Multimédia a
informatika v
medicíně
ERIK STAFFA
BIOFYZIKÁLNÍ ÚSTAV LF MU BRNO
Systém
je když…
Jde o obecný pojem, který vyjadřuje obvykle
nějaké uspořádání prvků a vztahů mezi nimi
Příklady systémů:
Fylogenetická klasifikace živočichů
Model ekosystému
Blokové schéma mikroskopu
Metabolické dráhy
Jak z toho udělat definici?
Systém je když….
Pracujeme systematicky
Definice:
Systém je dvojice množin (P,V), kde P je množina prvků a
V je množina vztahů mezi nimi.
Rozdělení systémů
 LINEÁRNÍ SYSTÉMY
 Matematicky
 Lze popsat lineární diferenciální rovnicí s konstantními koeficienty:
 Platí princip superpozice1
 Chovají se hezky a jsou dobře řešitelné
 ALE pro většinu biologických systémů příliš zjednodušující
 NELINEÁRNÍ SYSTÉMY
1Jestliže na těleso působí současně více sil, rovnají se silové účinky působení jediné síly, tzv. výslednice sil, která je rovna
vektorovému součtu těchto sil.
JAK SOUVISÍ SIGNÁLY A
SYSTÉMY?
Systém je zdrojem signálu
Signál je průchodem systému modifikován
Modifikace záměrná: zpracování signálu, filtrace
Modifikace nežádoucí: poruchy, šum
Co je to šum?
Ve zpracovávání signálu může šum znamenat data bez
významu, tedy data, která nejsou použita pro přenos
signálu a jsou jen produkována jako nechtěný vedlejší
produkt jiných aktivit.
biosignál
SIGNÁL
Je fyzikální děj nesoucí informaci o
systému
Je žádoucí, aby nesl užitečnou
informaci
Je to výstup systému
BIOSIGNÁL
Signál, které nese informaci o živém
systému
A NARÁŽÍME NA OTÁZKY
Co je informace?
Co je systém?
Co je živý systém?
Biosignál – stochastický
signál
 Reálná situace: náhody se nezbavíme – šum,
případné onemocnění
 Matematicky jde o náhodný proces
 Jde popsat jen pravděpodobnostmi (Brownův
pohyb)
Biosignál
SPOJITÝ ČAS
Spojitý – lze si představit jako plynulý
Deterministický signál → modelem je funkce
Stochastický signál → modelem je spojitý náhodný proces
DISKRÉTNÍ ČAS
Čas je definovaný jen v izolovaných okamžicích
Mezi okamžiky nemusíme „vidět“ – např. čas mezi měřeními
Mezi okamžiky nemusí být signál definovaný
Deterministický signál→ modelem je posloupnost
Stochastický signál→ modelem je diskrétní náhodný proces
DISKRÉTNÍ HODNOTY
Hodnoty jsou vybírány jen z konečné množiny
Výsledek je kvantování – např. cena v korunách, číslice na displeji
Přirozeně diskrétní signál – např. počet nemocných, náklady, ..
Biosignály
 PASIVNÍ
 Organizmus není zdrojem energie
 Organizmus modifikuje vnější energii
 Např. rtg, ultrazvuk, bioimpedance
 AKTIVNÍ
 organizmus je zdrojem energie
 tuto energii registrujeme a zesilujeme
 např. ekg, spirometrie, ergometrie
 Analogový signál - dán spojitou funkcí spojitého času
spojitý čas – představme si jako plynulý
deterministický signál → modelem je funkce (např. proud)
stochastický signál → model je spojitý náhodný proces
(např. onemocnění)
Příklady:
 EEG – vzniká elektrickou aktivitou mozku
 EKG – vzniká elektrickou aktivitou srdce
 řeč – příklad akustického signálu
http://www.noveltis.com/img/site/innovation-technologique/signal-3.jpg
http://www.youcanstaysharp.com/fileadmin/user_upload/eeg_traces.gif
 Diskrétní čas → čas definovaný jen v izolovaných
okamžicích
 Diskrétní hodnoty → hodnoty jsou vybrány jen z konečné
množiny
→ výsledek kvantování – např. cena v
korunách
DIGITALIZACE SIGNÁLU
http://www.softwareag.com/blog/reality_check/wp-content/uploads/2014/04/Digital2.jpg
https://www.allianz.com/v_1339500543000/media/press/photo/things/digitalization.jpg
Diskrétní signál - okamžitá hodnota se nemění
spojitě s časem.
 Vzorkovaný signál - hodnota se mění pouze
v izolovaných okamžicích. Proces
diskretizace v časové oblasti. Není spojitý v
čase a vzniká vzorkováním analogového sg.
– počet vzorků za sekundu udává
vzorkovací kmitočet. Tzn. z biosignálu je
třeba vybrat jen vzorky.
 Kvantovaný signál - v libovolném okamžiku nabývá
pouze konečného počtu hodnot a změně hodnoty
signálu může dojít v libovolném čase. Proces
diskretizace oboru hodnot signálu. Pro převod A/D
převodník.
V praxi se obvykle obě metody kombinují.
 digitální signál - je vzorkovaný a následně kvantovaný. Tvořen
vzorky, které mohou nabývat pouze omezeného počtu
hodnot- posloupnost celých čísel. Při převodu A na D signál →
ztráta informace
Řešení → Zvyšováním vzorkovacího kmitočtu a počtu úrovní
kvantizace.
http://www.tsrb.hr/elektro/index.php?option=com_content&task=view&id=13&Itemid=
1
Binární soustava
bit a byte
⚫ Bit - binary digit (bit = drobek) je základní a nejmenší jednotkou
informace, základní jednotka kapacity paměti (v čase 56 kbit/s)
⚫ 1 bit = informace získaná odpovědí na jednu otázku typu ano/ne. Tyto
odpovědi můžeme označit binárními číslicemi 0 a 1.
⚫ Skupina 8 bitů se nazývá Byte („bajt“) - tzn. osmiciferné binární číslo.
Jeden bajt je obvykle nejmenší objem dat, se kterým dokáže počítač
(resp. procesor) přímo pracovat.
Problémy
 Shannonův-Kotelnikovův teorém - Přesná
rekonstrukce spojitého, frekvenčně omezeného,
signálu z jeho vzorků je možná tehdy, pokud byla
vzorkovací frekvence vyšší než dvojnásobek nejvyšší
harmonické složky vzorkovaného signálu. (př. CD
44,1 kHz X lidské ucho 20 kHz).
 Aliasing – při vzorkování dochází k překrývání
frekvenčních spekter
Nyquistova limita
Aliasing a rychlost záznamu
MOARÉ – PROBLÉM PŘI DIGITÁLNÍ
FOTOGRAFII
CCD
 Charge-coupled device, Willard Boyle a George E. Smith v
roce 1969, 2009 NC
 Fotoelektrický jev – „fotoefekt“, elektrony jsou uvolňovány z
látky v důsledku absorpce elektromagnetického záření látkou.
Foton při nárazu do atomu, excituje elektron
http://www.kenrockwell.com/canon/6d/D3S_9073-0600.jpg
VYUŽITÍ
 Polovodiče – volné elektrony vedou proud
 CCD - elektroda je od polovodiče izolována vrstvou oxidu
křemičitého – izolant. Elektrony nemohou být odvedeny.
http://www.techmania.cz/edutorium/data/fil_1760.gif
Základní charakteristika
obrazu
 Jas pixelu poskytuje informaci o svítivosti plošky
reálného obrazu. Černá barva (nulová svítivost) je
obvykle prezentována v paměti číslem 0, úplně bílá
pak nejvyšších použitelným číslem.
 Nejvyšší použitelná hodnota jasu určuje schopnost
dane reprezentace obrazu rozlišit různé úrovně jasu
= hloubka obrazu (počet bitů char. Jas jednoho
pixelu)
Digitální obraz
digitální obraz chápeme jako obrazovou informaci,
která je převedená do číslicové podoby
výhody digitálního obrazu:
 úprava obrazových dat bez vlivu na data
originální
 oproti úpravám analogových obrazů
umožňuje digitální obraz neporovnatelně vyšší
možnosti
 pro úpravy slouží v dnešní době celá řada
softwarů
rozlišujeme dva typy obrazů:
 vektorový
 rastrový
Vektorový a rastrový obraz
▪ Vektorový obraz je tvořen pomocí
geometrických objektů (tj. body, přímky, křivky,
polygony)
▪ Rastrový obraz je popsán pomocí jednotlivých
bodů – pixelů (pixel – je elementární část obrazu
z angl. picture element) – JPG, BMP, PNG, GIF,
TIFF
rozlišení
 Obraz určuje matice, jejíž prvky jsou hodnoty jasu
jednotlivých pixelů.
 Rozlišení je šířka a výška obrazu vyjádřená v počtu pixelů
(640x480)
 Rozlišení není fyzický rozměr! Vlastní informaci o fyzickém
rozměru nese údaj o velikosti jednoho pixelu (DPI – dots
per inch), odpovídá šířce jednoho palce (2.54cm)
Histogram obrazu
➢ Histogram je grafické zobrazení velikosti plochy (četnosti)
jednotlivých stupňů jasu od bílé (R,G,B=255) po černou
(R,G,B=0).
➢ Na vodorovné ose je 256 bodů (0-255), které odpovídají
počtu odstínů od černé vlevo po bílou vpravo.
➢ Na svislé ose je znázorněn počet pixelů příslušného jasu v
obrázku. Výška sloupců v histogramu znázorňuje, jakou
plochu v obrázku jednotlivé odstíny zabírají.
Použití histogramu
 Histogram poskytuje základní informaci o úrovni
jasu v obrázku
Příliš světlý
(přeexponovaný) –
pravá část
Příliš tmavý
(podexponovaný) –
levá část
Nízká úroveň kontrastu
– pouze střední část
Barevný model
 Informace o barvě pixelu je prezentována jako
bod barevného prostoru (obvykle trojrozměrný až
čtyřrozměrný)
 Barevné vlastnosti prezentuje trojice nebo
čtveřice čísel
 RGB model – barvu pixelu prezentuje odpovídající
jas červené, zelené a modré barvy (RGB),
výsledná barva je dána adicí všech tří barev
ZPRACOVÁNÍ
DAT
 Pořizování – záznam signálu, selekce informací
„Zálohovat, zálohovat, zálohovat,…“
 Zálohování dat
 Offline
 Online
 Komprese dat
http://www.craftcom.net/15_cdboot_hdd/cdboot_w98_obrazky/W98boot20.PNG
http://stahujzdarmaprogramy.cz/wp-content/uploads/2012/01/winr.jpg
Zásady zálohování
 postupy zálohování volíme v závislosti na konkrétní
situaci
 kontrola záloh – většina programů následně
umožňuje kontrolu archivu
 popisujeme zálohy
 z instalačních médií by měla být pořízena alespoň
jedna kopie
 volba média
 zálohujeme jen důležitá a protříděná data,
popřípadě celý operační systém
 využíváme automatického zálohování, pomůže
předejít lidskému selhání
 Archivace – kde a jak archivovat
• digitální objekty se nikdy neztratí
• digitální objekty nebudou zničeny
• digitální objekty budou stále
vyhledatelné
• digitální objekty budou stále
srozumitelné bez ohledu na
zastarávání technologií
Zabezpečení a sdílení – důležitá součást
pro data
http://datacentertalk.com/article/wp-
content/uploads/2011/11/network-security.jpg
'123456',
'heslo',
'12345',
'123456789',
'martin',
'aaaaaa',
'michal',
'internet',
'aaaaaa',
'666666',
'159753',
'hesloheslo',
'111111',
'heslo123',
'genius',
'matrix',
'hovno',
 Bezpečné heslo – počet a variabilita znaků
Internetové podvody
 PHISHING - druh internetového podvodu, kterým
se podvodníci snaží z uživatelů vylákat důvěrné
informace (nejčastěji k bankovním účtům –
PayPal, Ebay, KB, ČSOB, …)
 PODVODNÉ LOTERIE - e-maily s oznámením o
výhře vysoké částky. V případě, že oslovený
výherce kontaktuje provozovatele loterie, je mu
sděleno, že výhra bude vyplacena, jakmile zaplatí
manipulační poplatek.
 SCAM419 – „Nigerijské dopisy“
neznámý člověk zdědil nebo
spravuje majetek ve výši desítek
miliónů dolarů a potřebuje
pomoc při jeho převodu ze země.
Za to je slíbená tučná odměna ve
výši několika desítek procent z
celkové částky. Princip podvodu
spočívá v tom, že oběť musí
neustále platit nečekané
administrativní poplatky a převod
majetku se stále oddaluje.
 SCAM419 – falešné vydírání
 BAZAROVÉ PODVODY – INZERÁTY – Reakce se
zájmem na Váš inzerát. Případně podvodné
inzeráty se zbožím za výhodné ceny (automobily,
mobilní telefony, …).
 MALWARE - všeobecné označení pro škodlivý
kód. Nejčastěji to může být počítačový vir, červ
nebo stále častěji Trojský kůň. Dříve se podobná
havěť šířila přímo e-mailem, ale v dnešní době se
stále více využívá sociální inženýrství, kdy v textu
e-mailu je pouze odkaz na tento škodlivý kód pod
záminkou, že odkaz směřuje na zajímavý obrázek,
video nebo e-pohlednici.
 RANSOMWARE – vyděračské viry (WannaCry)
HOAX
 Podvodné, či nesmyslné fámy dle aktuálního dění
PC x NOTEBOOK x MOBILNÍ TELEFON
Zabezpečení
1. Zabezpečení - hesla, gesta, otisk prstu, obličej
2. Aktuální operační systém
3. Antivirus
4. Aplikace jen z ověřených zdrojů
5. Aplikace pro sledování
Integrace informatiky a
medicíny
Zdravotnická informatika
6 hlavních
oblastí zdravotnické informatiky
Biomedicínská informatika je obor na rozhraní informačních věd a medicíny.
Podle American Medical Informatics Association (AMIA) je to interdisciplinární
obor, který studuje a sleduje efektivní využití biomedicínských dat, informací a
znalostí k vědeckému výzkumu, řešení problémů a rozhodování, a je motivován
snahou o zlepšení lidského zdraví.
Informační systémy
 umožňují sběr, uložení, zpracování a distribuci
informací.
 V medicíně - např. ambulantní informační
systémy, nemocniční informační systémy,
informační systémy pojišťoven, zdravotní registry,
informační systémy záchranných služeb apod.
Elektronický zdravotní záznam,
elektronická zdravotní dokumentace
 Papírová dokumentace
 Informační systémy – elektronické záznamy (umožňuje
legislativa) – rozvoj až v 90. letech 20. stol.
➢ CompuGroup Medical Česká republika s.r.o. – systémy
Medicus, PC Doktor
➢ ICZ a.s. – např. systém AMIS*HD
➢ Medical Systems a.s. – systém IKIS
➢ Navertica a.s. – systém Hospital ERP
➢ STAPRO s.r.o. – např. systémy Medea, Akord, Enterprise
➢ eHealth a elektronické zdravotní knížky (např. IZIP), i funkční
regionální projekty (eMeDocs na Vysočině, Emergencycard
v Plzeňském kraji,…)
➢ MeDiMed a ePACS (výměna obrazové dokumentace)
Výhody elektronické
dokumentace
 menší prostorové i organizační nároky
 Automatická archivace
 Spotřeba materiálu
 Dohledatelné záznamy, přístupová práva lékařů a
sester
 Vždy čitelná
Nevýhody … ?
Strukturovanost dat a záznamů
Počátky zdravotnické informatiky
počítačové hodnocení EKG (Kolem r. 1960)
Modifikováno podle: Brooks and MacLeod, IEE Signal Proc 14: 24-42, 1997
Solving the Inverse Problem: 90’s
RTG výpočetní tomografie (CT)
(1970-80)
Dynamická prostorová rekonstrukce (1979-1996)
NMR (MRI) nukleárně magnetická rezonance
Pre-Hemi
Post-Hemi
Post-Fontan
Modified from: Medicine’s New Vision, Sochurek (ed); Mack Publishing Co. 1988
& Fogel et al. Am J Physiol, 269: H1132-H1152, 1995
EAH 1/97
Kombinace
PET/MR
Modelování (80. A 90. Léta)
Modified from:
Hunter et al,
McCulloch et al,
and Peskin et al.
High-Performance Computing
in Biomedical Research
CRC press 1993.
A. Anatomic Models
of Fiber Coupling
C. Communication
between
fiber and fluid
B. Fractal Model of
Aortic Valve
A B
C
http://assets.inhabitat.com/wp-content/blogs.dir/1/files/2013/01/MakerBot-Replicator-2X-3D-Printer-Consumer-Small-Business-
Additive-Manufacturing-Spring-2013-CES.jpg
http://www.nydailynews.com/news/world/3-d-printed-cast-future-article-1.1398383#
https://s-media-cache-ak0.pinimg.com/736x/51/63/81/51638138cbc1bc6765d0df90174e52a6.jpg
3D tiskárny
3D scanner
http://marketing.lmi3d.com/medical-applications-in-3d-scann
https://media.novinky.cz/395/743957-original1-2goj9.jpg
Ortopedie a protetika
Robotizace a
bionika
http://i.ytimg.com/vi/IEoGNvMEIBQ/maxresdefault.jpg
http://images.forbes.com/media/2009/08/14/0814_robot-hands-398x220.jpg
http://resources2.news.com.au/images/2012/12/18/1226539/510970-robotic-arm.jpg
Bionické oko
Inteligentní neurostimulátor
Elektrická stimulace specifických
nervů pro bolest zad
Hluboká
integrace
informatiky a
lékařství
Plánování a provedení radiační terapie
Modified from: Medicine’s New Vision, Sochurek (ed); Mack Publishing Co. 1988
CyberKnife – robotický ozařovač v
Ostravě
http://www.ordinace.cz/img/articles/16b9/16491.jpg
Řídící centrum
http://g.denik.cz/57/eb/100803_cyberknife_nemocnice_ostrava_12_galerie-980.jpg
https://encrypted-
tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRY7cP6f57FqU7RPVpiAblUHf6XDxki5tWyKQxgoconWLpavc
3w
Telemedicína (teleradiologie,
teledermatologie, telechirurgie,
telestomatologie)
http://www.rubbermaidhealthcare.com/conten
timages/products/telemedicine/about/Half-
Block_Telemedicine-Carts.jpg
http://internetmedicine.com/wp-
content/uploads/2012/08/telemed.jpg
http://thenpmom.files.wordpress.com/2012/01/t
elemedicine20doctor20head20tv.jpg
http://storiesbywilliams.files.wordpress.com/2013/09/medical-technology1.jpg
2 týdenní holter, komunikace přes e-mail
Technologický rámec
Digitální pilulka
 Projekt „Abilify MyCite“ (schváleno USA úřadem
pro potraviny)
 Sensor, jež detekuje přes náplast, zda pilulka
prošla trávicím traktem – zpětná kontrola
https://rctom.hbs.org/wp-content/uploads/sites/4/2016/11/Picture-proteus-1.jpg
Insulinové pumpy
Drony
Smartphones
Star Trek
Elisium
Sorry, it works only on people with insurance.
Wireless & Handheld
Google glass
http://cdn.psfk.com/wp-content/uploads/2014/09/Google_Glass_with_frame.jpg
http://internetmedicine.com/wp-content/uploads/2012/10/smartultra1.jpg
http://blog.myflamehealth.com/wp-content/uploads/2013/08/healthbeat-smartphone-physical.jpeg-
1280x960.jpg
StethoCloud
http://singularityhub.com/2012/08/10/stethocloud-the-20-stethoscope-attachment-for-smartphones-to-diagnose-
pneumonia/
Bezpečnost smartphonů!
 Antivirové a antispyware aplikace
 Automatický zámek telefonu
 Nebezpečné aplikace a jejich práva
 Automatické připojení wifi, bluetooth, NFC
http://cdn.i0.cz/public-
data/3c/d5/820f14413fde900a4d560b41f6f4_r16:9_w480_h270_gb4f8897499f311e3b7af002590604f2e.jpg?hash=c9e288a1c6570d6486fc3
88048f4745b
Nanovlákna
Nanovlákna
http://www.intechopen.com/source/html/8641/media/image7.jpeg
Nanovlákna
Nanofibers in medical applications Ing. Marcela Munzarová Elmarco s.r.o.
Využití internetu jako
edukačního prostředku
 Zpřístupnění odborných informací i laické veřejnosti!
PRO X PROTI
§2950 nového občanského zákoníku (č. 89/2012), který doslova uvádí:
„Kdo se hlásí jako příslušník určitého stavu nebo povolání k odbornému výkonu
nebo jinak vystupuje jako odborník, nahradí škodu, způsobí-li ji neúplnou nebo
nesprávnou informací nebo škodlivou radou danou za odměnu v záležitosti svého
vědění nebo dovednosti.“
Virtuální výuka medicíny
 Využití virtuální techniky, Virtuální pacient / modely
Modelové situace (MEFANET, OpenLabyrinths)
Modely
Odborné publikace
 Journals
Kde vědci hledají a publikují nové poznatky?
 Odborné knihovny
 http://ezdroje.muni.cz/
 http://www.sciencedirect.com/
 www.webofknowledge.com
 www.aleph.muni.cz
 Metadata – data o datech
 Odborné a výukové weby
http://www.medicalstudent.com/
http://dro.hs.columbia.edu/
http://emedicine.medscape.com/ophthalmology
http://www.merckmanuals.com/professional/eye_disorders.html?qt
=&sc=&alt=
http://www.zygotebody.com/
http://www.englishmed.com/
Impact factor
Zdroje:
 Eric Topol: The wireless future of medicine
http://www.youtube.com/watch?v=pTZM9X3JfTk
 Nahráno uživatelem TEDtalksDirector dne
 http://www.ted.com Eric Topol says we'll soon use
our smartphones to monitor our vital signs and
chronic conditions. At TEDMED, he highlights several
of the most important wireless devices in medicine's
future -- all helping to keep more of us out of hospital
beds.
TEDTalks is a daily video podcast of the best talks
and performances from the TED Conference, where
the world's leading thinkers and doers give the talk
of their lives in 18 minutes. Watch a highlight reel of
the Top 10 TEDTalks at
http://www.ted.com/index.php/talks/top10
 http://www.youtube.com/watch?v=vV1m5IPIz5M
 http://www.youtube.com/watch?v=xgBjEz_hSCA