Univerzální nástroj pro zpracování 2D a 3D biologických dat Ladislav Stárek

Uni nástroj 1) Zobrazovací metody 2) Projekt – Univerzální nástroj na zpracování biologických dat: a) Nástroj pro zobrazení dat se 4 a více parametry b) Vrstevnice v 3D

Zobrazovací metody

RTG Pronikavé X-záření, vznikající v rentgenové elektronce, prochází přes vyšetřovaný objekt (tkáň organismu), přičemž část záření se absorbuje v závislosti na hustotě tkáně, zatímco zbylá část prochází tkání a je zobrazována buď fotograficky, nebo na luminiscenčním stínítku, nebo nověji pomocí elektronických detektorů. Vzniká tak rentgenový obraz vyšetřované tkáně zobrazující rozdíly v hustotě tkání. Jinak řečeno, rtg obraz vzniká projekcí X-záření přes tkáňové struktury uvnitř organismu s různými absorbčními koeficienty a různými tloušťkami.

Ultrazvuk Pararentgenová metoda – neozařuje pacienta Dá se opakovat – žádné negativní účinky Sonda se přiloží na břicho pacienta Vysílá mechanické kmity o vysoké frekvenci – ty se pak odrážejí

Echokardiografie ultrazvukové vyšetření srdce bezbolestná a neškodná zobrazovací metoda když je potřeba zobrazit srdce v pohybu, ověřit jeho schopnost pumpovat krev, změřit jeho rozměry nebo ověřit stav chlopní uz vlny dokáží bez bolesti a jediné kapky krve vytvořit „řez“ srdcem. Umožní lékaři nahlédnout do všech srdečních oddílů, změřit jejich velikost, pohyblivost a tloušťku stěny. Zobrazí srdeční chlopně v akci a informuje o jejich velikosti i struktuře. Barevné dopplerovské zobrazení ukáže tok krve v jednotlivých fázích srdeční činnosti. vlny pronikají hmotou. Na rozhraní dvou částí s odlišnými vlastnostmi dochází k odražení části vln a jejich návratu zpět směrem ke zdroji. Zbylé vlny pokračují hmotou dál, dokud nedosáhnou dalšího rozhraní, kde se opět jejich část odrazí

EKG Srdeční sval obsahuje buňky, které tvoří podněty k jeho smršťování. Tyto buňky vedou vzruchy do všech srdečních oddílů. Podrážděním dochází v jednotlivých buňkách ke změně elektrického napětí. Vznikají elektrické proudy, které se šíří všemi směry do okolí. Tělo tyto proudy dobře vede, a proto je možné je registrovat i na jeho povrchu.

EEG Vyšetření registrující aktuální elektrickou aktivitu mozku. Mozek při své činnosti podobně jako srdce (viz EKG) tvoří elektrické proudy. Ty lze na povrchu hlavy speciálními elektrodami registrovat. Přístroj signály mnohonásobně zesílí a převede na výslednou křivku. Tvar a charakter křivky se odvíjí od aktuální aktivity mozku. Bdění i spánek mají svůj charakteristický EEG záznam. Elektrody – přilepené na hlavě a spojeny s vyhodnocovacím zařízením. Použití – při podezření na poškození mozku.

Magnetická rezonance Princip magnetické resonance spočívá ve sledování a interpretaci signálů, které vysílají vodíkové ionty v magnetickém poli. Lidské tělo je z velké části složeno z vody. Vodíkové ionty jsou proto přítomny prakticky v každé jeho buňce. Přístroj kolem člověka vytvoří silné magnetické pole, které ustálí pohyb vodíkových iontů. Poté vyšle zvolené radiofrekvenční impulsy. Jejich působením dojde ke změně chování iontů a vyzáření dalších impulsů. Ty pak registrují speciální cívky… Rezonance poskytuje přesnější obraz měkkých tkání než CT. Pomáhá upřesnit nebo vyvrátit diagnózu v případech, kdy předchozí rentgenologické vyšetření selhalo. Pomocí MR je možné zhotovit obrazové řezy celého lidského těla.

SPECT-CT Výpočetní tomografie se skládá z řídícího počítače a rotující rtg lampy umístěné pod krytem gantry (tzv. "tunelu"). Zatímco se rtg lampa otáčí v gantry, pacient leží na vyšetřovacím stole, který se během expozice rtg zářením pohybuje v prostoru gantry. Pod krytem gantry jsou naproti rtg lampě umístěny sady detektorů, které měří záření prošlé tělem pacienta. Toto záření se v těle pacienta různě zeslabuje v závislosti na složení jednotlivých tkání a je tak možné na základě rozdílů změřeného zeslabení zrekonstruovat v počítači obraz těla pacienta v příčném řezu. Výsledkem je klasický CT řez, který obsahuje obrazy jednotlivých tkání v různých stupních šedi.

PET-CT Po aplikaci radioindikátoru dochází k jeho distribuci v určitých částech organismu, tuto distribuci pomocí zevní detekce vycházejícího záření g zobrazujeme scintilační kamerou, v počítači vznikají digitální scintigrafické obrazy, které jednak hodnotíme vizuálně, jednak můžeme pomocí křivek matematicky analyzovat vyšetřované procesy a počítat kvantitativní parametry funkce jednotlivých orgánů. Nakonec nastupuje interpretace všech těchto dílčích údajů a výsledků, která spolu s s výsledky dalších metod vyústí ve vyslovení diagnózy v závěrečném protokolu.

DICOM Digital Image Communication standard (92) často na výstupu lékařských zařízení Popisuje formáty, kódování dat a metody pro přenos info pro přenos velkých dat

Univerzální nástroj pro zpracování 2D a 3D biologických dat

Obecné schéma uni nástroje

OpenGL soubor knihoven na vytváření grafiky, v současné době dohání DX potřeba 3D karta jednoduchý vývoj určeno pro vývoj v C++, lze použít i Javu/C#/Delphi/VB.net/… mnoho projektů na vývoj knihoven pro OpenGL -> vývoj knihoven trvá dlouho DX -> práce s objekty OpenGL-> volání fcí

Uni nástroj pro zobrazování dat s 4 a více parametry

Demo

Uni nástroj Vrstevnice v 3D

Zákl. teorie vrstevnic Pravidelná síť Nepravidelná síť

Zp. hledání vrstevnic Nalezení všech průsečíků, složitý algoritmus pro sestavení vrstevnice z nalezených bodů Každý trojúhelník má sousední trojúhelníky, ty se prohledají, odpadá algoritmus řazení bodů

Hledání trojúhelníků

Vyhlazovací algoritmy Problém vrstevnic: lomený průběh fce Váhové průměrování Filtrování pomocí epsilon okolí Matematické aproximace

Váhové průměrování McMasterův algoritmus: - používá 5 bodů linie k vyhlazení prostředního - aritmetický průměr 5 bodů - bod P‘ je posunu k prostřednímu P3 podle vztahu

Váhové průměrování Vzdálenostně-váhová metoda: - daným bodům přiřazuje váhy - intenzivnější posun bodů směrem k centrálnímu bodu - váhy jsou převrácené hodnoty vzdáleností od stř. bodu

Filtrování pomocí E okolí Chaikensův vyhlazovací algoritmus: 1) Vypočítá se vektor mezi P1 a stř. bodem úsečky P2 a P3, nazveme ho D1 2) |D1| < tol --> nový vektor D (viz. obr.)

Filtrování pomocí E okolí

Matematické aproximace Fergusonova kubika Spline křivky Bézierovy křivky