BRONCHOVID

Źródło finansowania projektu: 
2007-2010
BRONCHOVID
BRONCHOVID – zintegrowany system wspomagający diagnostykę badań bronchoskopowych przez cyfrową archiwizację, semantyczne porządkowanie zapisów wizyjnych, wykrywanie i wyszukiwanie treści istotnych diagnostycznie oraz interaktywną wizualizację z użyciem danych tomografii komputerowej
Polish

BRONCHOVID: Integrated system supporting bronchoscopy laboratory integrating: the archiving, management and semantic ordering the procedures recordings, automatic image-based diagnostic data detection and retrieval, and interactive visualisation using computed tomography data

BRONCHOVID: off-line and on-line pathology detection in video-bronchoscopy or in its recordings, segmentation of computed tomography data and its interactive visualization – virtual bronchoscopy

BRONCHOVID to nowoczesny system wspomagający działalność pracowni bronchoskopowej, integrujący funkcje zapisu, archiwizacji i  przetwarzania danych obrazowych oraz wspomagania inwazyjnych procedur diagnostycznych realizowanych w trakcie bronchoskopii.

Zakres funkcji systemu wykracza znacząco poza możliwości dostępne w większości aktualnie używanych pakietów oprogramowania w pracowniach endoskopowych. System umożliwia realizację podstawowych aktywności polegających na prowadzeniu dokumentacji medycznej pacjentów kierowanych do pracowni i bieżący zapis sekwencji wideo z zabiegów bronchoskopowych. Poza zapisami wideo skojarzonymi z danymi pacjenta, system pozwala na gromadzenie wyników badań obrazowych w standardzie DICOM, przede wszystkim tomografii komputerowej, w celu ich wykorzystania do wspomagania przezoskrzelowych procedur bioptycznych za pomocą trójwymiarowej prezentacji danych.

System umożliwia dokonywanie podstawowej obróbki zapisów wideo procedur brochoskopo­wych, łącznie z eksportem wybranych fragmentów do powszechnie dostępnych formatów. Ponadto, rozbudowano funkcje pozwalające na tworzenie opisów na pojedynczych ramkach wideo, zawierających obrazy istotne z punktu widzenia diagnostycznego i edukacyjnego. Tworzenie opisów obrazów bronchoskopowych bazuje na klasyfikacji zawierającej atrybuty dotyczące charakteru zmian patologicznych, lokalizacji obrazu w strukturze drzewa tchawiczo-oskrzelowego oraz usytuowania ramki w odniesieniu do wybranej sekwencji wideo. Klasyfikacja taka ma charakter dynamiczny i może być zastosowana do tworzenia bardziej zaawansowanej ontologii pojęć związanych z diagnostyką bronchoskopową oraz standaryzacją nazewnictwa w tej metodzie diagnostycznej. Opisy generowane za pomocą klasyfikacji mogą być podstawą dalszych prac badawczych nad przygotowaniem automatycznych narzędzi dete­kcji obszarów podejrzanych w obrazie endoskopowych w trakcie zabiegu lub po jego zapisie, klasyfikacji zasobów wideo gromadzonych w systemie, przeszukiwania treści, tworzenie skróconych wersji zapisów wideo (streszczeń) oraz usuwaniu ramek nieinformacyjnych.

Modułowa struktura systemu pozwala dobrać taki zakres jego funkcjonalności, który będzie dostosowany do potrzeb konkretnej pracowni, zarówno z punktu widzenia zadań o charakterze klinicznym jak i badawczym. Zastosowanie technologii WWW pozwala udostępnić niektóre funkcje związane z przeszukiwaniem zasobów lub udostępnianiem zasobów edukacyjnych dla szerszego kręgu odbiorców po wcześniejszej anonimizacji danych.

 

W skład systemu BRONCHOVID wchodzą następujące moduły:

1) Moduł BRONCHOVID (wejścia/wyjścia) jest punktem startowym systemu (z niego są wywoływane pozostałe moduły). Służy także do wprowadzania, modyfikacji, zapisu na dysku lub wydruku opisów badań (dane pacjenta, lekarza, charakterystyka badania) oraz do zapisu/odczytu/zmiany formatu (w tym transkodowania) pojedynczych obrazów, nagrań wideo, danych tomograficznych.

2) Moduł podglądu i przetwarzania zapisów wideo realizuje następujące zadania:

a) cyfrowy zapis i archiwizację procedur endoskopowych;

b) przeglądanie zapisów z możliwością dodania opisów do wybranych ramek wideo;

c) tworzenie i rozwój biblioteki wzorców zawierającej opisane ramki wideo;

d) wykrywanie i wyszukiwanie w zapisach wideo treści znaczącej z punktu widzenia diagnostyki, klasyfikacji zmian lub celów edukacyjnych;

e) automatyczne funkcje przetwarzania obrazów wideo, obejmujące m.in. usuwanie z nagrań artefaktów, rozpoznawanie zmian patologicznych, np. nowotworowych oraz punktów topo­graficznych drzewa tchawiczo-oskrzelowego, wyszukiwanie w zgromadzonych zasobach obrazów na zasadzie zapytań metodą Query-by-Example;

f) streszczanie/skracanie zapisów wideo poprzez usuwanie ramek nieinformacyjnych, wydobywanie treści znaczącej, nakładanie na obraz endoskopowych znaczników dla procedur bioptycznych;

g) podczas zabiegu: zmiana parametrów obrazów (jasność, kontrast, współczynnik gamma) oraz zastosowanie filtrów eksponujących wybrane atrybuty obrazów endoskopowych (CLAHE, wyostrzanie, wyrównywanie histogramu) oraz śledzenie w kolejnych ramkach wideo punktu obrazu wybranego przez lekarza (np. miejsce nakłucia podczas biopsji).

3) Moduł prezentacji danych obrazowych udostępnia interaktywny tryb prezentacji i przeglądania danych obrazowych, zarówno w opcji dwu- (MPR, MIP) jak i trójwymiarowej (SSD, rendering wolumetryczny), uzyskanych za pomocą tomografii komputerowej. Moduł zawiera opcje półautomatycznej segmentacji struktur klatki piersiowej, przede wszystkim drzewa tchawiczo-oskrzelowego oraz struktur zlokalizowanych w jego sąsiedztwie (węzły chłonne, naczynia krwionośne). Ponadto, przy wizualizacji w trybie wirtualnej bronchoskopii ma na celu usprawnienie procedur biopsji przezoskrzelowych.

 

Zastosowane technologie informacyjne. Większość komponentów systemu została opracowana w języku programowania C++ i jest przewidziana do pracy pod kontrolą systemu operacyjnego Linux, obecnie dystrybucji Ubuntu (z możliwością stworzenia wersji aplikacji dla systemu operacyjnego Windows). Aplikacje są zainstalowane w tym systemie (w przyszłości, także z możliwą opcją alternatywnego uruchamiania z Live CD uproszczonej wersji systemu). Dzięki użyciu powszechnie uznanych i szeroko stosowanych narzędzi i bibliotek progra­mistycznych, takich jak Qt4, MPICH-2, MySQL, PHP (Hypertext Preprocessor), Apache, OpenCL i OpenGL, cały system został zaimplementowany w wersji rozproszonej, w pełni wykorzystując wieloprocesorową stację roboczą. Możliwa jest również prosta modyfikacja systemu do pracy na klastrze komputerów (równocześnie na wielu komputerach połączonych siecią Ethernet). Jednym z głównych założeń wziętych pod uwagę podczas projektowania systemu było zapewnienie wysokiego poziomu bezpieczeństwa – w efekcie, wszelkie połączenia z/do systemu, realizowane w publicznej sieci Internet, zostały zabezpieczone przez mechanizmy SSL (Secure Socket Layer) oraz mechanizmem logowania umożliwiającym różny poziom dostępu (np. przeglądarka pozwala na prezentację danych zanonimizowanych do celów szkoleniowo-dydaktycznych oraz pełnych w celach diagnostycznych). Wewnętrznie, system korzysta z mechanizmów przetwarzania rozproszonego, co jest realizowane przez użycie środowiska MPI (Message Passing Interface), mogącego funkcjonować w klasterze komputerów lub w jednostanowiskowym środowisku wieloprocesorowym. MPI zapewnia kolejkowanie wiadomości, wydajność, współpracę między-platformową, a także przezro­czystość w przypadku zastosowania w środowisku sieciowym. W razie konieczności, niektóre komponenty mogą zostać rozdystrybuowane w sieci i pracować zdalnie; dotyczy to przede wszystkim oprogramowania do analizy strumienia wideo w czasie rzeczywistym, opisywania i przeglądania danych medycznych, czyli: wideo endoskopowych i tomograficznych. Dla celów przetwarzania w czasie rzeczywistym oraz wizualizacji, system częściowo już korzysta ze środowiska sprzętowego CUDA (Compute Unified Device Architecture) i biblioteki BLAS (Basic Linear Algebra Subprograms), np. do obliczania wybranych deskryptorów obrazu standardu MPEG-7. Architektura systemu jest otwarta i umożliwia łatwe dodawanie w przyszłości nowych funkcjonalności.

 

Instalacja demonstracyjna. Wymagania sprzętowo-programowe. System BRONCHOVID został opracowany w wyniku współpracy środowiska specjalistów chorób płuc i wielo­ośrodkowego zespołu technicznego. Faza rozwoju systemu, łącznie z definicją wymagań użytkowników i testowanie funkcji udostępnianych stopniowo w trakcie projektu, były realizowane w Klinice Pulmonologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum. Planowana jest kontynuacja fazy pilotażowej i dalszego rozwoju systemu w tym ośrodku klinicznym. Zasoby wideo i biblioteka wzorców obrazów bronchoskopowych została przygotowana przy wykorzystaniu zestawu do wideo bronchoskopii, bazującym na systemie wizyjnym Evis EXERA II CV-180 firmy Olympus. Do systemu BRONCHOVID trafia strumień wideo w standardzie DVI (z kompresją w stopniu 4:1, wykorzystującą dyskretną transformację kosinusową). Dla potrzeb rozwoju, system BRONCHOVID zainstalowano na serwerze wyposażonym w 4 procesory Opteron 2,2 GHz (każdy po 2 rdzenie) oraz 16 GB pamięci RAM (4 banki pamięci, każdy po 4 GB). Repozytorium danych może przechowywać do 5 TB (w sprzętowej macierzy RAID-5). Przy założeniu (średnio) 3 GB miejsca na jedno nagranie procedury bronchoskopowej, umożliwia to składowanie ponad 1 600 nagrań. Dodatkowo serwer wyposażony został w dwa dyski o pojemności 0,5 TB (w układzie RAID-1), służące do uruchamiania systemu operacyjnego (obecnie: Ubuntu 9.10 64-bitowy).

Partners: 
POL
CMUJ - Collegium Medicum Uniwersytet Jagielloński
POL
WEiT PW - Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej
POL
KA AGH - Katedra Automatyki AGH
POL
KM AGH - Katedra Metrologii AGH
Contact person: 
tzielin's picture
prof. dr hab. inż.
Tomasz P.
Zieliński
Prof.
profesor zwyczajny
room: 
D5/114
phone: 
+48 12 6174814
email: 
tzielin@kt.agh.edu.pl
www: 
konsultacje: 
Wtorek, 12:45-14:15
consultations: 
by appoitment
Informacje dodatkowe: 

Tomasz P. Zieliński uzyskał stopień mgr inż. z elektroniki, dr habilitowanego z elektrotechniki i tytuł naukowy profesora z telekomunikacji odpowiednio w latach 1982, 1996 i 2003. Stopień doktora nauk technicznych otrzymał w 1989 roku w Instytucie Cybernetyki Technicznej i Robotów Bułgarskiej Akademii Nauk w Sofii. Od 1982 roku do 2006 roku pracował na AGH w Katedrze Metrologii, kolejno jako asystent (1982), adiunkt (1989) i profesor nadzwyczajny (2000). Od 2006 roku pracuje w Katedrze Telekomunikacji na stanowisku profesora zwyczajnego. Jest autorem lub współautorem ponad 150 prac naukowych (artykuły w czasopismach i referaty w materiałach konferencyjnych). Jest autorem trzech monografii: „Reprezentacje sygnałów niestacjonarnych typu czas-częstotliwość i czas-skala” (AGH, 1996), „Od teorii do cyfrowego przetwarzania sygnałów” (AGH, 2002, 2004) i „Cyfrowe przetwarzanie sygnałów: Od teorii do zastosowań” (WKŁ, 2005, 2007, 2009). Kierował ponad 10 polskimi projektami badawczymi oraz aktywnie uczestniczył w kilku programach międzynarodowych, m.in. „ECSON Engineering and Computational Science for Oncology Network” (Anglia), „VECTOR Versatile Endoscopic Capsule for gastrointestinal TumOr Recognition and therapy” (FP6 EC), „Efficacy of Laryngeal High-Speed Video-endoscopy” (NIH, USA). Jego zainteresowania naukowe obejmują zaawansowane zastosowania metod cyfrowego przetwarzania sygnałów w systemach telekomunikacyjnych i biomedycznych, w szczególności łączną czasowo-częstotliwościową analizę sygnałów. Jest członkiem IEEE.

Additional information: 

Tomasz P. Zielinski received the M.S. degree in electronics, the D.Sc. degree (habilitation) in electrical engineering and the the scientific Professor title in telecommunications from the AGH University of Science and Technology (AGH-UST), Kraków, Poland, in 1982, 1996 and 2003, respectively, and the Ph.D. degree in electrical engineering from the Institute of Engineering Cybernetics and Robotics of Bulgarian Academy of Sciences, Sofia, Bulgaria, in 1988. Since 1982 he has been working at the Department of Instrumentation & Measurement AGH-UST as a Research & Teaching Assistant (1982), Associate (1989), Assistant Professor (1996) and Associate Professor (2000). In 2006 he joined the Department of Telecommunications, AGH-UST as a Full Professor. He has authored and co-authored more than 150 scientific journal and conference papers. He is also the author of three monographs (all in Polish): Time-Frequency and Time-Scale Representations of Non-stationary Signals (1996), From Theory to Digital Signal Processing (2002, 2004) and Digital Signal Processing: From Theory to Applications (2005, 2007, 2009). He has been a supervisor of more than 10 Polish research projects and actively participated in a few international programs (EPSR Council UK, ECSON: Engineering and Computational Science for Oncology Network; VECTOR EC FP6: Versatile Endoscopic Capsule for gastrointestinal TumOr Recognition and therapy; NIH, USA: “Efficacy of Laryngeal High-Speed Video-endoscopy”). His research interests include advanced digital signal processing in telecommunication and biomedical systems, especially time-frequency signal analysis. He is an IEEE member.

Data_startu_projektu: 
October, 2007