VP9 – Biomedicínské inženýrství

Subtask 1 Biomedicínské technologie

Hlavní aktivita 1 Klinické aplikace diagnostiky a terapie v chirurgii (Ronja, Bibi)

Hlavním cílem aktivity je automatická segmentace jaterní tkáně z CT snímků pacienta a tvorba vhodného 3D modelu pro jeho použití v navazujících procesech. Tato problematika bude řešena ve spolupráci s lékaři z FNO, VP7.

Projekt je zaměřen na návrh, realizaci a in vitro a in vivo testování vysokofrekvenční bioptické jehly s ošetřením vpichu pomocí vysokofrekvenčního proudu, pro zástavu případného krvácení.

V současnosti se jak na operačních sálech, tak v klinických ambulancích používají bioptické odběrové jehly, vedeny přes břišní stěnu do jater s nezanedbatelným rizikem následného krvácení do dutiny břišní. Zejména u ambulantních zákroků, kdy vpich jehlou je veden pomocí USG je možnost míry krvácení po odběru nulová.

Projekt se v průběhu řešení zaměří na využití elektrochirurgických, zejména radiofrekvenčních metod pro koagulaci místa vpichu bioptické jehly. V průběhu řešení se předpokládá prototypová výroba nástroje a elektroniky u některého z renomovaných výrobců prototypu, tak aby tento výrobek mohl být, v případě úspěšných testů, modifikován pro případné následné preklinické testy na zvířatech.

Výstupy: Výstupem projektu bude dvou-až tří dílný koncept odběrové bioptické jehly, využívající vysokofrekvenční buzení tkáně vedoucí ke koagulaci. Ve finální fázi projektu bude vysokofrekvenční bioptická jehla otestována z hlediska funkčnosti a použitelnosti.

Aktivita bude realizována v jednotlivých etapách:

• Analýza stávajících metod v chirurgii – biopsie jater a resekci
• Vývoj prototypu pro preklinické testy na zvířatech
• Vývoj vylepšeného prototypu na základě dalších měření
• Ověření výsledků, ošetření duševního vlastnictví, publikační činnost
• Příprava návrhu na klinickou studii

Hlavní aktivita 2 Klinické aplikace diagnostiky a terapie v gastroenterologii

Tato aktivita směřuje k základnímu výzkumu a zabývá se návrhem metodiky měření a vyhodnocení elektrické aktivity žaludku s cílem poskytnout podporu diagnostiky fyziologického stavu žaludku. Výstupem aktivity je metodika měření, skládající se z definovaného minimalizovaného rozložení elektrod, pravidel snímání a metod předzpracování, metodika vyhodnocení naměřených dat, která popisuje postupy pro extrakci klasifikátorů a realizovaný fuzzy expertní systém navržený pro jejich vyhodnocení.

Součástí výzkumu bude měření elektro gastrografického signálu in vitro abdominálně za účelem ověření korelace mezi záznamem příjmu potravy a pocitem sytosti a dlouhodobého EGG záznamu. Cílem je řešení dané problematiky ve spolupráci s LF OU a FNO do podoby technického řešení omezení příjmu potravy, měření a stimulace žaludečních projevů a výzkum v oblastech alternativních přístupů k řešení obezity.

Aktivita bude realizována v jednotlivých etapách:

• Analýza stávajících metod v kardiologii a chirurgii
• Vývoj prototypu zařízení měření elektrogastrografie
• Vývoj metody gestroenterologického monitorování příjmu potravy
• Ověření výsledků, ošetření duševního vlastnictví, publikační činnost

Hlavní aktivita 3 Senzory pro diagnostiku a terapii

Aktivita obsahuje dva směry výzkumu, jsou to především celotělové analýzy (impedanční a tomografická) a také vývoj testerů a simulátorů, v tomto případě v oblasti kardiotokografie.

Aktivita bude realizována v jednotlivých etapách:

• Analýza stávajících simulátorů a testerů lékařské přístrojové techniky
• Analýza dostupnosti dílčích částí testerů/simulátorů
• Vývoj simulátorů a testerů
• Ověření výsledků, ošetření duševního vlastnictví, publikační činnost

Subtask 2 Telemedicínské technologie a systémy

Záměrem podprogramu je vývoj nových telemedicínských řešení pro dálkové sledování zdravotního stavu vybraných cílových skupin v různých oblastech aplikace telemedicíny. Aktivity se zaměřují na vývoj a testování nových telemedicínských technologií, které umožňují snímat biologické signály a další projevy lidského těla jako například pohybové aktivity nebo projevy chování a jejich změn s využitím měření biologických i nebiologických signálů poskytovaných okolním prostředím sledované osoby. V oblasti vývoje nových technologií se zaměřuje na neobtěžující nositelné technologie a metody bezkontaktního měření biologických signálů. Zaměřuje se na aplikace telemedicínských řešení v různých oblastech medicíny, kde je vhodné nasazení dlouhodobého monitorování biologických signálů, zejména u chronicky nemocných pacientů a seniorů. Aktivita zahrnuje i vývoj v oblasti aplikace telemedicíny do terapeutického procesu, a to ve formě vývoje telemedicínských řešení v oblasti rehabilitace, ortotiky, protetiky a dalších terapeutických oblastech. Součástí aktivit je rovněž vývoj algoritmů, které umožňují automatizované vyhodnocování zjišťovaných projevů sledovaných osob jak v krátkodobém měřítku, tak v dlouhodobém sledování s využitím přístupů umělé inteligence.

Hlavní aktivita 1 Terapeutická telemedicína

Vývoj nových biotelemetrických senzorických systémů zaměřených na terapii, implementace technických řešení do standardních terapeutických pomůcek, poskytuje odborníkům – terapeutům lepší přehled o průběhu rehabilitačního procesu. Mohou jej tak častěji přizpůsobovat konkrétnímu jedinci bez nutnosti častých osobních návštěv a kontrol pacienta. Pacientovi tato řešení poskytují informace o průběhu léčby, o správnosti a účinnosti terapeutického procesu, čímž zvyšují důvěru v terapeuta a zvyšují motivaci k podstupování rehabilitačního procesu.

Aktivita bude realizována v jednotlivých etapách:

• Technologie pro sledování terapie v domácím prostředí
• Smart ortotika
• Ověření výsledků, ošetření duševního vlastnictví, publikační činnost

Hlavní aktivita 2 Diagnostická telemedicína

Oblast diagnostické telemedicíny je v současné době velmi dobře rozvinuta, zejména v oblasti domácích diagnostických lékařských přístrojů ale také oblasti nositelných zařízení pro nediagnostické monitorování biologických signálů. Pro bezmála všechna známá implementovaná technická řešení je ale nutné zajistit součinnost sledované osoby v různé míře. Od aktivního samostatného měření biologických signálů po minimálně nutnost pravidelného nabíjení nositelných zařízení. V rámci projetu se zaměříme na vývoj zcela bezkontaktních senzorických systémů pro monitorování základních biologických signálů, konkrétně radarové systémy.

Cílem výzkumné aktivity je vývoj takových radarových systémů, které umožní s odpovídající kvalitou sledovat vybrané biologické signály v přirozeném prostředí obydlí sledované osoby bez nutnosti omezení pohybových aktivit sledované osoby. Výzkum se tak zaměří jak na technická řešení a možnosti využití MIMO anténových systémů ale současně na moderní algoritmy pro předzpracování měřených signálů, eliminujících náhodné pohybové aktivity. Takto vyvíjené senzorické systémy budou následně testovány a ověřovány v různých aplikačních scénářích od monitorování diabetiků, osob s metabolickými poruchami až po aplikace vzdálené domácí péče o seniory nebo osoby v rekonvalescenci.

Druhá oblast vývoje telemetrických diagnostických řešení v rámci tohoto projektu je v úzkém spojení s pohybovými aktivitami a jejich vlivem na vybraná onemocnění, například projevy chronického diabetu. Zahrnuje vývoj unikátního nositelného diagnostického zařízení pro měření smykových sil mezi končetinou a podložkou, resp. obuví. Bude navrženo nové technické řešení, které umožní měřit smykové síly při vykonávání chůze v diagnostickém prostředí pohybové laboratoře nebo následně ordinace lékaře. Nově vytvořený měřicí systém umožní včasnou diagnostiku a predikci poškození měkkých tkání nohy například při onemocnění diabetes melitus ale i v jiných aplikacích.

Aktivita bude realizována v jednotlivých etapách:

• Vývoj metod bezkontaktního monitorování biologických signálů
• Spolupráce s VP4
• Ověření výsledků, ošetření duševního vlastnictví, publikační činnost

Hlavní aktivita 3 Aktivity denního života

Sledování aktivit denního života je komplexní technickou úlohou, která kombinuje různé senzorické systémy a přístupy pro analýzu měřených signálů. Má širokou aplikační oblast. Od ryzích telemetrických systémů pro sledování vývoje chování osob dlouhodobě ovlivněné chronickým onemocněním, detekce akutních změn chování zapříčiněné náhlou změnou zdravotního stavu, detekce nebezpečných situací jako je například pád v domácím prostřední až po systémy automatizace domácnosti zajišťující zvýšení kvality života zdravotně postižených osob nebo seniorů. Proto je tato dílčí aktivita klíčová pro spolupráci skrze jednotlivé pracovní balíčky projektu LERCO. Vývoj řešení pro oblast sledování aktivit denního života vyžaduje speciální testovací prostředí, ve formě obytných laboratoří, které umožňují kvalitní ověření navrhovaných technických řešení a algoritmů v téměř přirozeném prostředí umožňují současně i precizní měření sledovaných parametrů. V rámci projektu budou využity obytné laboratoře VŠB-TUO, které umožňují jak vývoj a následnou validaci nových technických řešení, tak dlouhodobé testy ve sledovaném real-world obytné laboratoři.

První oblastí vyvíjenou v rámci této aktivity je metodika sledování a vyhodnocování denních rytmů osob v aplikacích, které jsou společně definovány s pracovníky ostatních pracovních balíčků projektu LERCO. Jsou to oblasti sledování míry denních aktivit ovlivňující zdravý životní styl s ohledem na okolní prostředí a jeho kvalitu, respektive vhodnost pro například venkovní sportovní aktivity. Dalším scénářem je monitorování a podpora osob s metabolickými poruchami za účelem zachování efektivity jejich léčby. Další vyvíjenou oblastí je sledování vývoje chronických onemocnění seniorské populace. Samostatnou úlohou je oblast detekce pádů s využitím bezkontaktních měřicích systémů, které jsou jednoduše implementovatelné domácností seniorů nebo osob ohrožených rizikem pádů a současně také do nemocničních prostředí. Všechny výše uvedené aplikační oblasti vyžadují specifická senzorická řešení a nové algoritmy pro automatizované rozhodovací systémy.

Současně budou v rámci aktivity vyvíjena nová senzorická řešení zapadající do oblasti sledování nebiologických veličin, konkrétněji oblasti sledování okolního prostředí a jeho kvalit, které jsou ovlivňovány lidskou činností. Na to navazuje vývoj prvků domácí automatizace, které umožňují ovládat domácnost i osobám s postižením.

Aktivita bude realizována v jednotlivých etapách:

• Asistivní technologie pro zvýšení kvality života a předcházení krizových situací v domácím (nemocničním) prostředí
• Monitorování aktivit pomocí snímání nebiologických parametrů
• Ověření výsledků, ošetření duševního vlastnictví, publikační činnost

Subtask 3 Kardiovaskulární systém

Hlavní aktivita 1 Nové metody stanovení srdečního výdeje (CO)

Cílem výzkumu je vývoj a ověření nové diagnostické metody pro stanovení srdečního výdeje na dilučním principu. Součástí vývoje metody je také vývoj technických prostředků, konkrétně kontinuálního senzoru pro měření koncentrace glukózy a katetru pro možnost měření v krevním řečišti. Dle prvních výzkumů dosahuje metoda vyšší přesnosti než stávající diluční metody. V rámci aktivity bude srovnání metody s konvenčními metodami měření, CO a její preklinické ověření na animálním modelu. Součástí aktivity je také vývoj algoritmů pro přesné stanovení srdečního výdeje z měřených dat.

Aktivita bude realizována v jednotlivých etapách:

• Analýza technických řešení kontinuálního měření glukózy
• Návrh a realizace senzoru pro kontinuální měření glukózy v plné krvi
• Ověření prototypu senzoru na zvířecím modelu
• Optimalizace kontinuálního senzoru pro online aplikaci v katetru
• Ověření metody Glykodiluce na zvířecím modelu
• Ověření výsledků, ošetření duševního vlastnictví, publikační činnost

Hlavní aktivita 2 Měření a zpracování EKG v radiodiagnostice

Hlavní aktivita se zabývá dvěma oblastmi.

Vývoj polymerových a kapacitních elektrod

V dnešní době existují tzv. MRI kompatibilní elektrody (většinou uhlík) a vodiče (optická vlákna), které nejsou feromagnetické. Na druhou stranu mají i tyto elektrody a vodiče svoje omezení. Při snímání EKG signálu v průběhu MRI vyšetření totiž obecně dochází k indukci rušivých signálu do měřeného EKG signálu, který může být tímto rušením zcela zkreslen. Snahou je vytvoření nových biopotenciálových elektrod a vodičů, jejichž materiály by umožňovaly bezpečné a kvalitní snímání EKG signálu v průběhu vyšetření nejenom na MRI, ale také ostatních zobrazovacích metodách. Cílem této aktivity je tedy analýza polymerových elektrod a jejich verifikace se standardně používanými elektrodami na kvalitu snímaného signálu při zobrazovacích metodách a míru generovaných obrazových artefaktů.

Diagnostika infarktu myokardu

Nedostatečné prokrvení srdce – ischemická choroba srdeční (IHD) je jednou z nejčastějších příčin světové úmrtnosti. Z tohoto důvodu je potřeba se zabývat také problematikou vektorkardiografie (VKG) jako další elektrokardiografické diagnostické metody a jejím využitím pro automatickou diagnostiku IHD. VKG přináší možnost neinvazivního, dostupného a levného vyšetření, které umožňuje rozpoznat správnou funkci srdce, upozornit na varovné signály, vyhodnotit stav ischemické choroby srdeční při běžném klinickém vyšetření a podat upřesňující informace vedle běžně používané metody 12svodového EKG. VKG popisuje elektrický prostor srdeční (EPS) kvantitativně souborem vlastností, které jsou vhodné pro další zpracování a automatické vyhodnocování IHD za použití výpočetní techniky a klasifikačních algoritmů. Hlavním cílem je návrh algoritmu pro automatickou klasifikaci pacientů s IM na základě záznamů VKG s využitím metod široce zpracované teorie Laufbergerovy oktantové VKG pro kvantitativní popis EPS a s využitím kybernetických přístupů pro zpracování signálů. Jedním z dalších cílů je vytvoření databáze VKG záznamů s ověřenou fyziologií případů a tím rozšířit klasifikační schopnosti navrhovaných algoritmů o rozpoznání akutních i stabilních forem IHD s upřesněním stavu myokardu, rozsahu a lokalizace IHD. Optimalizace algoritmu je možná na všech stupních klasifikačního procesu dále diskutované metodiky od měření, předzpracování dat, výběru vlastností a významných vlastností EPS až po metody klasifikace, a to za účelem upřesnění elektrokardiografické diagnostiky.

Aktivita bude realizována v jednotlivých etapách:

• Vývoj polymerových a kapacitních elektrod
• Diagnostika infarktu myokardu
• Ověření výsledků, ošetření duševního vlastnictví, publikační činnost

Subtask 4 Zpracování medicínských dat

Výzkumný záměr se primárně orientuje na využití recentních inteligentních metod zpracování obrazových dat v rámci vybraných biomedicínských aplikací, zejména se jedná o metody strojového učení, registrace a segmentace obrazu, které slouží pro automatickou analýzu obrazových signálů. V rámci tohoto záměru budou řešeny metody, které slouží pro vytvoření systému Brain computer interface (BCI) pro rehabilitační účely, vývoj autonomního biometrického systému pro rozpoznání pacienta na onkologii, vývoj systému pro automatickou diagnostiku artikulárních chrupavek a vytvoření systému pro virtualizaci jater při chirurgických zákrocích.

Hlavní aktivita 1 Vývoj algoritmů na bázi fuzzy logiky

Jednou z esenciálních operací u zpracování obrazu je segmentace, která vede k identifikaci a konsekventní kvantifikaci a klasifikaci objektů zájmu z medicínských obrazů. Tyto metody mají potenciál plně nahradit subjektivní anotaci zájmových tkání v kontextu klinické diagnostiky. V rámci této aktivity budou vyvíjeny moderní metody detekce a rozpoznání vybraných biologických struktur z medicínských obrazů. Předpokladem je vývoj moderních regionálně orientovaných metod s prvky umělé inteligence, využívající principů fuzzy logiky a strojového učení, které mají potenciál automatické detekce vybrané biologické tkáně, tak také interpretace regionu dané tkáně. Předpokladem je vývoj hybridních metod, které kromě zmiňované detekce budou umožňovat také kvantifikaci tkáňových charakteristik na základě selektovaných geometricky a jasově orientovaných příznaků. Součástí vývoje těchto metod bude také robustní testování kvality segmentace v porovnání se zlatým standardem, a také robustnost metod vůči aditivnímu deterministicky určenému šumu s dynamickou intenzitou pro objektivní posouzení robustnosti segmentace při variabilních obrazových podmínkách.

Aktivita bude realizována v jednotlivých etapách:

• Rešerše současného stavu poznání modelování biologické tkáně z medicínských obrazů
• Design a realizace algoritmů pro detekci a modelování biologické tkáně z medicínských obrazů
• Validace algoritmů pro evaluaci přesnosti
• Ověření výsledků, ošetření duševního vlastnictví, publikační činnost

Hlavní aktivita 2 Rozšířená realita v chirurgii

Aplikace metod rozšířené reality v chirurgii představuje jeden z moderních trendů pro plánování operace jater. Tyto metody by měly být schopny virtualizovat operační prostor, zájmové oblasti, celkovou morfologickou strukturu jater a operační nástroje, které se využívají při operaci s cílem simulace operačního výkonu a jednotlivých procedur, aby došlo k minimalizaci poškození pacienta. Cílem této aktivity je navrhnout a implementovat komplexní softwarový systém, který dokáže simulovat uvedené procedury, které se budou provádět v rámci operace. V první etapě řešení aktivity bude provedena komplexní hloubková rešerše současného stavu poznání vědeckých metod a postupů, které se používají v rámci aplikací rozšířené reality pro plánování terapeutických procedur chirurgie v klinické praxi s cílem optimálního designu systému pro rozšířenou realitu u operace jater. Předpokladem je, že systém bude využívat obrazová data z klinických CT vyšetření a reálné záznamy z operace. Cílem je vytvořit inteligentní registrační algoritmy pro registraci těchto záznamů, kde si operatér bude moci simultánně virtualizovat morfologické detaily zájmové oblasti v rámci reálné scény, kterou vidí při operaci včetně simulace chirurgických nástrojů. Součástí tohoto SW řešení budou metody umělé inteligence, které by měly automaticky extrahovat jaterní oblast z jednotlivých obrazových modalit, tyto modely budou následně využity pro zmiňovanou registraci obrazových domén. Tento zamýšlený nástroj, který umožňuje virtualizaci operačních výkonů, bude mít široké spektrum uplatnění v rámci simulace operačních výkonů, což predeterminuje široké možnosti aplikací.

Aktivita bude realizována v jednotlivých etapách (v některých fázích v úzké spolupráci s VP7):

• Analýza současného stavu rozšířené reality v chirurgii
• Systém pro rozšířenou realitu v chirurgii
• Tvorba 3D modelu jater
• Optimalizace algoritmů, finalizace 3D modelu jater
• Zobrazení systémem rozšířené reality
• Ověření výsledků, ošetření duševního vlastnictví, publikační činnost

Hlavní aktivita 3 Zpracování obrazů (ID pacienta v radioterapii)

Cílem aktivity je návrh a realizace autonomního biometrického systému s cílem rozpoznání pacienta, který má indikovanou terapeutickou onkologickou léčbu. Frekventovaně se stává, že pacienti, kteří podstupují onkologické procedury, jsou apatičtí, trpí špatnou orientací, a také obtížně komunikují s medicínským personálem. Tyto podněty vedou k vývoji autonomnímu biometrickému rozpoznávacímu systému, který by na základě unikátních pacientských markantů dokázal klasifikovat a rozpoznat konkrétního pacienta. Tento systém bude napojený na databázi údajů konkrétního pacienta, což usnadní medicínskému personálu korektně a rychle nastavit příslušné procedury v rámci indikované onkologické léčby. První částí aktivity bude rešerše současného stavu poznání v rámci klasifikace obličejových markantů s cílem selekce optimálních metod pro design biometrického systému. V rámci aktivity bude provedena robustní objektivizační analýza systému, kde bude kladen velký důraz na robustnost v kontextu možných vizuálních změn obličejových rysů v průběhu onkologické léčby, aby byla zajištěna vysoká efektivita rozpoznání při variabilních podmínkách. Robustnost systému je hlavní předností v kontrastu s konvenčními metodami klasifikace obličeje, které často využívají standardizovaných obrazů a jsou jen obtížně schopny reagovat na dynamiku změn obličejových markantů. Tento komplexní biometrický systém bude implementován do autonomního HW řešení na bázi architektury FPGA s cílem akcelerace výpočtů a jednoduché instalace bez nutnosti řešení spolehlivosti a výpočetních možností počítače.

Aktivita bude realizována v jednotlivých etapách (v některých fázích v úzké spolupráci s VP7):

• Analýza současného stavu poznání pro ID pacienta v radioterapii
• Design softwarového systému pro klasifikaci pacientů na onkologii
• Realizace systému pro ID pacienta v onkologii
• Ověření výsledků, ošetření duševního vlastnictví, publikační činnost

Hlavní aktivita 4 Zpracování biologických signálů v reálném čase

Cílem aktivity je návrh autonomního sytému pro vytvoření rozhraní mezi elektrickými signály, které mají původ v mozku, a vybranými rehabilitačními procedurami s cílem optimalizace terapeutického efektu a řízení těchto procedur. Majoritní aplikační oblastí tohoto systému bude optimalizace terapeutických procedur u pacientů s deficitem po cévních mozkových příhodách, při poranění míchy, degenerativních onemocněních nervové soustavy, jako je např. ALS, a také jako rozšířené možnosti terapie svalové dystrofie.

Aktivita bude realizována v jednotlivých etapách:

• Analýza existujících recentních metod pro zpracování biologických signálů v reálném čase
• Návrh a realizace modelu zpracování biologických signálů v reálném čase
• Verifikace a testování modelu pro reálné využití
• Ošetření duševního vlastnictví, publikační činnost