Počítače v medicíně ukládají, zobrazují, analyzují a léčí

Tomáš Soukup  |  Technika

Moderní medicína se prolíná s nejmodernější technikou. Začíná to zpracováním obrazu a končí robotickými operacemi.

Velké, ne-li největší zásluhy v rozvoji medicíny v posledních letech má moderní počítačová technika. S nasazením IT v medicíně se dnes můžeme setkat v různých podobách:

  • získávání, zpracování, sdílení a ukládání obrazových dat
  • pokročilá analýza EKG pomocí specializovaného softwaru
  • robotické operace
  • telemedicína
  • nemocniční a radiologické informační systémy ke správě dat

Nejvyspělejší oborem medicíny jsou dnes robotické operace, kdy za chirurga operuje naprosto přesný robot s mechanickými končetinami a senzory. Je tak omezen vliv únavy, třesů a dalších lidských faktorů, které by mohly operaci nenávratně pokazit. Podívejte se na video operace pomocí robota daVinci, který se používá i v České republice:

Významný přínos ve využití IT v medicíně má také celosvětový standard DICOM. Je určen k ukládání, sdílení a zobrazování medicínských obrazových dat.

Telemedicína šetří nejen drahocenný čas lékaře

S rozvojem stále rychlejšího připojení k internetu a páteřních sítí se rozvíjí telemedicína. Jejím prostřednictvím mohou problém vzájemně konzultovat lékaři třeba z ČR a Austrálie. Vidí stejné obrazy a interaktivně si dělají poznámky a anotace, například u předoperační porady. Bez moderní počítačové techniky by vůbec nebylo možné, aby se na dálku sešel tým expertů z celého světa a řešili spolu problém.

S telemedicínou souvisí také budování počítačových sítí v rámci nemocnic i mimo ně. Vznikají datová centra, nemocniční a radiologické informační systémy (NIS a RIS). Tyto systémy propojují databáze pacientů, správu vyšetření, obrazová data a další informační zdroje.

Hodnocení křivky EKG

Křivka EKG, generovaná pomocí elektrických impulsů, má výstup v podobě grafu v čase s několika vlnami, z nichž každá je pojmenována určitým písmenem. Nejdůležitější jsou na ní body Q, R a S, tzv. QRS komplex. Jelikož srdeční tep by měl být pokud možno pravidelný, optimální křivka EKG se opakuje v daných intervalech. Například takto:

Křivka EKG s pravidelnými intervaly
Křivka EKG s pravidelnými intervaly

Pomocí EKG hodnotíme pravidelnost a rychlost srdeční tepové frekvence. V dnešní době se k její analýze používá výkonný počítačový software, nikoli tzv. registrační papír jako v minulosti. Počítač analyzuje tvar této křivky a lékař tak má k dispozici přesnou analýzu EKG a může detekovat arytmii (nepravidelný tep), zrychlený či pomalý tep a jiné problémy.

Medicínské zobrazovací metody

Nejviditelnějším proniknutím IT do medicíny jsou patrně zobrazovací metody. Jejich výstupy coby obrazy jsou cenné pro širokou škálu oborů, nedocenitelné pro různá vyšetření a operace. Pomocí počítačových metod je možné vidět skrz lidské tělo ve vysokém rozlišení bez nutnosti invazivních zákroků.

Jednou ze zobrazovacích metod je magnetická rezonance
Jednou ze zobrazovacích metod je magnetická rezonance

Mezi hlavní zobrazovací metody patří:

  • CT: Computer Tomography, počítačová tomografie
  • RTG: rentgen, patří sem např. digitální radiografie
  • ultrazvuk: diagnostická sonografie
  • PET: Positron Emission Tomography, pozitronová tomografie
  • MRI: Magnetic Rezonance Imaging, magnetická rezonance

Použití obrazových dat je velmi široké a existují různé vyšetřovací metody k diagnostice. Zmiňme například praktické použití, kdy nastávající maminka může vidět své dítě díky 3D ultrazvuku. Následující snímek ukazuje obraz z magnetické rezonance mozku či barevný ultrazvuk.

Barevná sonografie najde využití například pro kardiologii
Barevná sonografie najde využití například pro kardiologii

Základní principy zobrazovacích metod

Každá z uvedených metod vyšetření má své klady i zápory a také je vhodná pro jiné typy vyšetřovaných tkání. Rentgen (RTG) je nejstarším typem zobrazení. Na něj pak navazuje počítačová tomografie (CT) jako jeho následovník.

Běžně pomocí RTG vyšetřujeme například zlomeniny; je obecně vhodný k zobrazování tvrdých tkání. Dnes se v praxi setkáme i s digitálními rentgeny, které nevynáší obrazy na film, ale přímo do počítače ke zpracování.

Ultrazvuk je založen na zpracování ultrazvukových signálů, které se nacházejí nad lidským slyšitelným frekvenčním prahem: mechanické podélné vlnění s frekvencí vyšší než 20 kHz. Vyšetření ultrazvukem se též nazývá sonografické. Tkáně jsou zobrazené podle schopnosti odrážet ultrazvukové vlny (echogenita). Některé tkáně se zobrazí velmi světlé (tvrdé) a jiné zase jsou téměř černé (měkké a vzduch).

Ultrazvuk má největší výhodu v tom, že pacient není vystaven žádnému záření a ultrazvukové vyšetření je opakovatelné v intervalu minut či hodin. Nehodí se však k zobrazování tvrdých tkání, kterými vlna dobře neprochází. Ultrazvukové snímky jsou velmi citlivé na šum, který však lze pokročilými algoritmy omezit pro další zpracování obrazu.

MR a CT vypadá podobně, princip je však jiný

V přístroji CT – tzv. tunelu, do kterého pacient podélně zajíždí – se otáčí rentgenka. CT pořídí několik stovek řezů z různých úhlů a z toho pak je poskládán výsledný snímek pomocí složité počítačové rekonstrukce. Oproti rentgenu má CT přednosti ve 3D zobrazení a také daleko vyšší detaily. CT pro vyjádření hustoty tkáně užívá Hounsfieldovy jednotky HU:

  • vzduch: –1 000 HU
  • tuk: –50 až –100 HU
  • voda: 0 HU
  • krev: 40 až 60 HU
  • játra: 40 až 60 HU
  • chrupavka: 80 až 130 HU
  • kost: 1 000 HU

Mějme však na paměti, že během vyšetření CT i RTG je pacient vystaven určité radiaci. Proto není tak často opakovatelné jako například ultrazvuk. Podívejte se na české video, které ukazuje vyšetření CT:

Podstatou vyšetření MR je různé chování tkání s různou hustotou vůči magnetickému poli. Oproti RTG či CT tak není pacient vystaven žádné ionizující radiaci. Využívá se silné magnetické pole a elektromagnetické vlnění s vysokou frekvencí. Podobně jako u CT lze vytvořit kompletní 3D rekonstrukci obrazu.

Přístroj pro magnetickou rezonanci. Zdroj CC BY-SA 3.0: KasugaHuang, Wikimedia Commons
Přístroj pro magnetickou rezonanci. Zdroj CC BY-SA 3.0: KasugaHuang, Wikimedia Commons

PET je také „tunelovým“ typem vyšetření jako CT či MR. Pozitronová emisní tomografie zobrazuje různé tkáně na základě různé schopnosti akumulovat v sobě radioaktivní látku. Pacientovi je před vyšetřením podáno malé množství radioaktivního zářiče. Dávka záření, jemuž je pacient při PET vystaven, odpovídá zhruba dvěma RTG snímkům hrudníku. Dá se taktéž propojit PET a CT, kdy je pacient vyšetřen jedním přístrojem PET/CT, získají se informace ze dvou metod a obraz může být spojen. Je to patrné na tomto videu:

DICOM je standardem pro medicínské obrazy

V roce 1993 byl společností NEMA (National Electrical Manufacturers Association) ustanoven formát DICOM. Stal se medicínským standardem pro ukládání, sdílení a archivaci radiologických dat po celém světě. To usnadňuje nejen zpracování dat, ale zejména jejich výměnu a tím lepší koordinaci v týmech. Dnes téměř všechny přístroje – CT, digitální rentgeny, ultrazvuk, atd. – generují výstupní data právě v tomto formátu.

DICOM není jen samotný obraz, ale nese spoustu dalších užitečných dat, které jsou podobná EXIFu u digitálních fotoaparátů. Z DICOM vyčteme technické parametry obrazu, údaje o pacientovi, vyšetření, přístroji a spoustu dalšího.

Metadata DICOM skrývají cenné informace pro lékaře
Metadata DICOM skrývají cenné informace pro lékaře

Kde si prohlédnout nějaké medicínské obrázky?

Existuje několik webů, kde si můžete stáhnout reálné ukázky obrazových dat ve formátu DICOM. Rozsáhlou databázi medicínských obrazů ke stažení z různých modalit (CT, PET, MRI, MRA a další) nabízí společnost Osirix či například Sébastien Barré. K jejich prohlížení je potřeba aplikace, která je umí otevřít.

Obrazová data DICOM lze prohlížet v řadě běžných grafických editorů, ale existují také mnohé specializované programy zaměřené na analýzu těchto dat. Poskytují nástroje, jako je např. zpracování v oblasti zájmu, měření vzdáleností, úhlů či plochy, anotace a mnohé další.

Existuje mnoho programů zdarma, které si poradí s DICOM a mnohé umožní kromě čtení také jejich analýzu. Jmenujme například MicroDicom, DicomWorks, Aeskulap Viewer či Santesoft Dicom Viewer.

Obrazy v DicomWorks s nástroji pro analýzu
Obrazy v DicomWorks s nástroji pro analýzu

K základnímu čtení formátu DICOM můžeme použít i běžné grafické prohlížeče a editory, například XnView. Mezi programy, které s DICOM pracují, je také například Adobe Photoshop CS4 a vyšší ve verzi Extended. Z dalších placených nástrojů je to třeba také profesionální programovací a výpočetní prostředí MATLAB s instalovaným doplňkem Image Processing Toolbox.

Možnosti využití zobrazovacích metod

Ultrazvukové přístroje se 4D zobrazením nejsou omezené jen dvěma rozměry, šířkou a výškou zobrazení. Fyzicky se samozřejmě jedná stále o 2D zobrazení na monitoru, avšak scéna je ve 3D zobrazení. V podstatě se jedná o 3D zobrazení + složka času.

Jednou z hlavních oblastí použití 4D sonografie je těhotenský ultrazvuk ke sledování plodu dítěte. Nabízí 3D pohled, navíc díky principu 4D také reálný čas zobrazení, takže budoucí matka vidí prostorový model dítěte a ultrazvuk může zachytit i jeho pohyb.

Zajímavou a především cennou metodou vyšetření je 3D virtuální angioskopie. V podstatě to znamená „průlet cévami“. Je to nedocenitelné vyšetření pro zobrazení průchodnosti cév, aplikace stentu a další zobrazení cévního systému.

Často je třeba ve snímku lépe zviditelnit určitou anatomickou strukturu. Například u ultrazvuku lze použít funkci Gray Scale Map k omezení rozsahu šedé škály pro různá vyšetření. Častějším a univerzálnějším způsobem je ale podání tzv. kontrastní látky pacientovi. Ta může být podána nitrožilně či například vypitím. Je složena ze slabého radioaktivního roztoku a pomáhá zejména v angiografii (vyšetření cév), kdy zobrazí lépe cévní systém pro lepší zpracování.

Obrazová data nemusíme použít pouze pro okamžitou diagnózu problému, ale taktéž pro tzv. diferenciální diagnostiku. Můžeme tak sledovat stejný obraz stejného pacienta v delším časovém horizontu, klidně i několika let. Sledujeme rozdíly mezi obrazy – rozvoj určitého problému či jeho zastavení.

Různé metody mohou podat různé potřebné informace. Obrazy se také dají spojovat – například ultrazvuk s CT vyšetřením. V praxi se provádí analýza korelace, tedy míra shody nálezu a tím potlačení falešné detekce.

Bez počítačů by to už nešlo

V současné medicíně je zkrátka role IT nezastupitelná. Začíná to u správy databází pacientů, jejich vyšetření a končí budováním celých sítí a rozsáhlých informačních systémů. Díky kvalitním páteřním sítím je možné komunikovat s jinými lékařskými týmy nebo počítači. Oblast výpočetní techniky má široké využití u diagnostiky a čím dál blíž je také k intervenčním zásahům, například robotickým operacím.

Díky spojení IT s medicínou lze dnes řešit věci, které by dříve vůbec nebyly možné.

Nejčtenější