MODELLO

nº	Cognome	Nome	Dipartimento	Qualifica	Settore Disc.	Mesi Uomo
1° anno	2° anno
1.	DELL'AMICO	Mauro	Dip. SCIENZE E METODI DELL'INGEGNERIA	Prof. Ordinario	MAT/09	7	6
2.	BONISOLI	Arrigo	Dip. SCIENZE SOCIALI, COGNITIVE E QUANTITATIVE	Prof. Ordinario	MAT/03	3	3
3.	RINALDI	Gloria	Dip. SCIENZE AGRARIE, SC. DELLA FORMAZIONE E PROGRAMMAZIONE SANITARIA	Prof. Associato	MAT/03	3	3
4.	BALDACCI	Roberto	Dip. SCIENZE E METODI DELL'INGEGNERIA	Ricercatore Universitario	MAT/09	5	5
	TOTALE					18	17

nº	Cognome	Nome	Dipartimento	Qualifica	Mesi Uomo
1° anno	2° anno
1.	Montanari	Roberto	Dip. SCIENZE E METODI DELL'INGEGNERIA	Contratto di ricerca in atto	4	4
	TOTALE				4	4

nº	Cognome	Nome	Dipartimento	Anno di inizio borsa	Durata (in anni)	Tipologia	Mesi Uomo
1° anno	2° anno
1.	Bonvicini	Simona	Dip. MATEMATICA PURA E APPLICATA	2003	3	Dottorato	4	4
2.	Mazzuccolo	Giuseppe	Dip. MATEMATICA PURA E APPLICATA	2004	3	Dottorato	4	4
3.	Pagani	Corrado	Dip. SCIENZE E METODI DELL'INGEGNERIA	2003	3	Dottorato	4	4
4.	Tesauri	Francesco	Dip. SCIENZE SOCIALI, COGNITIVE E QUANTITATIVE	2004	3	Dottorato	4	4
5.	Marzani	Stefano	Dip. SCIENZE E METODI DELL'INGEGNERIA	2004	3	Dottorato	6	6
	TOTALE						22	22

nº	Qualifica	Costo previsto	Mesi Uomo	Note
1° anno	2° anno
1.	Altre tipologie	15.000	6	6	programmatore
	TOTALE	15.000	6	6

La crescente applicazione delle “information and communication technologies” in campo medico costituisce una significativa opportunità per ridurre i costi e accrescere standard di qualità ed efficienza. Questa dinamica favorisce lo sviluppo di un nuovo paradigma in base al quale i differenti operatori e le professionalità del settore (medici, personale paramedico e amministrativo) stanno diventando le parti attive di una rete altamente interconnessa.
Secondo gli studi, i medici hanno un manifesto bisogno di un supporto informativo tempestivo e localizzato [GG03]; allo stesso tempo, devono spesso scambiare informazioni molto “pesanti” (ad esempio, immagini ad alta risoluzione che riproducono un esame condotto con i raggi x [GR02]); infine, la richiesta di una informazione personalizzata, in accordo con i propri bisogni e i compiti da svolgere costituisce un altro importante desiderata [SD02].
Ad oggi, molti ospedali stanno parzialmente rispondendo a questi bisogni dal momento che stanno cominciando ad introdurre database (sia centralizzati, sia distribuiti su diversi reparti). Le cosiddette “Computerized Physician Order-Entry” (CPOE), le “Electronic Medical Records” (EMR), gli E-MAR (ovvero “Electronic Medication Administration”) ne sono esempio. Diversi ospedali (es. “Brigham and Women’s Hospital” e St. Vincent [SV, GG03] negli USA e l’ospedale Son Llatzer in Spagna [CF04]) hanno realizzato progetti che interfacciano tutti questi sistemi in un network che include tecnologie di riconoscimento senza contatto (basate su tecnologie bar code) e dispositivi portatili per gli operatori che consentono al paziente di ricevere, in modo quasi automatico, i giusti medicinali, nelle dosi giuste, al tempo dovuto.
Molte delle attuali attività di ricerca e sviluppo sono dunque orientate a fornire al personale ospedaliero banche dati sicure (in accordo con le leggi sulla privacy) e standardizzate (le immagini di raggi x e/o i dati relativi agli esami del sangue possono essere visualizzate in modo remoto e da differenti software). Queste informazioni sono tipicamente disponibili attraverso PC connessi al database mediante Local Area Network (LAN).
Grazie ai recenti progressi delle tecnologie wireless, queste informazioni sono diventate accessibili attraverso sistemi informativi portatili (Portable Digital Assistant [PDA]). Dal momento che l’uso di queste tecnologie per l’ambiente ospedaliero e fortemente regolato in quanto si devono evitare conflitti con le apparecchiature diagnostiche e terapeutiche già presenti, per esempio in termini di emissioni elettromagnetiche, il loro uso deve essere propriamente circoscritto. La tendenza dominante mostra tipicamente computer portatili installati in appositi carrelli, spostati da un letto ad un altro, da un reparto ad un altro, oppure PDA che possono seguire i medici attraverso diversi ambienti senza soluzione di continuità [SD02, SJ00, CF04]. Altre applicazioni basate su reti wireless che implichino l’uso di dispositivi senza fili riguardano il trasferimento di pazienti all’interno di un ospedale o presso altri istituti di cura, la gestione del loro ricovero dal pronto soccorso, direttamente da casa o a seguito di una impegnativa fornita dal medico curante. In tutti questi casi, le informazioni concernenti il paziente sono accessibili direttamente dal letto. In tal modo, le informazioni sono immediatamente disponibili in tutti i reparti in cui il paziente viene a trovarsi. Come il paziente si muove durante il percorso terapeutico, la rete wireless permette agli operatori sanitari di documentare immediatamente qualunque cambiamento di condizione o di locazione. Richieste di trasferimento sono dunque onorate in modo istantaneo, eliminando ogni problema di coordinamento tra i reparti, che possono accedere in tempo reale ai dati sullo stato del paziente e su dove sia collocato [GG03].
L’Unita’ di Ricera (UR) di Reggio Emilia si occupera’ dello studio di due aspetti rilevanti nell’ambito sopra riportato.

PRIMA AREA

Nonostante questo scenario promettente, almeno in termini tecnologici [SJ00], occorre puntualizzare le molte barriere e punti critici tuttora presenti e da risolvere. Il primo riguarda la garanzia di sicurezza dei dati clinici sul paziente [GG03, FJ03]. Il secondo la standardizzazione delle informazioni [RC01]. Il terzo gli alti costi di implementazione di queste soluzioni che potrebbe essere ridotta aumentando il numero di possibili clienti finali o una più significativa partecipazione delle autorità pubbliche [SS03]. Ma ancora più importante è il fatto che molto raramente queste attività di ricerca e le applicazioni prototipali implementate sono concepite e progettate intorno ai reali bisogni degli utilizzatori finali. Allo stesso modo, gli aspetti ergonomici che riguardano l’impatto di questi strumenti sul lavoro di detti operatori viene spesso trascurato. L’alta rilevanza di questo aspetto emerge dall’impatto negativo in termini di efficienza e accettabilità che in molti casi queste tecnologie hanno una volta collocate negli ambienti lavorativi reali. Per esempio, [SK99] ha documentato che molto gruppi di medici sono refrattari ad un cambio del loro modo di lavorare quando vengono introdotti i dispositivi sopra menzionati.
In altri termini, lo stato dell’arte scientifico nell’area delle tecnologie wireless e degli strumenti per consentire ai medici il recupero di informazioni e il supporto alle operazioni sul campo, sembra scarsamente interessato all’esame degli impatti di queste soluzioni e dispositivi sulle attività degli utilizzatori finali, almeno in questa fase nascente. Molte di queste soluzioni si trovano in una sorta di “beta-release” [SD02] e soffrono di una scarso livello di usabilita’ che dovrebbe essere aumentato con metodologie di progettazione ergonomiche [SK02].
Con l’obiettivo di colmare questo gap, questa unità di ricerca intende promuovere una analisi in profondità su come i compiti e le attività del personale medico e paramedico potrebbero trarre vantaggio dall’introduzione di Dispositivi Digitali Mobili ed Indossabili (DWPD). Intende inoltre studiare come le modalità di interazione e le interfacce utente di questi sistemi possono essere migliorate sulla base di una corretta e analitica interpretazione delle raccomandazione degli utenti. Infine, dal momento che le tecnologie wireless stanno accrescendo le capacità di localizzare la posizione degli utenti e di stimare quanto è impegnativo il compito e l’attività che stanno svolgendo, parte della ricerca sarà dedicata allo studio e implementazione di algoritmi per la ricostruzione dello stato utente e del contesto di utilizzo dei dispositivi. In questo dominio, ben noto in letteratura come “Intelligent User Interface” [MM01] o “Ambient Intelligence”, molte attività (anche se per la più parte di natura sperimentale) sono state realizzate. Nessuna di esse tuttavia ha dettagliatamente analizzato tali applicazioni in ambiti medico come questa ricerca intende fare.

SECONDA AREA

Un altro aspetto fondamentale da considerare quando si studia l’utilizzo delle WLAN, in particolare all’interno degli ospedali, e’ un’accurata progettazione della rete al fine di prevenire interferenze con le apparecchiature mediche, ma garantendo una qualita’ del servizio sufficiente a trasmettere informazioni che richiedono un’ampia banda, come nel caso di esami ai raggi X o TAC, (per ulteriori dettagli sui protocolli di trasmissione, le emissioni elettromagnetiche e i relativi modelli, si vedano i progetti delle UR di Milano e Lecce).
Il problema che affronteremo consiste sostanzialmente nel posizionare in maniera ottima le antenne (access point) perseguendo i due obiettivi di cui sopra e può essere modellato come il problema di disporre un numero di dischi di raggio predefinito su una regione piana in modo da ricoprire l’intera regione minimizzando la somma delle aree di intersezione dei dischi (Disk Covering with Minimum Intersection, DCMI). Usando la classificazione standard dei modelli di localizzazione [HN98] DCMI potrebbe essere definito come C/P/*/L2/Sum_int, dove Sum_int rappresenta la somma delle intersezioni. In letteratura sono stati principalmente considerati problemi in cui si deve localizzare un singolo disco (a partire dal classico problema di minimizzare il raggio di un disco che copre un insieme dato di punti nel piano [PS85]). DCMI differisce da questi per il fatto che considera più dischi e ha una funzione obiettivo non usuale. La letteratura su questo tipo di problemi e’ piuttosto eterogenea [LP95,DM01]. Una ragione e’ che i risultati in questa area dipendono fortemente dalla forma dei servizi; una seconda ragione e’ che i problemi di localizzazione sorgono in diverse e differenti discipline quindi molte tecniche di soluzione sono state adottate(analisi dei casi, analisi convessa, geometria computazionale, programmazione lineare dinamica). A nostra conoscenza DCMI non e’ mai stato affrontato in letteratutra.

Un possibile modo di ricondurre DCMI a un problema noto e’ come estensione del multifacility location su spazi euclidei in cui vogliamo determinare il piazzamento ottimo di uno o più punti rappresentanti dei nuovi servizi [R88]. L’estensione consiste nel piazzare servizi descritti da forme bidimensionali invece che punti e nel considerare una particolare funzione obiettivo (quadratico o iperbolica).

Un problema che possiamo chiamare duale di DCMI e’ quello del raggio ottimo di copertura, della teoria dei codici (dato un alfabeto e un codice, trovare il minimo raggio che permette al codice di rappresentare tutte le parole dell’alfabeto [BA84, GS85]). In questo caso i centri dei dischi sono fissati e vogliamo minimizzare il raggio dei dischi stessi.
Gli algoritmi di soluzione di questo problema duale possono essere utili per progettare euristici primali basato ad esempio su approcci metaeuristici [AL97, DM97, AD04]: questo e’ uno degli obiettivi di ricerca dell’UR.

The growing application of Information and Communication Technologies in medical field are contributing to reduce costs and improve quality standards and effectiveness. Therefore, a new paradigm is emerging where the different players and operators (from the physicians to paramedic and administrative operators) are becoming part of a highly connected network.
According to the research, the physicians need a just in time and just in place information support [GG03]; at the same time, they need to exchange “heavy-size” information (e.g. the access to high resolution images as the x-ray [GR02]); finally, the possibility to have data personalised in accordance with their needs and tasks to be accomplished is highly expected [SD02].
Nowadays, several hospitals are partially respond to these desiderata since they are mostly starting to introduce database (both centralised or distributed in different wards). The so-called “Computerized Physician Order-Entry” (CPOE), the Electronic Medical Records (EMR) and the E-MAR (i.e. an Electronic Medication Administration) are some examples. Several hospitals (e.g. “Brigham and Women’s Hospital” and St.Vincent's [SV, GG03] in US and Son Llatzer Hospital in Spain [CF04]) have realised projects that interfaces all these systems into a network which includes contact-less technologies (based for instance on bar code technology) and portable user devices able to automatically ensure that the right patient gets the right drug, the right dose, at the right time.

Most of the current R&D researches are aimed to provide a secure, privacy-proof and homogeneous data framework where, for instance, the x-ray pictures and/or numerical data from blood tests can be remotely displayed with different software platform. These information are usually available through PC connected to the Local Area Network (LAN).
Due to the recent progress in wireless communications these information are becoming accessible via Portable Digital Assistant (PDA). As the network technologies in hospitals are strictly regulated and it should not create any conflict with the already existent machineries, for instance in terms of electromagnetic emissions, their use has to be properly constrained. The trend leads to a laptop affixed to carts, rolled from bed to bed and ward to ward and a small but PDA that can easily and seamlessly follows physicians throughout any place [SD02, SJ00, CF04].
Other application based on wireless technologies also include the admission of patients to the hospital: the information concerning the patient can be taken at bedside and be instantly available to all clinical wards. As a patient moves through the care process, a wireless LAN allows care providers to immediately document the patient's changes in status and location. Requests for transfers are accomplished instantly, eliminating potential patient coordination mistakes because all clinical departments have access to a patient's status and whereabouts in real-time [GG03].
The Research Unit of Reggio Emilia (RU) will study two relevant aspects in the above field.

FIRST AREA

In spite of this promising scenario, at least in terms of technological solutions [SJ00], several barriers and weak points has to be pointed out. The first one concerns the security of the patient’s clinical data [GG03, FJ03]. The second one is referred to the standardization of the information [RC01]. The third regards the high cost of implementation that could be reduced improving the amount of final customer and a more effective participation of the public governments [SS03]. But what is even more important is that quite rarely these research works and prototyping applications are thought and designed around the users needs; moreover, the human factors related items regarding the impact of these technological solutions and instruments on the personnel jobs are often neglected. The high relevance of these items emerge from the negative impact in terms of effectiveness and acceptability that in several cases these technologies have in the working environments. For instance, [SK99] documented that a relevant group of physicians are refractory to change their way of work because of the above mentioned devices.
The scientific state of the art of wireless technologies and instrumentations to retrieve medical records and to support the on-field operations, seems scarcely interested on the expected impact of these technological solutions and devices in the users tasks, at least in this early phase. Most of them are in a sort of beta-release status [SD02] and they suffer of a poor “usefulness” that should be overtaken improving their usability [SK02].
With the aim to fill this gap, this research unit intended to promote a deeply investigation on how the physicians and paramedic tasks could receive a benefit because of the introduction of innovative Digital, Wearable and Portable Devices (DWPD). Moreover we will study how the interactional modalities and the user interface of these system could be improved properly and deeply interpreting the user recommendations.
Finally, since the wireless technologies are improving the capabilities to localise the user and to estimate how demanding the task to be performed is, part of the research will be devoted to implement some methods for user and context recognition. In this area, well-known in literature as Intelligent User Interface [MM01] or Ambient Intelligence, several activities (even within an experimental theatre) have been conducted. None of them have detailed investigated so far the application into the medical environment as this project intend to make.

SECOND AREA

Another fundamental aspect to be considered when addressing the use of a Wireless Lan, in particular inside an hospital, is an accurate planning of the network, aimed at preventing interferences with the medical equipment, but giving a quality of service sufficient to transmit heavy-size information (as in in x-ray or TAC). (For details on the transmission protocols, electromagnetic emissions, and related models see the applications of the Research Units of Milan and Lecce.) The problem we face is the optimal positioning of the access points, so that the two objectives above are meet. Basically we want to dispose a number of disks of given ray in a planar region, so that the entire region is covered by the disks and the sum of the areas in the intersection of two disks is minimized (Disk Covering with Minimum Intersection, DCMI). Using the standard classification of location models [HN98] DCMI could be defined as C/P/*/L2/Sum_int, where Sum_int represents the sum of the intersections. The literature has mainly considered the location of a single disk (starting from the classical problem of finding the minimum radius of a disk covering a given set of points in the plane [PS85]). DCMI, instead, considers multiple disks and and an unusual objective function.
The literature about locating dimensional facilities is quite heterogeneous [LP95,DM01]. One reason is that results in this area strongly dependent on the shape of the facilities. Another reason is that the facility location problems arise in different mathematical disciplines, so a wide variety of different techniques (case analysis, convex analysis, computational geometry, and linear and dynamic programming) have been used.
To our knowledge no study has yet been done on this problem.

A possible way to reconduct our problem to a known model is an extension of the standard Euclidean multifacility location problem (in which we want to find one or more points for placing new facilities [R88]). The extension consists of having disks instead of points and a special objective function (quadratic or hyperbolic).

Another known problem that we can call ‘dual’ of DCMI is the Covering Radius of Codes arising in coding theory (given an alphabet and a code for it find the minimum radius that allows the code to cover all the words of the alphabet [BA84, GS85]). Here the locations of the disk centers are fixed and we want to minimize the radius of the disk. Efficient dual algorithms can be however useful to write some primal approximation scheme based, e.g. on a metaheuristic approach [AL97, DM97, AD04]: This is one of the tasks that will be performed by the RU.

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L’unità di ricerca (UR) di Reggio Emilia è un gruppo interdisciplinare che include ricercatori dei Dipartimenti di Ingegneria e Scienze Sociali e Cognitive aventi specifiche competenze in: (i) ricerca operativa, (ii) geometria combinatorica e (iii) interazione uomo-macchina.
Gli interessi scientifici originali dei ricercatori dell’UR risiedono nei primi due campi, ma negli ultimi hanno questi ricercatori partecipato alla fondazione del gruppo di ricerca dell’Università di Modena e Reggio Emilia sull’Interazione Uomo-Macchina (HMI). Tale gruppo, cui partecipano anche ricercatori di ergonomia, fattori umani e scienze cognitive è molto attivo in questo dominio. L’UR contribuirà al progetto su due aspetti: (a) un approccio user-centered all’introduzione di nuovi dispositivi digitali indossabili e portatili (DWPD) nel lavoro quotidiano dei medici; (b) lo studio di strumenti di ottimizzazione per il supporto alla pianificazione di WLAN.

PRIMA AREA DI RICERCA

Il gruppo HMI si occupa di promuovere l’intero ciclo di progettazione e valutazione delle cosiddette tecnologie per gli utenti. La sua competenza spazia in diversi domini. Attualmente è impegnato nel progetto di sistemi informativi di bordo per trattrici agricole insieme a Case New-Holland; collabora con il Centro Ricerche Fiat nell’area delle interfacce a bordo veicolo; promuove e partecipa a diversi progetti europei sulle interfacce utenti e i DWPD in ambito industriale (nel ruolo di partecipante o coordinatore del progetto). Importanti lavori recentemente conclusi riguardano la definizione di un linguaggio per la modellazione delle interfacce utente [MP03], la progettazione e sviluppo di interfacce per la mobilità e l’ambito emergente delle tecnologie sensibile al contesto nel dominio automobilistico [MA02, MR04]. Il gruppo lavora inoltre nel campo della gestione dell’informazione e controllo del carico mentale di lavoro sia per i domini industriali che automobilistici.

Questa UR intende identificare come il personale ospedaliero può efficacemente utilizzare i DWPD e studiare la loro applicazione per mezzo di una rete wireless compatibile con la strumentazione medica. Per raggiungere questo obiettivo si analizzeranno due aspetti rilevanti: (i) quali attività potrebbero efficacemente essere effettuate utilizzando PDA; (ii) come i sistemi di controllo (pulsanti, manopole, etc.) e le interfacce utente di questi dispositivi debbano essere progettati in funzione dell’attività dell’utente. Seguendo questo approccio, si passa dall’attuale metodo, guidato dalla tecnologia, dove le soluzioni tecniche (anche innovative) influenzano il modo di utilizzare i DWPD e di eseguire le corrispondenti attività, ad una metodo incentrato sull’utente [DN86], dove i bisogni e l’usabilità dei dispositivi modellano i dispositivi stessi e le modalità di utilizzo.
Diversi ospedali stanno iniziando ad utilizzare strumentazioni digitali sia cablate che wireless per consentire al personale ospedaliero di recuperare le informazioni necessarie e fornire un supporto informative utile e continuo durante l’esecuzione delle loro attività. Nonostante questo, si nota una sorta di resistenza dei medici al cambiamento anche se i nuovi strumenti promettono di semplificare il lavoro [SK99]. In effetti, applicazioni come la registrazione dei dati clinici, delle informazioni di diagnosi e degli esami sono ancora concepiti e sviluppati seguendo un approccio che consiste in una semplice fornitura di strumenti tecnologici: l’utente si deve adattare alle modalità di interazione e funzionamento degli strumenti stessi. Al contrario, il solo modo efficace di introdurre innovazioni efficaci è impostare le funzionalità del sistema secondo le richieste delle attività degli utenti. Questo è esattamente il punto principale della prima area di ricerca di questa UR, ovvero una dettagliata analisi dei fattori critici che determinano un efficace uso dei sistemi tecnologici menzionati e una identificazione delle modalità con cui questi strumenti possono efficacemente supportare le attività dei medici e paramedici.
La struttura di questa ricerca è in linea con un approccio incentrato sull’utente che inizia dall’analisi delle sue attività, continua fornendo i primi elementi di progettazione dei dispositivi ed esegue i primi test di usabilità su questi dispositivi. I risultati di questi test permettono di definire le successive versioni dei dispositivi (prototipi reali) e di eseguire più efficacemente valutazioni di usabilità durante le attività quotidiane degli utenti. Questa parte della ricerca verrà eseguita in stretta collaborazione con l’UR di Ferrara.

Fase 1: Analisi dei compiti e identificazione dei requisiti (mesi 1-4)

Obiettivi: definire i requisiti di progettazione per DWPD innovativi per uso in ambito ospedaliero. Questa analisi verrà svolta sia per le attività ordinarie che quelle straordinarie (ad es. casi di emergenza) che implicano differenti procedure operative.

Metodo: l’analisi dei compiti [HR98] è stata pensata per identificare cosa viene richiesto all’utente in termini di azioni e/o processi cognitivi per realizzare un compito. Il primo passo è la decomposizione dei compiti che ha lo scopo di semplificare ogni compito principale in sottoattività o semplici operazioni. Il secondo aspetto è costituito dalla realizzazione di un diagramma di flusso con i dettagli delle attività, della interazione tra l’utente e i dispositivi. Il diagramma evidenzia gli aspetti dei processi che sono di difficile comprensione per l’utente e possono essere migliorati utilizzando strumenti innovativi come i DWPD. Quando i compiti principali sono stati identificati, l’analisi continua a cascata sulle sotto-attività.

Risultati: il rapporto contenente l’analisi dei compiti e una lista di requisiti che guideranno la futura progettazione dei DWPD.

Fase 2: Progetto e specifica dei DWPD e delle principali interfacce utente multimodali (mesi 5-10)

Obiettivi: progettare e sviluppare un sistema coerente di concetti per definire DWPD compatibili con le esigenze dell’utente.

Metodo: durante questa fase verranno studiati i DWPD e le possibili interfacce visive e acustiche maggiormente percepibili dall’utente (ad esempio, in uno stato di emergenza, un dispositivo multimodale dove si combinano informazioni visive e acustiche è preferibile ad un semplice dispositivo di visualizzazione).
Particolare attenzione verrà posta ai modi con cui questi dispositivi possono essere utilizzati e indossati (includendo per esempio nuove tecnologie di interazione come i display visuali “head up” e le tastiere collocate sull’avambraccio). Ad esempio gli elementi di controllo dei dispositivi saranno semplici e pensati rispetto alle funzioni necessarie per eseguire le attività. Anche la forma fisica di questi dispositivi verrà opportunamente analizzata.

Risultati: un insieme di prototipi di DWPD e le specifiche per la loro ingegnerizzazione.

Fase 3: test di usabilità dei DWPD, sviluppo prototipi finali e test funzionali (mesi 11-19)

Obiettivi: in questa fase i DWPD identificati verranno valutati con test di usabilità per capire quanto le modalità di interazione raggiungono i requisiti dell’utente. I DWPD verranno quindi riprogettati, sviluppati e testati in ambiente reale (dove opera la rete wireless).

Metodo: i test di usabilità includeranno sia metodi qualitativi che quantitativi. Ad un campione di utenti verrà chiesto di realizzare specifiche azioni oggetto del test utilizzando i DWPD prototipali. Prima e dopo di queste attività verranno somministrati agli utenti dei questionari allo scopo di rilevare l’accettabilità del dispositivo e l’impatto di questo sul carico di lavoro, specialmente durante le attività critiche. Verrà scelto il modo più opportuno per rilevare il carico di lavoro (ad esempio Rating Scale Mental Effort [ZV85] o Nasa-TLX [HS88]). L’attività dell’utente verrà analizzata per identificare gli errori dovuti all’uso dei dispositivi, le principali difficoltà operative riscontrate e i principali problemi di usabilità, sulla base delle regole euristiche proposte da Nielsen [NJ93]. I test verranno effettuati perssso l’ospedale S. Anna di Ferrara (UR di Ferrara). Sulla base delle istruzioni emerse dai test di usabilità, verrà sviluppata la versione finale dei DWDP; è previsto che questi dispositivi operino nella rete wireless realizzata da questo progetto. In questo contesto, verranno condotti i test finali sia funzionali, che di usabilità. Questi ultimi avranno l’obiettivo di verificare in che modo i DWDP accolgono le indicazioni di progettazione emerse e verificate nelle fasi precedenti.

Risultati: un insieme di specifiche per la riprogettazione dei DWPD che verranno sviluppati nella parte finale del progetto, quindi la versione finale dei DWDP e report finali con i risultati dei test funzionali e di quelli di usabilità.

Fase 4: ulteriori sviluppi del DWDP: verso sistemi sensibili al contesto (mesi 20-24)

Obiettivi: identificazione di metodi inferenziali per ricostruire il contesto in cui vengono utilizzati i dispostivi, lo stato dell’utente e adattare conseguentemente le interfacce.

Metodi: uno sviluppo atteso per quanto concerne il dominio delle interfacce utente è quello dei cosiddetti sistemi sensibili all’utente e al contesto di utilizzo [MM01, EB03]. Per esempio, in situazioni critiche come una operazione chirurgica, il sistema deve essere in grado di ritardare l’erogazione di informazioni non rilevanti per quello specifico compito a fasi successive. Esperimenti analoghi sono stati implementati, tra gli altri, nell’ambito automobilistico [MA02]. Il primo tema da esplorare concerne il modo con cui i sensori distribuiti nell’ambiente possono contribuire a localizzare la posizione dell’utente e ad identificare il contesto. Inoltre, le informazioni rilevate dal dispositivo dovranno permette di ricostruire in che misura l’utente sta eseguendo compiti impegnativi. Le conoscenze sui compiti dell’utente e il contesto di utilizzo acquisite dal sistema permetteranno un adattamento delle interfacce in tempo reale. In questa attività, verranno proposti e testati, in un ambiente simulato basato sul PC, metodi inferenziali appropriati per ricostruire il contesto di utilizzo e l’attività degli utenti.

Risultati: insieme di metodi da implementare nei dispositivi precedentemente sviluppati e test comparativi tra verifiche in ambiente simulato basato su PC e ambienti reali.

SECONDA AREA DI RICERCA

Questa parte della ricerca dell’UR di Reggio Emilia è estensione e complemento a quella delle UR di Milano e Lecce sui metodi per la pianificazione delle WLAN negli ospedali.

Il metodo normalmente utilizzato per progettare una WLAN consiste nel definire un insieme di punti test nell’area da servire e quindi nell’ottimizzare il posizionamento degli access point rispetto a potenziali utenti localizzati nei punti test (si veda il progetto dell’UR di Milano per maggiori dettagli). Di conseguenza i metodi adottati per la soluzione sono metodi di ottimizzazione discreta. Tuttavia è intimamente presente nel concetto di rete senza fili il fatto cha l’utente possa muoversi liberamente in un area, capace di utilizzare la rete al meglio delle sue prestazioni tecnologiche, indipendentemente dalla sua posizione. Una progettazione che miri a questo obiettivo dovrebbe utilizzare un numero estremamente alto di punti test (insieme a uno strumento di ottimizzazione discreta) oppure dovrebbe utilizzare un modello continuo. L’UR si concentrerà sul secondo approccio, inizialmente considerato nel passato, ma poi sostanzialmente abbandonato negli ultimi anni. Il nostro scopo è quello di utilizzare alcune nuove idee derivanti da metodi tipici dell’ottimizzazione combinatoria (discreta) [DM97, AD04, DL04] al modello continuo .
Il problema base che considereremo è quello di coprire una superficie piana con dischi di raggio dato minimizzando la somma delle aree nell’intersezione di due dischi. Varianti di questo problema si possono ottenere con una parziale discretizzazione, per esempio imponendo che gli access point appartengano a segmenti dati (pareti) o a insiemi discreti. Infine differenti forme dell’area da coprire e la possibile presenza di ostacoli possono essere considerati nello studio.

Fase 1: analisi della letteratura (mesi 1-4)

Obiettivi: realizzare una rassegna completa della letteratura scientifica sul problema specifico e problemi strettamente connessi.

Metodo: in questa fase l’UR collaborerà con quelle di Ferrara e Milano per definire i requisiti della WLAN in ambito ospedaliero, come emerge dalle specifiche esigenze applicative. In particolare verrà studiata la letteratura rilevante nel campo della Ricerca Operativa, della Geometria Computazionale e Combinatorica e delle Telecomunicazioni. Verranno inoltre studiate le applicazioni caratteristiche di sicurezza della rete, in collaborazione con l’UR di Milano.

Risultati: una bibliografia annotata della letteratura interessata.

Fase 2: selezione dei problemi (mesi 5-10)

Obiettivi: identificare modelli che approssimano il problema reale complessivo o risultano utili per la definizione di stime del valore ottimo.

Metodo: useremo i risultati della prima fase e la descrizione del problema reale realizzata con le UR di Ferrara e Milano per definire: (i) possibili decomposizioni del problema di ottimizzazione delle WLAN in sottoproblemi; (ii) importanti sottoproblemi ottenuti rilassando qualche requisito del problema originale. Per ogni sottoproblema identificheremo se esistono metodi risolutivi in letteratura o se è necessaria una ricerca completa.

Risultati: un insieme di modelli descrittivi del problema di pianificazione delle WLAN e una lista di importanti sottoproblemi.

Fase 3: algoritmi risolventi (mesi 11-19)

Obiettivi: definire metodi ed algoritmi per la soluzione dei problemi identificati nella seconda fase.

Metodo: studieremo l’estensione delle metodologie classiche e più recenti della Ottimizzazione Combinatoria e della Geometria Combinatoria alla soluzione dei nuovi problemi definiti nella seconda fase. In particolare un approccio non ancora tentato che potrebbe dare buoni frutti consiste nel utilizzare il paradigma delle tecniche metaeuristiche al mondo dei problemi definiti su spazi continui o ‘quasi continui’. A questo scopo è fondamentale la presenza nell’UR di esperti internazionali nel campo delle metaeuristiche [DL04] e della teoria dei gruppi [BQ00].

Risultati: articoli e rapporti interni che descrivono gli algoritmi di ottimizzazione e le nuove metodologie individuate.

Fase 4: codifica (mesi 20-24)

Obiettivi: implementazione e test degli algoritmi.

Metodi: gli algoritmi di cui alla precedente fase verranno implementati in linguaggio C o Fortran. Insieme alla UR di Milano si individueranno opportuni istanze test (benchmark) sulle quali sperimentare i nuovi metodi. Un importante ruolo in questa fase avrà il confronto tra i metodi discreti sviluppati dall’UR di Milano e i metodi ‘quasi’ continui proposti da questa UR.

Risultati: istanze test risultati computazionali, confronto di algoritmi, articoli e rapporti interni.

The research unit (RU) of Reggio Emilia is an interdisciplinary group including people mainly from two Departments (Department of Engineering and Department of Social and Cognitive Sciences) having specific competencies in (i) Operations Research, (ii) Combinatorial Geometry and (iii) Human Machine Interaction. More specifically the original scientific interests of the RU are in the first two subjects, but in the last years it co-founded the Human Machine Interaction (HMI) group at the University of Modena and Reggio Emilia (within some people coming from ergonomics, human factor and cognitive sciences), which is very active in the field. The RU will give its contribution to two research areas in the project:
(a) the user centered approach to the introduction of new Digital, Wearable and Portable Devices (DWPD) in daily physicians work;
(b) the design of optimizing tools for planning Wireless Lan.

FIRST RESEARCH AREA

The HMI group is focused to promote the entire design and evaluation cycle of the so-called human technologies. Its expertise is spread off among different domains since is working for Case-New Holland in the area of on-board information system for agricultural machine; it is collaborating with Centro Ricerche FIAT in the area of on-vehicle user interfaces; it is promoting and participating to several submitted European projects on user interfaces, on wearable and portable devices for industrial domain (either as participant to the research or as project coordinator). A recent work include a modeling languages for user interface [MP03, the design and development of innovative user interfaces for mobility and the emerging context aware technologies in automotive [MA02,MR04]. The group is also working in the fields of context awareness, information management, workload control in the industrial domains and mechatronic systems and automotive field.
This RU intends to identify how the hospital personnel can fruitfully and effectively exploit the DWPD and intends to foreseen their application within an effective wireless network compliant with the medical environments. To achieve the goal two relevant topics have to be analyzed: (i) which tasks the personnel could accomplish using portable devices; (ii) how the control systems and the user interfaces embedded in these devices can be tailored around the user activities. According to this approach we must switch from a technology-driven approach, where the technical solutions (even innovative) influence the way to utilize the DWPD and to perform the corresponding tasks, to a user-centered approach [DN86], where the users’ expectations and usability requirements shape the devices and the conditions of use.
Several hospitals are starting to adopt digital instrumentation both wired and wireless to retrieve information for the hospital personnel as well as to provide a continuous informative on field support during the vary task execution.
Nevertheless, many evidences are showing a sort of resistance of the physician to change most of their practices and tasks even if new and promising tools seems to simplify their work [SK99]. As a matter of fact, these application as the computerised medical records, diagnosis or examinations are still conceived and developed following a technology-driven approach. It simply consists of a supply of existing instruments and technologies and the final user is required to adapt his/her interaction modalities to the instrumental features. On the contrary, the only effective way to introduce new DWPD in daily physicians work is bridging the systems functionality with the user task requirements. This is exactly the strength of the proposal of this RU, namely a detailed analysis of the critical factors allowing an effective use of the systems mentioned above, and the identification of the most suitable way according to which these tools and devices could effectively meet the physicians and paramedics’ tasks and activities requirements.

The structure of the project activity is in line with the user-centred approach requirements which starts from the analysis of the user task, it proceeds providing with the early concept devices design and the performing of a first set of usability tests on these devices. The results of these tests will permit to update the further devices version (i.e. real prototypes) and to perform a more effectives users’ test in the users’ daily working activities.

This part of the research will be done in strict collaboration with the RU from Ferrara.

Phase 1: Task analysis and requirements identification (months 1-4)

Objectives: This activity is aimed to perform a tasks analysis on physicians and paramedical operations and to identify the design requirements for the innovative DWPD.
This analysis is expected to be conducted both on ordinary and extraordinary (i.e. emergency) operations which implies different ways to accomplish the goals.

Method: The task analysis [HR98] has been thought to identify what is required to the user in terms of actions and/or cognitive processes to achieve a task. The first step of this Method is the task decomposition aimed to break down a main task into their constituent subtasks and operations. The second step is the task flow diagrams with the details of specific tasks, details of interactions between the user and the current system and devices. Task flows will highlight where task processes are poorly understood and could be upgraded via innovative systems and devices as the ones here designed. Once several relevant tasks are identified, a task analysis per each of them will be conducted.

Results: This phase will produce two deliverables: The task analysis report and a list of requirements which will guide the further design phase DWPD.

Phase 2: Design and specification of the DWPD and the most suitable multimodal user interface (months 5-10)

Objectives: This activity takes the move from the previous design requirements list with the aim to design and develop a proper set of concepts of DWPD fully compliant with the users’ tasks.

Method: During this analysis, the DWPD and the most perceivable visual and acoustical user interface will be studied (for instance, in such conditions as the emergency ones a multimodal information where visual and acoustical format are merged is preferable than an only visual output).
Particular attention will be paid to the ways according to which these devices can be used (including, for instance, new technologies as the “head up” visual display, keyboard placed along the harm). For instance, the control elements will be as simple and function oriented as the physicians required. Finally, also the physical shell of these devices will be proper analysed in order to be fully compliant with the task requirements.

Results: This phase will produce two deliverable: a set of working prototypes of wearable and portable devices to be tested; the specification for the further deployment.

Phase 3: Usability test of the DWPD, final prototype development and functional test (months 11-19)

Objectives: In this phase, the device concept will be evaluated through usability tests to identify how the interactional modalities of the devices meet the user requirements. Next the devices will be re-designed, the corresponding version will be developed and finally tested in the real environment, i.e. fully operable into the wireless network.

Method: The usability test session will include both qualitative and quantitative methodologies. A sample of target users will be equipped with the DWPD and asked to perform some specific task. Before and after these tasks, questionnaires will be proposed to the users. The questionnaires will investigate the device acceptance level and the impact on user workload, especially in critical tasks. The most suitable scale for the workload evaluation will be selected (e.g. Rating Scale Mental Effort [ZV85], or NASA-TLX [HS88]). The users will be monitored so to understand the error committed with the devices, the main operational difficulties encountered and the most relevant usability troubles (on the basis of the usability heuristics as listed in Nielsen [NJ93]). The tests will be performed at the Hospital S. Anna of Ferrara (RU of Ferrara). Following the instruction emerged from the usability test the final version of the DWPD will be developed; these devices are expected to fully work in the wireless network. Therefore, both functional test and final usability evaluation will be conducted. The first one with the aim to test how the system actually work in the tasks environment. The second to verify if the devices finally meet the user task requirements and features.

Results: First a report with a set of re-design instructions to be implemented in the final version of the devices. Then the final assessment of the work done, i.e., if the devices meet the users’ task requirements and it works as expected. The deliverables are the report with re-design instruction, the final devices (including the final version of the user interfaces), the reports with the final user and functional evaluation.

Phase 4: Device and user interfaces improvement: toward the context awareness (months 20-24)

Objectives: The identification of potential inferential methods to detect user and context status and to update the user interface accordingly.

Method: According to the user interface domain, an expected step forward is represented by the so-called context- and user- aware interface [MM01, EB03]; they are able to shape the information and the visual and acoustical layouts around the user activities and the context of use. For examples, in critical situations, as during an operation, the system must be able to delay the information display if they are not relevant for that task. Similar examples has been already and successfully experimented in the automotive and other fields [MA02].
The first topic to be explored is how the available sensors spread within the environment can contribute to localise the user position and to identify the context; secondly, the device should truck how the user behaviour is demanding. The knowledge on users and context the system acquired should contribute to tailor in real time the user interface. In this task, the development of proper inferential methods to detect user and context status will be proposed and tested in a simulated and PC-based environment.

Results: this phase will provide a set of methods to be implemented in the previously designed devices and the results of their comparative between a PC-based environment and a corresponding real situation.

SECOND RESEARCH AREA

This part of the RU activity is a complement and an extension to the research made by the RU of Milano and Lecce on the methodologies for planning a Wireless Lan (WLAN).
The method usually adopted to design a WLAN consists of defining some test points in the area that will be served and then to optimize the access points positioning with respect to possible users located in the test points (see the application of the RU from Milan for more details). Due to this discrete formulation of the planning problem the methods adopted for the solution are discrete optimization techniques. However it is intrinsic in the concept of wireless communication that the users move freely in the area and they would be able to use the network (with the best performances available) independently of their position. A planning achieving this goal should either define an extremely large number of test points (and use a discrete optimization tool) or use a continuous model. We concentrate on the second approach that have been attempted in the past, to some extend, but have been substantially abandoned in the last years. Our aim is to propose the use of some new ideas from the field of discrete optimization [DM97, AD04, DL04] to the solution of the continuous model.
The basic problem we will consider is that of covering a given area of the plane with disks of given radius, by minimizing the sum of the areas in the intersections of two disks. Variant of this problem arise when some quantity is discretised, e.g. when the access point locations lays on some one dimensional space, as happen for the walls, or when the area to be covered is represented by a finite set. Also the different shapes of the area to be covered, including non convex areas and the possible presence of obstacles inside the area should be considered.

Our research program is as follows.

Phase 1: literature analysis (months 1-4)

Objectives: To give a complete review of the scientific literature on the problem and related areas.

Method: In this phase the RU will collaborate with the other RU of Milano and Ferrara to define the requirements needed in the deployment of a WLAN in a hospital as emerging from the particular applications that will exploit it. We will check in particular the relevant literature in the domain of Operations Research, Telecommunications, Combinatorial Geometry, Computational Geometry
The characteristics of the security system will be also identified in
collaboration with the RU of Milan.

Results: An annotated bibliography of the relevant literature.

Phase 2: Problems selection (months 5-10)

Objectives: define some relevant model approximating the general real problem, or useful to define good lower bounds

Method: We will use the results of the first phase and the problem definition obtained with the RU of Milan and Ferrara to define: (i) possible decomposition of the WLAN planning problem in sub-problems; (ii) relevant problems obtained relaxing some requirement of the original problem. For each sub-problem or relaxation we will identify if there exists approaches and/or solution methodologies in the literature, or if a complete research is needed.

Results: A set of alternative models for the planning problem and for the most relevant sub-problems.

Phase 3: (months 11-19)

Objectives: Definition of methodologies and algorithms for the solution of the problems identified in phase two.

Method: we will try to adapt the current state-of-the art methodologies in Combinatorial Optimization and Computational Geometry to the new problems determined in the second phase. In particular a possible intriguing approach not yet well exploited in the literature is the use of some paradigm from the metaheursitic word to solve problems in continuous, or “almost” continuous spaces. To this aim it is fundamental the presence in the group of leading experts in metaheuristic [DL04], from one side and in group theory from the other side [BQ00].

Results: Reports and papers on optimization algorithms for the planning problems and on the new methodologies we will define

Phase 4: (months 20-24)

Objectives: Implementation and test of the algorithms.

Method: We will implement in an appropriate computer language (probably C language or Fortran) the main algorithms and methods developed in the previous phase. We will also define, with the RU of Milan, appropriate benchmark instances and we will test the methods on these instances. An important part of this phase will also be the comparison of the results obtained with the “almost” continuous models and algorithms studied by our RU and the pure discrete methods developed by the Milan RU.

Results: Benchmark instances, computational results, reports and papers.

		Numero	Mesi uomo 1° anno	Mesi uomo 2° anno	Totale mesi uomo
Personale universitario dell'Università sede dell'Unità di Ricerca	5	22	21	43
Personale universitario di altre Università	0	0	0	0
Titolari di assegni di ricerca	0
Titolari di borse	Dottorato	5	22	22	44
Post-dottorato	0
Scuola di Specializzazione	0
Personale a contratto	Assegnisti	0
Borsisti	0
Dottorandi	0
Altre tipologie	1	6	6	12
Personale extrauniversitario	0
TOTALE		11	50	49	99

Voce di spesa	Spesa in Euro	Descrizione
Materiale inventariabile	21.000	Dispositivi di rete, Dispositivi di interazione, computer indossabili, PCs
Grandi Attrezzature
Materiale di consumo e funzionamento	5.000	Cancelleria, postali, telefonici, toner, manutenzione e assistemza hardware, libri, etc.
Spese per calcolo ed elaborazione dati
Personale a contratto	15.000	programmatore per lo sviluppo delle interfacce
Servizi esterni	10.000	Sviluppo di prototipi di sistemi di interazione
Missioni	15.000	Missioni initalia e all'estero
Pubblicazioni
Partecipazione / Organizzazione convegni	15.000	Partecipazione a congressi internazionale, organizzazione di workshop
Altro
TOTALE	81.000

Voce di spesa	Spesa in Euro	Descrizione
Materiale inventariabile	21.000	Network device, wearable computers, interactional controls and display, PCs
Grandi Attrezzature
Materiale di consumo e funzionamento	5.000	Stationery, postal, phone, toner, hardeware maintenance, books,etc.
Spese per calcolo ed elaborazione dati
Personale a contratto	15.000	programmer for implementing the sw user interfaces
Servizi esterni	10.000	Development of prototipal interactional devices
Missioni	15.000	Trips in Italy and abroad
Pubblicazioni
Partecipazione / Organizzazione convegni	15.000	International Congress partecipation, workshop organization
Altro
TOTALE	81.000

		Descrizione
Costo complessivo del Programma dell'Unità di Ricerca	81.000
Fondi disponibili (RD)	8.300	Progetto di ateneo, Ateneo di Modena e Reggio Emilia
Fondi acquisibili (RA)	16.200	Fondi provenienti da Ateneo di Modena e Reggio Emilia
Cofinanziamento di altre amministrazioni
Cofinanziamento richiesto al MIUR	56.500

(per la copia da depositare presso l'Ateneo e per l'assenso alla diffusione via Internet delle informazioni riguardanti i programmi finanziati e la loro elaborazione necessaria alle valutazioni; legge del 31.12.96 n° 675 sulla "Tutela dei dati personali")

MALUCELLI	FEDERICO	malucell@elet.polimi.it
MAT/09 - Ricerca operativa
Politecnico di MILANO
Facoltà di INGEGNERIA dell'INFORMAZIONE
Dipartimento di ELETTRONICA E INFORMAZIONE

DELL'AMICO	MAURO
Professore Ordinario	05/12/1960	DLLMRA60T05H223B
MAT/09 - Ricerca operativa
Università degli Studi di MODENA e REGGIO EMILIA
Facoltà di INGEGNERIA II
Dipartimento di SCIENZE E METODI DELL'INGEGNERIA
0522-522-228 (Prefisso e telefono)	0522-522-230 (Numero fax)	dellamico@unimore.it (Email)

1.	DELL'AMICO M.; F. MAFFIOLI; M.L. MERANI (2004). A Tree Partitioning Dynamic Policies for OVSF Codes Assignment in Wideband CDMA. IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS. to appear.
2.	R. ARINGHIERI; DELL'AMICO M. (2004). A Variable-Neighborhood Variable-Objective Tabu Search Algorithm for the SONET Ring Assignment with Capacity Constraints. In C. REGO AND B. ALIDAEE EDS Adaptive Memory and Evolution: Tabu Search and Scatter Search.: Kluwer Academic Publisher
3.	DELL'AMICO M.; FINTA L. (2002). A Linear Time Algorithm for Scheduling Outforests with Communication Delays on Three Processors JOURNAL OF ALGORITHMS. (vol. 44 pp. 287-307)
4.	DELL'AMICO M.; MAFFIOLI F.; LABBE' M. (1999). Exact Solution of the SONET Ring Loading Problem OPERATIONS RESEARCH LETTERS. (vol. 25 pp. 119-125)
5.	DELL'AMICO M.; MAFFIOLI F.; MARTELLO S (1997). Annotated Bibliographies in Combinatorial Optimization: J. Wiley