Zastosowanie Informatyki w Medycynie Wprowadzenie

Transkrypt

1 Zastosowanie Informatyki w Medycynie Wprowadzenie Prof. zw. dr hab. inż. Marek Kurzyński Wydział Elektroniki marek.kurzynski@pwr.wroc.pl (pok. 110, C-3, tel ) Informatyka medyczna (Medical Informatics) Informatyka medyczna zastosowanie informatyki w ochronie zdrowia (medycynie) Dział Informatyki Informatyka medyczna Dział Inżynierii Biomedycznej Inżynieria Biomedyczna MATEMATYKA INFORMATYKA AUTOMATYKA Stymulacja rozwoju informatyki Informatyka medyczna Narzędzi i metody informatyki BIOLOGIA MEDYCYNA INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA INFORMATYKA ELEKTRONIKA MECHANIKA (TECHNIKA) 1

2 Informatyka medyczna Dział Inżynierii Biomedycznej Biomateriały Sztuczne narządy Fizyka medyczna Biomechanika Biotechnologia Biosystemy Chemia Informatyka Bioinformatyka Bioinformatyka - dyscyplina zajmująca się stosowaniem narzędzi matematycznych i informatycznych do rozwiązywania problemów z nauk biologicznych. Podstawowe zagadnienia bioinformatyki: katalogowanie informacji biologicznych (na poziomie molekularnym, komórkowym, np. katalogowanie funkcji genów/białek) analiza sekwencji DNA analiza sekwencji genomów ustalanie ewolucyjnych relacji pomiędzy zbiorami sekwencji / organizmów genotypowane (używane między innymi do wyszukiwania genów odpowiedzialnych za choroby) analiza ekspresji genów analiza sekwencji białek komputery DNA (obliczenia zachodzą dzięki reakcjom chemicznym pomiędzy cząstkami DNA) Biopomiary Obrazowanie medyczne Systemy komputerowe i teleinformatyczne w służbie zdrowia Informatyka medyczna Studia na specjalności Bioinformatyka sa prowadzone głównie na kierunku Biologia (Wydziały Przyrodnicze Uniwersytetów) W Politechnice Wrocławskiej na Wydziale PPT na kierunku Biotechnologia Zakres tematyczny wykładu 1. Szpitalne systemy informatyczne 2. Modelowanie procesów (obiektów) biomedycznych 3. Komputerowe wspomaganie diagnozy medycznej 4. Analiza i przetwarzanie biosygnałów (EKG, EMG, EEG (potencjały wywołane)) 5. Diagnostyka obrazowa (obrazowanie medyczne) 6. Rozumienie obrazów (metody syntaktyczne) 7. Systemy telemedyczne (telekonsultacje, zdalne, mobilne monitorowanie pacjentów) Szpitalne systemy informacyjne (HIS) Architektura, moduły funkcjonalne (PACS, LIS, PIS, RIS), standardy komunikacyjne (HL7), standardy kodowania danych (ICD9, ICD10), standardy kodowania danych obrazowych (DICOM) 2

3 Moduły szpitalnego systemu informacyjnego Szpitalne systemy informacyjne Komputerowe wspomaganie diagnostyki medycznej Metody reprezentacji wiedzy, procedury uczenia, algorytmy diagnostyczne (algorytmy rozpoznawania (klasyfikacji)) Zadanie automatycznego rozpoznawania (klasyfikacji) Cechy Wiedza Klasyfikator A B C Wynik rozpoznawania Objawy Algorytm diagnostyczny Diagnoza Obiekt rozpoznawania 3

4 Zadanie rozpoznawania - reprezentacja obiektów w przestrzeni cech Uczenie systemu rozpoznawania Cecha 2 Nauczyciel Cechy Zbiór obiektów Punkt w przestrzeni cech Uczenie krok 1 Po wielu krokach procesu uczenia Cechy Cecha 1 Nauczyciel Samodzielne rozpoznawanie Cechy Uczenie krok 2 Algorytm rozpoznawania powierzchnia rozdzielająca w przestrzeni cech Cecha 2 Modelowanie obiektów biomedycznych Procesy farmakokinetyczne (dystrybucji leku), modele kompartmentowe, praktyczne znaczenie modeli Strumień leku Proces farmakokinetyczny (dystrybucji leku) Stężenie leku (efekt farmakologiczny) Model procesu farmakokinetycznego Pożądane stężenie leku Cecha 1 4

5 Modelowanie procesów farmakokinetycznych Kompartment Kompartment Strumień podaży leku Analiza i przetwarzanie biosygnałów sygnał EKG Elektrokardiografia podstawy fizjologiczne, sposób rejestracji (odprowadzenia), filtracja, analiza i interpretacja sygnału EKG, rodzaje sygnału EKG (spoczynkowe, wysiłkowe, holterowskie) Strumień eliminacji leku Zmiana stężenia leku w kompartmentach Komputerowe przetwarzanie sygnału EKG Komputerowe przetwarzanie sygnału EKG Morfologia EKG Spoczynkowe EKG zapis z 12 odprowadzeń Odprowadzenia kończynowe (6) i przedsercowe (6) Trudności z lokalizacją załamków 5

6 Komputerowe przetwarzanie sygnału EKG Komputerowe przetwarzanie sygnału EKG Trudności z lokalizacją załamków Trudności z lokalizacją załamków Komputerowe przetwarzanie sygnału EKG maskowanie impulsów kardiostymulatora Analiza i przetwarzanie biosygnałów sygnał EMG Elektromiografia rejestracja sygnału EMG, metody parametryzacji, rozpoznawanie ruchu dłoni, zastosowanie do sterowania bioprotezą (interfejs człowiek maszyna) Kardiostymulator 6

7 C Z-C3 C 3-T3 T 3-SP1 S P1-SP2 S P2-T4 T 4-C4 C 4-CZ E OG1-EOG2 F P1-F7 F 7-T3 T 3-T5 T 5-O1 F P2-F8 F 8-T4 T 4-T6 T 6-O2 F P1-F3 F 3-C3 C 3-P3 P 3-O1 F P2-F4 F 4-C4 C 4-P4 P 4-O2 E KG 1 sec Sterowanie poprzez rękawicę sensoryczną Analiza i przetwarzanie biosygnałów sygnał EMG Uczenie systemu Praca systemu Komputerowy system do trenowania korowych ośrodków sensorycznomotorycznych dla osób przed protezowaniem i/lub przeszczepem ręki Analiza i przetwarzanie biosygnałów sygnał EEG (potencjały wywołane) Elektroencefalografia metody akwizycji, analiza, znaczenie diagnostyczne (potencjały wywołane) Diagnostyka obrazowa Metody obrazowania medycznego (radiologia, mikroskopia, tomografia), przykłady systemów komputerowej analizy obrazów medycznych C omment Eye Blink C3 pulse artifact C3 pulse artifact C3 pulse artifact E y es left E y es rig ht 100 uv 7

8 Nośność informacyjna danych liczbowych, opisu tekstowego i obrazu Główne rodzaje zobrazowań medycznych Wynik Norma Jedn G/l T/l g/dl % Jan Kowalski, PESEL: Badanie USG jamy brzusznej Data badania: Rentgenografia (RTG) Tomografia komputerowa (CT) Magnetyczny rezonans jądrowy (MRI) Wątroba: niepowiększona o homogenicznym echu PŻW: ŻW nieposzerzone Pęcherzyk żółciowy : echoujemny bez złogów Trzustka: w USG b/z. Nerka prawa. Nerka lewa. W USG b/z Śledziona: w USG b/z Naczynia jamy brzusznej: nieposzerzone Pęcherz moczowy: dobrze wypełniony o gładkich ścianach Gruczoł krokowy: niepowiększony, homogenny Scyntografia (SPECT) Diagnostyka obrazowa Pozytronowa emisyjna tomografia (PET) Termografia (TG) Ultrasonografia (USG) Fotogrametria (FGM) Obrazowanie medyczne Obrazowanie medyczne przetwarzanie obrazu Pozyskanie Rejestracja PACS Udostępnienie Filtracja Segmentacja obrazu obrazu obrazu Telemedycyna Przetwarzanie obrazu HIS Szkieletyzacja Wyznaczenie konturu Wyniki analizy X=1.25, y=3.15, z=36.6 Rozpoznawanie Sugestia Wygładzanie kształtu diagnozy Normalizacja Etapy przetwarzania 8

9 Przetwarzanie obrazu przykład segmentacji Automatyczna analiza obrazu Kontur zmiany melanocytowej Analiza - cechy morfometryczne kształtu: - długość, - polaryzacja, - indeks kształtu Obraz morfologii krwi Analiza morfologia: - liczba krwinek czerwonych - liczba krwinek białych - Hemoglobina - Hematokryt -.. Analiza obrazu wyznaczanie określonych liczbowych cech charakteryzujących właściwości obrazu (obiektu na obrazie). Wynik analizy powinien wystarczyć do podjęcia diagnozy (bez konieczności przechowywania obrazu) Rozumienie obrazu - zakłócona percepcja obrazu Rozumienie obrazu - zakłócona percepcja obrazu Linie oczywiście równoległe Środkowe koła są jednakowe Niejawne założenia wynikające wyłącznie z osobistych doświadczeń Kontekst Tu nie ma sześcianu Ile nóg ma ten słoń? 9

10 Rozumienie obrazu - zakłócona percepcja obrazu Rozumienie obrazu - zakłócona percepcja obrazu Na obrazie nie ma trójkątów Podobnie, nie ma tutaj kółek Iluzja ruchu (to nie jest animowany obraz) Poruszenie głowy powoduje animację Dwie różne treści rysunku Rozumienie obrazu zakłócona percepcja obrazu Rozumienie obrazu - zakłócona percepcja obrazu 10

11 Rozumienie obrazów analiza semantyczna Analiza sekwencji obrazów (video) Systemy telemedyczne Telemedycyna (historia, rozwój, zakres usług), telekonsultacje (telediagnostyka), zdalne monitorowanie pacjentów (systemy mobilne i bezprzewodowe), ubieralne czujniki elektrody ekg czujnik temperatury czujnik oddechowy czujnik upadku elektroda ekg pas z baterią oraz komputerem pacjenta 11

12 12

13 1. W. Trąbka i inni, Szpitalne systemy informatyczne, Wydawnictwo Versalius, Kraków E.Piętka, Zintegrowany system informatyczny w pracy szpitala,pwn, Warszawa R. Zajdel, E. Kącki, M. Kurzyński [red.], Kompedium informatyki medycznej, Alfa Medica Press, Warszawa E. Kącki, J. Kulikowski [red.], Systemy komputerowe i teleinformatyczne w służbie zdrowia, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa W. Kowalski [red], Wybrane zagadnienia informatyki i elektroniki medycznej, Oficyna Wyd. Pol. Wr., Wrocław M. Kurzyński, Rozpoznawanie obrazów, Oficyna Wyd. Pol. Wr., Wrocław M. Kurzyński, Algorytmy komputerowego rozpoznawania wieloetapowego i ich zastosowania medyczne, Oficyna Wyd. Pol. Wr., Wrocław L. Rutkowski, Metody i techniki sztucznej inteligencji, PWN, Warszawa R. Tadeusiewicz [red], Inżynieria Biomedyczna, Wyd. Naukowe AGH, Kraków, S. Bielawski, Modele farmakokinetyczne, WKŁ, Warszawa U. Foryś, Matematyczne modelowanie procesów nowotworowych, IBiIB, Warszawa A. Gacek, przetwarzanie sygnału EKG z zastosowaniem metod inteligencji obliczeniowej, IBiIB, Warszawa

14 13. J. Moczko, L. Kramer, Cyfrowe metody przetwarzania sygnałów biomedycznych, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań P. Augustyniak, Transformacje falkowe w zastosowaniach elektrodiagnostycznych, Wyd. Naukowe AGH, Kraków, L. Chmielewski, J. Kulikowski [red.], Obrazowanie medyczne, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa R. Cierniak, Nowe algorytmy rekonstrukcji obrazu z projekcji z zastosowaniem sieci neuronowych, Wyd. Pol. Częst., Częstochowa M. Flasiński, Syntaktyczne metody rozpoznawania obrazów, Wyd. UJ, Kraków M. Flasiński, R. Tadeusiewicz, Rozpoznawanie obrazów, PWN, Warszawa M. Ogiela, Strukturalne metody rozpoznawania obrazów w kognitywnej analizie zobrazowań medycznych, Wyd. Naukowe AGH, Kraków, G. Pawlicki, Podstawy inżynierii medycznej, Oficyna Wyd. Pol. Warsz., Warszawa E. Tkacz, P. Borys, Bionika, WNT, Warszawa R. Tadeusiewicz, Pozyskiwanie obrazów medycznych, Wyd. Naukowe AGH, Kraków P. Augustyniak, Elektrokardiografia dla informatyka praktyka, Wyd. Naukowe AGH, Kraków