D Westenskow. A graphicdate display reduces the detection timefor critical events. Int’l J. Clin Monit13(2):137. 1996Rowe, P. Design Thinking. The MITPress, Cambridge, MA. 1987Schön, D. The Reflective Practitioner.Basic Books, New York. 1983Wong, W. Principles of 3-D Design. VanNostrand Reynolds, New York. 1977.Zhang, Y., Westenskow, D., Agutter, J.,Lilly, B., Bermudez, J. and S. Foresti.Design And Evaluation of a 3D IntegratedDisplay. J Clin Mon (forthcoming) Conclusión La colaboración interdisciplinaria entrearquitectura, bioingeniería, informática,medicina y psicología ha producidometodologías y modelos novedosos paraacceder, organizar, representar, einteractuar con bases de datos no-es-paciales cambiantes en tiempo real. Losresultados preliminares de testeo, el de-sarrollo de una tecnología de visualiza-ción con patente de invención pendien-te, y la legitimización de nuestraspremisas y metodología por el otorga-miento de una beca de $2.2 millones delos NIH de EEUU para apoyar cinco añosde investigación en esta área recono-cen la contribución concreta hecha porla arquitectura a la visualización de es-tados fisiológicos en la anestesiologíaTenemos la esperanza de que nuestrotrabajo pueda producir mejoramientossignificativos en la comprensión y res-puesta a condiciones médicas críticas.De esta manera, el diseño y construc-ción de arquitecturas de representaciónde datos probaría ser de gran utilidad altratamiento de la salud pública y, al mis-mo tiempo, estaría directamente relacio-nada con el quehacer arquitectónico tra-dicional. Después de todo, tal arquitec-tura de representación responde a ne-cesidades funcionales, tecnológicas yestéticas que no son substancialmentediferentes a las de la arquitectura mate-rial.Para mayor información sobre este pro-yecto, visite:http://infoviz.chpc.utah.edu/anes1.htmhttp://www.cromdi.utah.edu/index.html Reconocimiento Esta trabajo de investigación fue hechoposible mediante dos becas de la Uni-versidad de Utah (Technology InnovationGrants 1998, 1999), una beca de losNational Institutes of Health de EEUU (I-R01 HL64590-01), y por CROMDI (Centerfor the Representation of Multi-Dimen-sional Information) financiado por el Es-tado de Utah.Tabla 1: El testeo de comparación entre el sistema tradicional de visualización y elnuevo (CROMDI) fue hecho usando a 12 estudiantes graduados de bioingeniería.Preguntas de “situation awareness” fueron hechas cada 2,5 minutos y el tiempo dereconocimiento fue medido cuando los cambios críticos eran observados. (Zhang yotros)                                        
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