Multimédia a informatika v medicíně, zpracování obrazu Erik Staffa Biofyzikální ústav LF MU Brno Systém je… 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 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) 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 Autor: Tomáš Vendiš – http://radiologieplzen.eu, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=13304105 https://www.wikiskripta.eu/index.php?curid=23930 Biosignál SPOJITÝ ČAS Spojitý – lze si představit jako plynulý Deterministický signál → modelem je funkce Stochastický signál → modelem je spojitý náhodný proces (např. onemocnění) 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, .. http://www.noveltis.com/img/site/innovation-technologique/signal-3.jpg http://www.youcanstaysharp.com/fileadmin/user_upload/eeg_traces.gif Diskrétní signál – na rozdíl od analogového signálu se okamžitá hodnota se nemění spojitě s časem. Jestliže se hodnota signálu mění pouze v izolovaných okamžicích – vzorkovaný signál. Proces diskretizace probíhá 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. DIGITALIZACE SIGNÁLU 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. 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 https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/78/Moire_rotation.gif16 MOARÉ – PROBLÉM PŘI DIGITÁLNÍ FOTOGRAFII https://cdn.megapixel.cz/images/w1024h1024/9/217829.jpg?v=1561990345 https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b6/Optiflex.jpg/300px-Optiflex.jpg Jak digitalizovat obrazovou informaci 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 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 dané reprezentace obrazu rozlišit různé úrovně jasu = hloubka obrazu (počet bitů char. Jas jednoho pixelu) V případě diskrétní konvoluce lze jádro chápat jako tabulku (konvoluční maska), kterou položíme na příslušné místo obrazu. Každý pixel překrytý tabulkou vynásobíme koeficientem v příslušné buňce a provedeme součet všech těchto hodnot. Tím dostaneme jeden nový pixel. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c5/Konvoluce_2rozm_diskretni.jpg/330px-Konvoluce_2rozm_diskretni.jpg 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 Integrace informatiky a medicíny Zdravotnická informatika 6 hlavních oblastí zdravotnické informatiky Medicínská 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,…) • eRecept • ÚZIS - Národní zdravotnický informační systém • MeDiMed a ePACS (výměna obrazové dokumentace) DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) 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 • Zabezpečení 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-scanning https://media.novinky.cz/395/743957-original1-2goj9.jpg Biotisk 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:ANd9GcRY7cP6f57FqU7RPVpiAblUHf6XDxki5tWyKQxgoconWLpavc3w Telemedicína (teleradiologie, teledermatologie, telechirurgie, telestomatologie) http://www.rubbermaidhealthcare.com/contentimage s/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/telem edicine20doctor20head20tv.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 https://www.rcdiydrones.com/wp-content/uploads/2019/10/tu-delft-ambulance-drone.jpg TU Delft Ambulance Drone ZipLine 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=c9e288a1c6570d6486fc388048f47 45b 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.“ Hoax v medicíně – konspirační teorie 96 https://www.hoax.cz/hoax/koronavirus-je-podvod/ 97 Virtuální výuka medicíny Využití virtuální techniky, Virtuální pacient / modely Modelové situace (MEFANET, OpenLabyrinths) Modely SIMU Odborné publikace Journals – odborné časopisy Kde odborníci hledají a publikují nové poznatky? Odborné knihovny http://ezdroje.muni.cz/ http://www.sciencedirect.com/ www.pubmed.gov www.webofknowledge.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