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SELCA - sISTEMA Esperto in rete di supporto
ai Laboratori CLINICI di Analisi

Diagnostiche strumentali di precisione e diagnostiche predittive su base genomica

SELCA e' un lims avanzato ma soprattutto un potenziamento per i lims esitenti

Lo scopo di SELCA non è tanto quello di sostituire i LIMSs (Laboratory Information Management Systems) adottati dai

Laboratori di Analisi clinica sia per l'esistenza di ottimi prodotti già presenti sul mercato sia perché spesso la scelta del LIMS dipende dai rapporti interpersonali tra il management del Laboratorio e le software houses presenti sul territorio. SELCA invece, pur avendo tutti i moduli per realizzare un LIMS tradizionale dotato di funzioni avanzate, si pone come un potenziamento dei LIMS esistenti a cui offre l'opportunità di svolgere funzioni avanzate strettamente legate alle tecniche di intelligenza artificiale ed alle tecnologie IoT al fine di migliorare qualità e impatto delle diagnostiche, di supportare valutazioni prognostiche sui decorsi delle malattie e di creare una base di conoscenza per la refertazione genomica.

I partners

Partners tecnologici sono le società GEST SRL, AREA Scrl e REEVO SpA che in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Elettronica ed Informatica dell'Università di Catania (UNICT) per gli aspetti tecnico-scientifici e con CERTYCEQ SRL (capofila del progetto) per gli aspetti di modellazione e standardizzazione di dati e processi, si occupano di definire e sviluppare tutta la piattaforma informatica e telematica di SELCA In particolare, la raccolta ed elaborazione dei dati è curata da UNICT, GEST ed AREA, mentre la gestione dei dati in cloud da REEVO.

Partners del settore medico sono SAMOT Scrl specializzata nell'assistenza domiciliare ed il laboratorio di analisi cliniche MEDILAB Scrl che ha notevole esperienza sia nelle analisi cliniche tradizionali che in quelle di tipo genomico. Il loro apporto è importante per far sì che il progetto non si limiti ad offrire un ulteriore LIMS ma offra invece un sistema di potenziamento dei LIMS esistenti e di integrazione di tutti i dati degli utenti, sia che essi provengano da altri LIMS che da cartelle cliniche ospedaliere, in modo da sviluppare modelli predittivi e basi di conoscenza utili alla diagnostica, soprattutto di tipo genomico, fruibili dai dottori interessati alla gestione sanitaria degli utenti.

L'aspetto di networking e sicurezza è curato da UNICT in collaborazione con REEVO, GEST ed AREA. Lo sviluppo dei modelli predittivi e delle basi di conoscenza è curato da UNICT in collaborazione con SAMOT e MEDILAB. CERTYCEQ approfondirà anche i temi della certificabilità dei vari aspetti dell'iniziativa e dei brevetti nelle forme ritenute idonee a proteggere la proprietà intellettuale dei singoli sviluppatori e del progetto nella sua strutturazione complessiva.

SELCA-CPS

Sono due gli aspetti che vengono potenziati da moduli Cyber Physical Systems (CPS), cioè IoT con capacità elaborative, di SELCA. Il primo riguarda l'interfacciamento degli strumenti sia per raccogliere le misure (Instrument Data Acquisiton System) che per monitorare le condizioni ambientali in cui essi lavorano (Environmental Monitoring) Il secondo riguarda lo "specimen tracking system" con tecnologie Bar Code e RFID per tracciare con precisione il percorso dei reagenti chimici e quello più noto agli utenti che va dalla prenotazione dell'analisi, all'accettazione, prelievo del campione e risultato della misura strumentale.

SELCA DWH: QUALITY e REPORTING

Tutti i dati che vengono raccolti dalle due reti di monitoraggio sono immagazzinati in un datawarehouse (DWH) metrologico i cui records sono costituiti da 5 semplici campi: oggetto della misura, dispositivo di misura, tipo di misura, il valore, l'istante di tempo. SELCA REPORTING verifica dapprima l'accuratezza della misura, se essa è nel range di normalità, lo stato dello strumento di misura e la correttezza del servizio offerto; quindi essa supporta la refertazione del medico. Nel caso in cui i dati provengono da altri LIMS, SELCA si limita a verificare lo stato dello strumento di misura.

SELCA MINER E SELCA-NET

Tutti dati contenuti nel DWH sono analizzati da SELCA MINER per proporre modelli predittivi dell'evolversi di malattie croniche (ad esempio diabete). L'utilizzo delle misure genomiche (file FastQ) segue invece un percorso diverso: prima si crea in fase di learning una base di conoscenza che sarà utile a classificare/diagnosticare successivamente in fase di test i campioni genomici prelevati. Grazie a SElCA NET i referti e le valutazioni predittive saranno inviati ai dottori interessati, mentre i dati provenienti da altri LIMS e da cartelle ospedaliere verranno immagazzinati opportunamente nel DWH.

SELCA-CPS: how RFID helps specimen tracking and secure management of chimical reagents

E' nota la contrapposizione tra barcode e RFID per la gestione dei campioni biologi e dei reagenti chimici da utilizzare negli strumenti di misura. Relativamente al primo aspetto Selca condivide la posizione espressa di recente nella letteratura specializzata e cioè il barcode è meno costoso ma l'uso degli RFID aumenta la sicurezza delle misure: "Radio-frequency identification specimen tracking prevented several potential specimen-loss events, decreased specimen recovery time, and decreased specimen labeling errors. Increases in labeling/tracking expenses for the system were more than offset by time savings and loss avoidance through error mitigation", see https://meridian.allenpress.com/aplm/article/144/2/189/433655/Radio-Frequency-Identification-Specime...

Relativamente al secondo aspetto, l'utilizzo degli RFID consente una gestione sicura dei reagenti man mano che si consumano ed evita che reagenti scaduti permangano per errore in laboratorio. Cosa questa che non può essere ottenuta con i barcodes.

SELCA-CPS: data acquisition in details

Dopo avere gestito i campioni biologici fino all'ingresso degli strumenti di misura, l'obiettivo di SelcaCPS è quello di acquisire i dati rilevati dagli strumenti di laboratorio utilizzando i drivers esistenti che producono già files testuali o di tipo CSV relativi alle misure dei campioni biologici. SelcaCPS procederà poi, ove richiesto, alla loro conversione nel formato JSON che è lo standard di fatto dei formati delle misure raccolte da a strumenti di laboratorio.

I dati saranno passati al LIMS Selca per essere memorizzati sul DWH. Una struttura analoga a quella proposta da SELCA è quella di Autoscribe Informatics che ha reso disponibile di recente il software Matrix Instrument Data Acquisition System (MIDAS) “ to drive integration and automation from a wide selection of laboratory instruments to the LIMS”.

In più rispetto al software MIDAS, Selca-CPS, considerando l’importanza che hanno i controlli di qualità nei laboratori medici, implementa anche il controllo delle condizioni ambientali nelle quali operano gli strumenti di misura sviluppando dispositivi CPS di tipo ESP32, Raspberry e NVIDIA Jetson Nano in grado di effettuare, per ogni strumento, le misure in tempo reale di dati di contesto quali temperatura, umidità e polveri in modo da prevenire discontinuità di funzionamento e misurazioni errate.

Di seguito a sinistra si chiarisce come il modulo Selca-CPS funzioni per la gestione degli strumenti e dei dati ambientali di contesto rielaborando il modello MIDAS adottato da Autoscribe Informatics, mentre a destra si fornisce la descrizione di utilizzo di una versione di SelcaCPS accoppiato ad altri LIMS. In questa versione, gli strumenti sono gestiti dagli altri LIMS, mentre i dati ambientali di contesto sono gestiti da SelcaCPS.

DATAWAREHOUSE for QualIty check, Mining Data and Networking (Selca-Miner and Selca-NET)

Come detto prima, tutti i dati che vengono raccolti dagli strumenti di mIsura, sia direttamente che attraverso l'intermediazione del LIMS adottato dal laboratorio di analisi, sono immagazzinati in un datawarehouse (DWH) che fa uso di InfluxDB per la memorizzazione delle misure e di GRAFANA per la loro visualizzazione. Il DWH è dotato di ulteriori DB di tipo SQL per la gestione di tutti i dati inclusi quelli relativi alle parti anagrafiche ed amministrative. Il DWH è dotato altresì di procedure per verificare la correttezza dei dati rilevati, mentre un modulo di AI svolge analisi predittive e da origine ad una base di conoscenza per la diagnostica genomica. Nel DWH verranno immagazzinati anche i dati provenienti da altri LIMS, oltre quello adottato dal laboratorio di analisi, e da cartelle cliniche ospedaliere per aumentare l'efficacia delle tecniche di AI.

LO stato dei lavori e le prime sperimentazioni

SElCA ha concluso la fase di studio e di re-design dell'iniziativa alla luce dei prodotti esistenti sul mercato al fine di proporsi sia come un LIMS 4.0 a se stante che, soprattutto, come un sistema che può potenziare i LIMS esistenti. Nelle figure sottostanti sono riportati tutti i moduli di SELCA colorati in base ai partners che hanno contribuito o stanno contribuendo alla loro attivazione. Sebbene i partners abbiano partecipato a tutte le attività che per loro complessità hanno comunque richiesto il contributo di tutti, va però evidenziato che un impegno particolare è stato dedicato da essi ad attività specifiche. In particolare relativamente alla fase di attivazione che è stata in parte completata ed in parte in corso di completamento si segnalano nelle figure sottostanti gli impegni specifici: a) in verde chiaro i moduli di Selca-CSQ cui stanno contribuendo prevalentemente UNICT, AREA e CERTYCEQ, b) in arancione i moduli di networking cui stanno contribuendo prevalentemente UNICT, e REEVO, c) in grigio altri moduli di networking cui stanno contribuendo prevalentemente UNICT AREA e REEVO, d) in blu scuro il modulo DWH cui sta contribuendo prevalentemente UNICT e CERTYCEQ, e) in blu chiaro il modulo genomico a cui sta contribuendo prevalentemente UNICT e MEDILAB, f) in rosso il modulo predittivo a cui sta contribuendo prevalentemente UNICT e SAMOT, g) in celeste il modulo che darà origine al LIMS nel suo complesso cui sta contribuendo prevalentemente UNICT e GEST. Molti dei moduli sono già stati completati in versione beta e sono pronti per essere sperimentati popolandoli di dati. SELCA popolerà il sistema con dati provenienti da MEDILAB e dalla letteratura, Però per raggiungere una popolazione più significativa si formula l'invito nel prossima sezione a laboratori di analisi interessati a collaborare.

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Per sperimentare SELCA NEL TUO
CONTESTO e dare più forza al tuo lims

Il progetto SELCA è interessato a popolare nel secondo semestre 2022 e fino al primo semestre 2023 il suo DWH con dati provenienti da varie fonti al fine di ottimizzare sempre più i modelli di valutazione delle misure, i modelli predittivi delle malattie e la base di conoscenza per la diagnostica genomica. SELCA è anche interessato ad integrare nel suo LIMS gli strumenti di laboratorio più diffusi e di supportare esperienze di tracking dei campioni e dei reagenti con tecniche RFID in diversi contesti operativi. Se il tuo laboratorio è interessato ad una collaborazione con SELCA CONTATTACI scrivendo una email alla coordinatrice scientifica del progetto: prof.ssa ing. Daniela Giordano, Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Elettronica ed Informatica, Università di Catania daniela.giordano@diiei.unict.it.

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