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