Андерс Инерман: Визуализиране на експлозията от медицински данни

Днес медицинските сканери произвеждат хиляди изображения и терабайти данни от един пациент буквално за секунди, но как лекарите могат да анализират тази информация и да определят какво е полезно? На TEDxGöteborg експертът по визуализация на научни данни Андерс Инерман ни показва сложни нови инструменти -- като виртуални аутопсии -- за анализиране на тези безбройни данни, както и бегъл поглед към някои научно-фантастични медицински технологии в развитие. Този разговор съдържа няколко твърде графични медицински изображения.

Ще започна с представянето на малко предизвикателство,

необходимостта да се справяме с данни,

данните, с които трябва да се справяме

в медицински ситуации.

Това е наистина огромно предизвикателство за нас.

И това е нашето непосилно тегло.

Това е машина за компютърна томография --

КТ машина.

Това е фантастично устройство.

То използва рентген, рентгенови лъчи,

които се въртят много бързо около човешкото тяло.

Необходими си 30 секунди, за да се мине през цялата машина

и се генерира огромен обем информация,

която излиза от машината.

Така че това е фантастична машина,

която може да използваме

за подобряване на здравеопазването.

Но както казах, това също е предизвикателство пред нас.

И предизвикателството наистина може да се види в тази снимка тук.

Това е медицинската експлозия от данни,

която се случва в момента.

Ние сме изправени пред този проблем.

И нека да се върна назад във времето.

Да се върнем няколко години назад във времето и да видим какво се е случвало тогава.

Тези машини, които излязоха --

те започнаха да навлизат през 70-те години --

те сканираха човешкото тяло,

и генерираха около 100 снимки

на човешкото тяло.

И ние си позволихме волността, за да ни стане по-ясно,

да представим това като разрези от данни.

Това би съответствало на около 50 MB данни,

което е малко,

когато си мислите за данните, с които можем да боравим днес

на обикновените мобилни устройства.

Ако представите това като телефонни указатели,

това е около един метър от телефонни указатели на купчина.

Ако погледнем това, което правим днес

с тези машини, които имаме,

можем, само за няколко секунди

да получим 24 000 снимки на тялото.

А това би съответствало на около 20 GB от данни,

или 800 телефонни указатели.

И купчината тогава ще бъде 200 метра от телефонни указатели.

Това, което предстои да се случи --

и ние виждаме това, то е в зародиш --

технологична тенденция, която се случва точно сега

е, че ние започваме да наблюдаваме и резултатни ситуации във времето.

Така че ние също получаваме и динамиката от тялото,

И само да предположим,

че можем да събираме данни в продължение на пет секунди,

и това ще съответства на 1 TB данни.

Това са 800 000 книги

и 16 км. от телефонни указатели.

Това е от един пациент, един набор от данни.

Ето с какво трябва да се справяме.

Така че това наистина е огромно предизвикателство, пред което сме изправени.

И дори днес -- това са 25 000 изображения.

Представете си дните,

когато рентгенолозите правеха това.

Те трябваше да поставят 25 000 изображения,

и да процедират по следния начин: "25 000, добре, добре.

Ето го проблемът."

Те не могат да правят това повече, това е невъзможно.

Така че трябва да направим нещо, което е малко по-интелигентно, отколкото да правим това.

Така че това, което правим е да поставяме всички тези парчета заедно.

Представете си, че можете да нарежете тялото във всички тези посоки,

и след това се опитвате да насложите парчетата отново заедно

в купчина от данни, в блок от данни.

Това е всъщност онова, което правим.

Така че тези гигабайт или терабайт от данни, ние ги поставяме в този блок.

Но разбира се, блокът от данни

просто съдържа количеството рентгенови лъчи,

които са били погълнати от всяка точка в човешкото тяло.

Така че това, което трябва да направим, е да намерим начин

да видим нещата, които искаме да гледаме,

и да направим прозрачни нещата, които не искаме да гледаме.

Т.е. да трансформираме данните

в нещо, което изглежда по следния начин.

И това е предизвикателство.

Това е огромно предизвикателство за нас да го направим.

Използвайки компютри, въпреки че те стават все по-бързи и по-добри с времето,

предизвикателство е да се справяме с огромното количество данни,

терабайти данни,

и да извлечем нужната информация.

Искам да погледна в сърцето,

искам да погледна в кръвоносните съдове, искам да погледна черния дроб,

може би дори да открия тумор

в някои случаи.

Така че това е мястото, където това малко съкровище влиза в играта.

Това е дъщеря ми.

Това е от 9:00 часа тази сутрин.

Тя играе на компютърна игра.

Тя е само на две години,

и се забавлява.

Така че тя е наистина движещата сила

зад разработването на графичните процесори.

Докато децата играят компютърни игри,

графиките стават все по-добри и по-добри.

Така че, моля върнете се в къщи, кажете на децата си да играят повече игри,

защото това е, което ми трябва.

И така, нещото което е вътре в тази машина

е онова, което ми дава възможност да правя това, което правя

с медицинските данни.

Така че наистина това, което правя е да използвам тези фантастични малки устройства.

И знаете ли, връщайки се назад

може би 10 години във времето,

когато получих финансирането

за да си купя първия графичен компютър.

Това беше огромна машина.

Това бяха шкафове с процесори и дискове и всичко останало.

Платих около един милион долара за тази машина.

Тази машина е, днес, токова бърза, колкото моя iPhone.

Така че всеки месец излизат нови графични карти.

И ето някои от най-новите от прозводителите --

NVIDIA, ATI, Intel е също на пазара.

И знаете ли, за няколко стотин долара

можете да се сдобиете с тези неща и да ги поставите във вашия компютър,

и можете да правите фантастични неща с тези видео карти.

Така че това е наистина нещото, което ни позволява

да се справяме с експлозията от данни в областта на медицината,

заедно с наистина елегантна работа,

по отношение на алгоритми --

компресиране на данни,

извличане на полезната информация, над която хората правят изследвания.

И сега ще ви покажа няколко примера за това, което можем да правим.

Това е набор от данни, които са били записани с помощта на КТ скенер.

Можете да видите, че това е пълен набор от данни.

Това е жена. Можете да видите косата.

Можете да видите отделните черти на жената.

Можете да видите, че има разсейване на рентгеновите лъчи

върху зъбите, метала в зъбите.

Ето откъде идват тези артефакти.

Но напълно интерактивно,

на стандартни графични карти на нормален компютър,

мога да сложа отрязана равнина.

И разбира се всички данни са вътре,

мога да започна да я въртя, мога да гледам на нея от различен ъгъл,

и мога да видя, че тази жена има проблем.

Тя имаше кръвоизлив в мозъка,

и това беше оправено с малък стент,

метална скоба, която затяга кръвоносния съд.

И само чрез промяна на функциите,

след това мога да преценя какво да бъде невидимо

и какво да се вижда.

Мога да погледна в черепната структура,

и мога да видя, че да, това е мястото, където те са отворили черепа на тази жена,

и ето къде са проникнали.

Това са фантастични образи.

Те са с много висока резолюция,

и те наистина ни показват какво можем да направим

със стандартни графични карти днес.

Ние наистина се възползвахме от тази,

и се опитахме да поберем много данни

в системата.

И едно от приложенията над които работим --

и това намира приложение по целия свят --

е прилагането на виртуални аутопсии.

Отново, гледаме много, много големи масиви от данни,

и вие видяхте тези снимки на цялото тяло, които можем да направим.

Ние просто прекарваме тялото през целия КТ скенер,

и само за няколко секунди можем да получим данни за цялото тяло.

Така че това е от виртуална аутопсия.

И можете да видите как постепенно го отделям на слоеве.

Първо видяхте торбата, в която дойде тялото,

след това отделям кожата -- можете да видите мускулите --

и накрая можете да видите костната структура на тази жена.

Сега в този момент, бих искал да подчертая,

че с най-голямо уважение

за хората, които сега ще ви покажа --

ще ви покажа няколко случая на виртуални аутопсии --

така че с голямо уважение към хората,

които са умрели при насилствени обстоятелства,

ще ви покажа тези снимки.

В съдебните дела --

и това е нещо,

в което е имало около 400 случаи досега,

само в тази част на Швеция, от която идвам,

която е била подложена на виртуални аутопсии

през последните четири години.

Така че това е типичната ситуация на работния процес.

Полицията взема решение --

вечерта, когато има нов случай --

те решават, добре, дали това е случай, в който трябва да се прави аутопсия.

Така че на сутринта, между шест и седем часа сутринта,

тялото е след това транспортирано в чувал

до нашия център,

и бива сканирано чрез един от КТ скенерите.

И после рентгенолога, заедно с патолога

а понякога и съдебномедицинския учен,

разглеждат данните, които се появяват,

и имат съвместно заседание.

И после те решават какво да се прави в реалната физическа аутопсия след това.

Сега нека да разгледаме няколко случая,

това е един от първите случаи, които имахме.

Наистина можете да видите подробностите от данните;

това е с много висока разделителна способност.

И нашите алгоритми ни позволяват

да се фокусираме върху всички подробности.

И отново, това е напълно интерактивно,

можете да го въртите и можете да гледате нещата в реално време

на тези системи тук.

Без да навлизам в прекалено много подробности за този случай,

това е пътно-транспортно произшествие,

пиян шофьор блъснал жена.

И много лесно могат да се видят щетите върху костната структура.

Причината за смъртта е счупения врат.

И тази жена също се озовала под колата,

така че тя е доста зле пребита

от нараняванията.

Ето още един случай, прободна рана.

И това е отново случай, който ни показва какво можем да правим.

Много е лесно да видим металните предмети,

които можем да покажем във вътрешността на тялото.

Можете да видите също някои предмети от зъбите --

това всъщност са пломбите от зъбите --

но това е понеже настроих функцията да ми покаже метала

и да направи всичко друго невидимо.

Ето още един насилствен случай. Това наистина не е убило човека.

Лицето било убито от пробождане в сърцето,

но те просто оставили ножа,

като го заболи в една от очните абълки.

Ето още един случай.

Той е много интересен за нас,

защото ни позволява да изследваме неща като прободни рани.

Тук можете да видите, че ножа преминал през сърцето.

Много лесно може да се види как въздуха преминава

от една страна в друга страна,

което е трудно да се направи при нормална, стандартна, физическа аутопсията.

Така че това помага наистина много

на криминалното разследване

да установи причината за смъртта,

и в някои случаи също да насочи разследването в правилната посока,

за да се открие кой е убиецът.

Ето още един случай, който мисля, че е интересен.

Тук можете да видите куршум,

който се е забил в непосредствена близост до гръбначния стълб на този човек.

И това, което сме направили е, че сме превърнали куршума в източник на светлина,

така че куршумът всъщност свети,

и това улеснява намирането на тези фрагменти.

По време на физическа аутопсия,

ако трябва всъщност да се ровичкате из тялото, за да може да намерите тези фрагменти,

това е всъщност доста трудно да се направи.

Едно от нещата, които съм наистина много щастлив,

че мога да ви покажа днес

е нашата виртуална маса за аутопсии.

Това е устройство, работещо с докосвания, което сме разработили

на базата на тези алгоритми, с помощта на графични изчислитени устройства.

То всъщност изглежда така,

просто за да добиете представа как изглежда.

Това наистина работи като един огромен iPhone.

Ние сме вградили

всички жестове, които можете да правите, в масата,

и можете да си мислите за нея като огромен сензорен интерфейс.

Така че, ако сте си мислили да си купите iPad,

забравите за него, ето какво може да искате вместо него.

Стив, надявам се да слушате това, добре.

И така, това е много хубаво малко устройство.

Така че, ако имате възможността, моля изпробвайте го.

То дава наистина практически опит.

И така това набира скорост, и ние се опитваме да го наложим

и се опитваме да го използваме за образователни цели,

но също така, може би в бъдеще,

в по-клинични ситуации.

Има YouTube клип, който можете да изтеглите и да гледате,

ако искате да предадете информацията на други хора

за виртуалните аутопсии.

Добре, сега, като стана дума за докосване,

нека да преминем към наистина трогателни данни.

И това е малко научна фантастика в момента,

така че ние се пренасяме сега в бъдещето.

Това не е съвсем нещо, което лекарите използват в момента,

но се надявам, че ще го правят в бъдеще.

И така това, което виждате в ляво е едно устройство, работещо с докосвания.

То е нещо като механична писалка,

което има много, много бързи стъпкови двигатели във вътрешността на писалката.

И така, мога да генерирам обратна сила.

Така че когато виртуално докосвам данни,

то създава сили на докосване в писалката, така че получавате информация обратно.

И така в тази конкретна ситуация,

това е сканиране на жив човек.

Имам този химикал и гледам данните,

и придвижвам писалката към главата,

и изведнъж чувствам съпротива.

Така че мога да почувствам кожата.

Ако натисна малко по-силно, ще проникна през кожата,

и мога да почувствам костната структура вътре.

Ако натисна още по-силно, ще проникна през костната структура,

особено в близост до ухото, където костите са много меки.

И после мога да усетя мозъка вътре, и това ще бъде малко мекушаво

Така че това е много хубаво.

И да отведем нещата още по-надалеч, това е сърце.

И това се дължи на тези фантастични нови скенери,

че само за 0,3 секунди,

мога да сканирам цялото сърце,

и мога да направя това в течение на времето.

Така че просто да погледнем това сърце,

мога да покажа един клип тук.

И това е Карлйохан, един от моите студенти,

който работеше над този проект.

И той седи там пред Хаптик устройството, системата за обратна връзка,

и движи писалката към сърцето,

и сърцето сега тупти пред него,

така че той може да види как сърцето бие.

Той взема писалката и я движи към сърцето,

и я поставя върху сърцето,

и после чувства сърцебиенето от истински жив пациент.

После той може да проучи как сърцето се движи.

Той може да влезе вътре, да проникне вътре в сърцето,

и наистина да почувства как се движат клапите.

И това, според мен, е наистина бъдещето пред сърдечните хирурзи.

Искам да кажа, вероятно това е като мокър сън за сърдечните хирурзи,

да могат да влязат вътре в сърцето на пациента,

преди всъщност да направят операцията,

и да направят това с данни с висококачествена резолюция.

Така че това е наистина хубаво.

Сега ние отиваме още по-далеч в сферата на научната фантастика.

И ние сме чували нещо за функционална Магнитно Резонансна Томография.

Това е наистина един интересен проект

МРТ използва магнитни полета

и радиочестоти,

за сканиране на мозъка, или друга част от тялото.

Така че това, което наистина извличаме оттук

е информация за структурата на мозъка,

но ние също така можем да измерваме разликата

в магнитните свойства на кръвта, която е наситена с кислород,

и кръвта, която е изчерпана на кислород.

Това означава, че е възможно

да картографираме дейността на мозъка.

Така че това е нещо, над което работим.

И току-що видяхте Мотс, инженера изследовател,

който влиза в МРТ системата

и носи очила.

Всъщност той може да вижда неща в очилата.

Така че мога да му показвам неща, докато е в скенера.

И това е малко странно,

защото онова, което Мотс вижда е всъщност това.

Той вижда собствения си мозък.

Мотс прави нещо тук.

И вероятно той прави нещо такова с дясната си ръка,

тъй като лявата страна е активирана

на моторната кора.

И тогава той може да види това по същото време.

Тези визуализации са съвсем нови.

И това е нещо, което изследваме от известно време.

Това е още една поредица от мозъка на Мотс.

Тук накарахме Мотс да брои назад от 100.

Така че той брой "100, 97, 94."

И после продължава назад.

И можете да видите как малкия изчислителен процесор работи в мозъка му

и осветява целия мозък.

Това е фантастично. Можем да правим това в реално време.

Ние можем да изследваме неща. Можем да му кажем да прави неща.

Можете да видите, че неговата визуална кора

се активира в задната част на главата,

защото там е мястото, където той вижда, той вижда своя мозък.

И той също слуша нашите инструкции,

когато му казваме да прави неща.

Сигналът е наистина дълбоко в мозъка,

но проблясва през него,

защото всички данни са в това пространство.

И само след секунда ще видите тук --

Добре, ето. Матс, сега премести левия крак.

Така той застава по този начин.

За 20 секунди той стои по този начин,

и изведнъж тук се осветява.

Така че имаме активиране в моторната кора.

Това е наистина много хубаво.

И мисля, че това е много добър инструмент.

И за да свържа това с предишния разговор тук,

това е нещо, което бихме могли да използваме като инструмент,

наистина да разберем

как работят невроните, как работи мозъкът,

и можем да направим това с много, много високо качество на изображението

и с много добра резолюция.

Ние също така се забавляваме в центъра.

Това е КАТ (Котешко) сканиране -- компютърно асистирана томография.

Това е лъв от местната зоологическа градина,

отвъд Норкьопинг в Колмарден, Елза.

Така че тя дойде в центъра,

те я упоиха

и после я сложиха направо в скенера.

И после, разбира се, направих цял набор от данни от лъва.

И мога да правя много хубави изображения като това.

Мога да отделям слоеве от лъва.

Мога да гледам вътре в него.

И ние експериментираме с това.

И мисля, че това е страхотно приложение

за бъдещето на тази технология.

Тъй като много малко се знае за анатомията на животните.

Това, което се знае от ветеринарните лекари е само бегла информация.

Ние можем да сканираме най-различни неща,

най-различни животни.

Единственият проблем е да ги поберем в машината.

Това тук е мечка.

Беше малко трудно да я поберем.

И мечката е пухкаво, дружелюбно животно.

Ето я тук. Това е носа на мечката.

Може да ви се прииска да я прегърнете,

докато не промените функциите и видите това.

Така че внимавайте с мечките.

И така с това,

бих искал да благодаря на всички хора,

които ми помогнаха да генерирам тези изображения.

Огромни усилия отиват в това начинание,

събиране на данни и разработване на алгоритми,

писане на целия софтуер.

И така, някои много талантливи хора.

Моето мото е винаги да наемам хора, които са по-умни от мен

и повечето от тях са по-умни от мен.

Така че, много ви благодаря.

(Ръкопляскания)