Anders Ynnerman: Wizualizacja eksplozji danych medycznych

Współczesne tomografy komputerowe wykonują tysiące obrazów oraz generują terabajty danych, tylko dla jednego pacjenta, w zaledwie kilka sekund. Jak lekarze analizują te dane i decydują o ich użyteczności? Podczas konferencji TEDxGöteborg, ekspert z dziedziny wizualizacji naukowej - Andreas Ynnerman pokazuje nam nowe wyrafinowane narzędzia - takie jak wirtualna autopsja - pomagające w analizie niezliczonych danych, pozwala zerknąć na obecnie rozwijające się technologie medyczne rodem z filmów science fiction. Wykład zawiera obrazy medyczne.

Zacznę od zaprezentowania wyzwania -

wyzwania zajmowania się danymi.

Danymi z którymi mamy do czynienia,

w sytuacjach medycznych.

Jest to dla nas naprawdę olbrzymie wyzwanie.

I jest to wielki problem.

To jest tomograf komputerowy

zwany potocznie tomografem.

Jest to fantastyczne urządzenie.

Wykorzystuje ono wiązki promieni rentgenowskich,

obracających się bardzo szybko wokół ludzkiego ciała.

Całkowity czas skanowania to około 30 sekund,

podczas których generowane są olbrzymie

ilości informacji.

Dlatego tej niesamowitej maszyny

możemy użyć

by polepszyć stan naszego zdrowia.

Ale jak już powiedziałem jest to także wyzwanie.

Wyzwanie to przedstawione zostało na ekranie.

Tej prawdziwej eksplozji danych medycznych,

doświadczamy obecnie.

Stajemy przed tym właśnie problemem.

Ale cofnijmy się w czasie.

Cofnijmy się o kilka lat i zobaczmy co działo się wtedy.

Maszyny te -

ich produkcję rozpoczęto w latach 70-tych -

skanując człowieka

generowały około 100 obrazów

ludzkiego ciała.

Pozwoliłem sobie, dla wyjaśnienia,

przetłumaczyć to na "plastry" danych.

Odpowiadało by to około 50 MB danych,

co jest niewielką ilością,

w porównaniu z tym ile obecnie przetworzyć może

zwykłe przenośne urządzenie.

Jeśli przełożymy to na książki telefoniczne,

będzie to około metra ułożonych na sobie książek.

Porównując to do tego

co potrafią tomografy w dzisiejszych czasach -

już w kilka sekund

generują 24 000 obrazów ludzkiego ciała.

Odpowiada to 20 GB danych

lub 800 książkom telefonicznym.

Układając je jedna na drugiej - byłby to 200-metrowy stos książek telefonicznych.

Żyjemy w czasach

początków

technologii pozwalającej

obserwować również zmiany jakie zachodzą w ciele podczas skanowania.

Dlatego możemy również śledzić dynamikę ciała.

I załóżmy

że zgromadzenie danych zajmie 5 sekund

a będzie to odpowiadało jednemu terabajtowi danych.

Jest to 800 000 książek

które ustawione na sobie stworzyłyby 16. kilometrowy stos.

A to tylko jeden pacjent i odpowiadający mu jeden zestaw danych.

Z tym właśnie musimy sobie poradzić.

Więc wyzwanie, przed którym jesteśmy stawiani jest olbrzymie.

A już dziś jest to 25 000 obrazów.

Wyobraźcie sobie czasy

gdy radiolodzy musieli działać w taki sposób.

Rozkładali po kolei tych 25 000 obrazów

i przyglądali się każdemu z nich:" na tym nic nie widać, ten w porządku,

o, tutaj widać problem."

Teraz byłoby to już niemożliwe.

Więc musimy zrobić coś inteligentniejszego, niż praca w ten sposób.

Więc składamy te wszystkie plastry razem.

Wyobraźcie sobie krojenie ciała na plasterki we wszystkich kierunkach

a później próbę poskładania tych plastrów z powrotem

w stos danych, w blok danych.

I właśnie tym się zajmujemy.

Więc te gigabajty lub terabajty danych składamy w blok.

Ale przecież ten blok danych

zawiera tylko ilości promieniowania rentgenowskiego

jakie wchłonął każdy punkt ludzkiego ciała.

Więc musimy znaleźć sposób

który pozwoli zobaczyć to na co chcemy patrzeć

podczas gdy reszta będzie przeźroczysta.

Chodzi tu o zamianę zestawu danych

na coś co wygląda tak.

I to właśnie jest wyzwanie.

Zrobienie tego jest dla nas ogromnym wyzwaniem.

Nawet używając komputerów, mimo że stają się one coraz szybsze i lepsze,

wielkim wyzwaniem jest zmierzenie się z gigabajtami

a nawet terabajtami danych

i wydobycie z nich istotnych informacji.

Chcę spojrzeć na serce,

chcę popatrzeć na naczynia krwionośne, chcę spojrzeć na wątrobę,

może nawet, w niektórych przypadkach,

znajdę guz.

Tu właśnie nasze maluchy wchodzą w grę.

To jest moja córka.

To zdjęcie z 9 rano dnia dzisiejszego.

Gra ona w grę komputerową.

Ma tylko 2 latka,

ale bawi się świetnie.

To właśnie ona jest siłą napędową

popychającą do przodu rozwój procesorów karty graficznej.

Jak długo dzieci będą grać w gry komputerowe,

tak długo grafika będzie stale ulepszana.

Więc jak wrócicie do domu, każcie dzieciom częściej grać w gry komputerowe,

ponieważ właśnie tego potrzebuję.

To co znajduje się wewnątrz tej maszyny

pozwala mi robić to co robię

z danymi medycznymi.

Tak naprawdę to używam tylko tych małych fantastycznych urządzeń.

Cofając się w czasie,

około 10. lat temu

otrzymałem fundusze

na zakup pierwszego komputera graficznego.

Była to olbrzymia maszyna.

Były to całe szafki procesorów, nośników przechowywania danych i tego typu rzeczy.

Zapłaciłem za tą maszynę około miliona dolarów.

Jest ona porównywalnej prędkości co dzisiejszy iPhone.

Każdego miesiąca ukazują się na rynku nowe karty graficzne.

Tu mamy kilka ostatnich -

NVIDIA, ATI, oraz Intel.

Jak wiecie już za kilkaset dolarów

możecie je nabyć i używać ich w swoim komputerze.

Można z nimi robić fantastyczne rzeczy.

Właśnie to umożliwia nam

poradzenie sobie z eksplozją danych w medycynie.

To oraz naprawdę świetna rzecz

z dziedziny algorytmów -

kompresja danych

wydobywająca istotne informacje na bazie których prowadzi się badania.

Pokażę wam kilka przykładów naszych możliwości.

To jest zestaw danych uzyskanych za pomocą tomografu komputerowego.

Jak widzicie jest to pełen zestaw danych.

Jest to kobieta. Można zobaczyć nawet jej włosy.

Widać wnętrze ciała i poszczególne organy tej kobiety.

Widoczne jest również rozproszenie promieni rentgenowskich

w okolicy zębów, z powodu metalu znajdującego się w zębach.

Stąd właśnie one się biorą.

Ale w pełni interaktywnie

na standardowej karcie graficznej na zwykłym komputerze

mogę po prostu zastosować płaszczyznę obcinającą.

Ponieważ w środku znajdują się wszystkie dane,

mogę obraz obrócić i patrzeć na niego pod różnymi kątami.

Stąd widzę że ta kobieta miała problem.

Nastąpiło krwawienie wewnątrzczaszkowe,

z którym poradzono sobie poprzez założenie stentu,

metalowej klamry uszczelniającej naczynie krwionośne.

A tylko poprzez zmianę funkcji,

mogę zdecydować co będzie przezroczyste

a co będzie widoczne.

Jestem w stanie zobaczyć budowę czaszki,

mogę stwierdzić że, w tym miejscu otworzyli czaszkę tej kobiety,

w tym miejscu weszli.

Są to fantastyczne obrazy,

wysokiej rozdzielczości,

pokazujące nam możliwości

współczesnych standardowych kart graficznych.

Robiąc z nich prawdziwy użytek

spróbowaliśmy wprowadzić do systemu

bardzo dużą ilość danych.

Jedną z aplikacji nad którą pracowaliśmy -

wzbudziła ona już zainteresowanie na całym świecie -

jest nią jest oprogramowanie do wirtualnej autopsji.

Po raz kolejny, patrząc na olbrzymi zestaw danych

widzimy tomografię całego ciała którą wykonaliśmy.

Przesuwając ciało człowieka przez tomograf komputerowy

już w kilka sekund otrzymujemy zestaw danych ze skanowania całego ciała.

To jest obraz otrzymany za pomocą wirtualnej autopsji.

Jak widzicie stopniowo zdejmuję kolejne warstwy.

Najpierw widzieliście worek na ciało w którym ono przybyło,

później zdejmuję skórę - widoczne są mięśnie -

w końcowym efekcie widoczna jest budowa szkieletu tej kobiety.

Na tym etapie chciałbym podkreślić

wielki szacunek jaki należy

okazać oglądanym osobom.

Pokażę wam teraz kilka przypadków wirtualnej autopsji -

więc z wielkim szacunkiem dla ludzi

którzy zmarli w gwałtownych okolicznościach

pokazuję wam te zdjęcia.

W przypadku medycyny sądowej,

około

400. przypadków do tej pory,

tylko w tej części Szwecji z której pochodzę -

poddano wirtualnej autopsji -

w ciągu ostatnich czterech lat.

Typowo praca przebiega tak.

Policja decyduje,

wieczorem, gdy dostają nową sprawę,

czy jest to przypadek, w którym potrzebna jest autopsja.

Wiec rano, między szóstą a siódmą,

ciało jest transportowane w specjalnym worku,

do naszego centrum

i poddawane jest tomografii.

Wtedy radiolog razem z patologiem

i naukowcami związanymi z medycyną sądową,

przyglądają się otrzymanym danym

na wspólnym spotkaniu.

I decydują co zrobić w przypadku prawdziwej, fizycznej autopsji.

Teraz zobaczymy kilka obrazów z autopsji.

To jest jeden z nich.

Tu dokładnie widać każdy szczegół,

jest to bardzo wysoka rozdzielczość.

To właśnie algorytmy pozwalają nam

dokładnie przyjrzeć się szczegółom.

I po raz kolejny, jest to w pełni interaktywne,

więc można to obrócić i patrzeć na wszystko w czasie rzeczywistym

przy użyciu tych systemów.

Nie powiem zbyt wiele o tym przypadku,

tyle tylko, że było to wypadek samochodowy,

w którym pijany kierowca potrącił tą kobietę.

Niezwykle łatwo zauważyć możemy uszkodzenia kości.

A przyczyną śmierci w tym przypadku jest złamany kręgosłup.

W wyniku wypadku kobieta ta znalazła się pod samochodem,

więc miała bardzo mocno uszkodzone ciało

z powodu tego urazu.

A to kolejny przypadek, śmierć w wyniku dźgnięcia nożem.

Po raz kolejny jesteście w stanie zobaczyć nasze możliwości.

Bardzo łatwo zaobserwować metalowe elementy

znajdujące się wewnątrz ciała.

Można również zobaczyć metal w zębach

jest to akurat wypełnienie w zębach.

Z powodu ustawień pozwalających widzieć metal

wszystko inne jest przeźroczyste.

Kolejny brutalny przypadek. To akurat nie zabiło tej osoby.

Uśmierciły ją dźgnięcia w serce,

tam jednak pozostał nóż

po ciosie w jedną z gałek ocznych.

A tutaj mamy kolejny przypadek.

Jest to dla nas bardzo interesujące,

mieć możliwość spojrzenia na urazy po dźgnięciu nożem.

Tutaj widzimy jak nóż przebił serce.

Bardzo łatwo można zaobserwować powietrze przedostające się

z jednej jego części do drugiej,

co jest niezwykle trudne podczas standardowej, fizycznej autopsji.

W przypadku śledztwa

bardzo pomocnym jest

ustalenie przyczyny śmierci,

w niektórych przypadkach kieruje to śledztwo na właściwe tory

i pomaga ustalić prawdziwą tożsamość mordercy.

A oto kolejny przypadek, który uznałem za interesujący.

Tutaj można zobaczyć kulę,

która utknęła tuż przy kręgosłupie tej osoby.

Za pomocą oprogramowania sprawiliśmy, że kula zmieniła się w źródło światła,

widać jak świeci

dzięki czemu bardzo łatwo odnaleźć można jej fragmenty.

Podczas rzeczywistej autopsji,

gdy naprawdę trzeba przeszukać ciało by znaleźć odłamki -

jest to niebywale trudne zadanie.

Jedną z rzeczy, z których jestem naprawdę zadowolony

jest fakt, że jestem w stanie wam dzisiaj pokazać

stół do wirtualnej autopsji.

Jest to urządzenie dotykowe stworzone przez nas

na bazie algorytmów, przy użyciu standardowych procesorów kart graficznych.

Żebyście mogli poczuć przedsmak tego urządzenia

- naprawdę wygląda ona tak.

Działa ono jak ogromny iPhone.

Wgraliśmy oprogramowanie

wszystkich gestów jakie można wykonywać na tym stole,

możecie o nim myśleć jak o olbrzymim interfejsie dotykowym.

Więc jeśli nosicie się z zamiarem kupna iPada

- zapomnijcie; to urządzenie jest właśnie tym czego chcecie.

Steve, mam nadzieje że tego słuchasz. Dobra.

Jest to bardzo przyjemne urządzonko.

Jak będziecie mieć kiedyś możliwość - to proszę wypróbujcie je.

Jest to bardzo praktyczne doświadczenie.

Urządzenie to wzbudziło spore poruszenie, próbujemy stopniowo wprowadzać je na rynek.

Używamy go również w celach edukacyjnych,

a w przyszłości możliwe że będziemy go używać

w przypadkach klinicznych.

Istnieje również video na YouTube, które możecie ściągnąć

jeśli chcecie pokazać i opowiedzieć komuś

o wirtualnych autopsjach.

Mówiliśmy o poruszeniu,

przejdźmy więc do bardziej poruszających danych.

A teraz zahaczymy trochę o science fiction,

zaglądniemy w przyszłość.

To nie jest sprzęt którego lekarze używają obecnie,

ale mam nadzieję że w przyszłości będą.

Po lewej widzimy urządzenie dotykowe.

Jest to malutki długopis

posiadający wewnątrz bardzo szybkie silniczki krokowe.

Dzięki temu wygenerować mogę siłowe sprzężenie zwrotne.

Gdy wirtualnie dotykam danych

stwarza to w długopisie siłę o przeciwnym zwrocie, więc otrzymuję reakcję zwrotną.

W tym przypadku,

jest to tomografia żywej osoby.

Dzięki temu długopisowi, mogę zbadać dane.

Zbliżam go do jego głowy

i czuję opór.

Wyczuwam skórę.

Zwiększając nacisk, przedostaję się przez skórę

i mogę "dotknąć" kości.

Jeśli jeszcze zwiększę nacisk, przedostanę się przez kości,

szczególnie łatwo można to zrobić w okolicy ucha gdzie kości są bardzo miękkie.

I jestem w stanie poczuć strukturę mózgu, będzie on jakby grząski.

Więc jest to świetna rzecz.

Posuwając się o krok dalej - to jest serce.

Dzięki tym nowy fantastycznym tomografom

już w 0,3 sekundy

mogę przeskanować całe serce,

wraz ze zmianami jakie zachodzą w czasie tomografii.

Obserwując to serce

mogę w ten sposób odtworzyć wideo.

A to jest Karljohan, jeden z moich studentów,

pracujących nad tym projektem.

Siedzi on przy urządzeniu dotykowym - systemie dotykowego sprzężenia zwrotnego,

i porusza długopisem dotykając serca.

Serce to bije tuż przed nim,

a on jest w stanie dokładnie obserwować ten proces.

Bierze długopis, i porusza nim w kierunku serca,

dotyka powierzchni serca,

czuje uderzenia serca prawdziwego żywego pacjenta.

Może on zbadać ruchy jakie wykonuje serce.

Może dostać się do środka jeśli zwiększy nacisk,

by naprawdę poczuć fale krwi płynące wewnątrz.

I sądzę, że właśnie to jest przyszłością kardiochirurgii.

Pewnie jest to zmaza nocna kardiochirurgów -

możliwość dostania się do wnętrza serca pacjenta

przed rzeczywistą operacją

i dodatkowo zobaczenie tego w wysokiej rozdzielczości.

Więc jest to naprawdę rewelacyjne.

A teraz przesuńmy się już całkowicie na skaj science fiction.

Doszły do nas informacje o funkcjonalnym magnetycznym rezonansie jądrowym.

To dopiero jest interesujący projekt.

Magnetyczny rezonans jądrowy za pomocą pól magnetycznych

i częstotliwości radiowych

skanuje mózg lub inną część ciała.

Zyskujemy dzięki temu

informacje o strukturze mózgu.

oraz możemy zmierzyć

między magnetycznymi własnościami krwi natlenionej

i krwi odtlenionej.

Oznacza to możliwość

mapowania aktywności funkcjonalnej mózgu.

A to jest coś nad czym pracowaliśmy.

Widzieliście właśnie Mottsa - inżyniera ds. badań

wjeżdżającego do urządzenia do rezonansu magnetycznego,

ma on na sobie specjalne okulary.

Za pomocą tych okularów będzie on mógł zobaczyć pewne rzeczy.

Będę mógł mu coś pokazać podczas badania rezonansem.

I jest to troszkę dziwne

to co Motts właściwie widzi to jest to.

Widzi on swój własny mózg.

Motts coś robi.

Najprawdopodobniej wykonuje on taki ruch prawą ręką

ponieważ widzimy aktywność lewej półkuli

w rejonie kory ruchowej.

A on w tym samym czasie może to zobaczyć.

Wizualizacje te są nowym produktem.

Zajmujemy się tym od niedawna.

A oto kolejne obrazy przedstawiające mózg Mottsa.

Poprosiliśmy go by liczył od 100 do 1.

Więc liczy: "100, 97, 94".

Wymienia coraz niższe liczby.

Widać jak jego "matematyczny procesor" pracuje

podświetlając cały mózg.

Jest to fantastyczna rzecz. Możemy to robić w czasie rzeczywistym.

Możemy badać różne rzeczy, kazać mu wykonywać polecenia.

Widać również, że jego kora wzrokowa

znajdująca się w tylnej części mózgu została aktywowana

ponieważ to co widzi, widzi za pomocą mózgu.

Poza tym słyszy polecenia,

które mu wydajemy.

Sygnał ten pochodzi głęboko z mózgu,

ale widać jak świeci przez wszystkie jego warstwy,

z powodu objętości jaką zajmuje.

A za kilka sekund zobaczycie,

o już widać. Motts porusza teraz lewą stopą.

Robi coś w tym stylu.

Przez 20 sekund wykonywał tą czynnosć

i nagle zapala się ta część mózgu.

Więc widzimy tu aktywizację kory ruchowej.

Jest to naprawdę świetna rzecz.

I uważam, że jest to wspaniałe urządzenie.

A łącząc to z poprzednim wykładem,

jest to coś co można użyć jako narzędzie

pozwalające naprawdę zrozumieć

jak działają neurony, jak działa mózg,

a to wszystko w bardzo bardzo wysokiej jakości wizji,

w wysokiej rozdzielczości.

A tutaj, trochę się rozerwaliśmy w naszym centrum.

To jest tomograf komputerowy(CAT scan - angielska nazwa CAT oznacza kota).

Jest to lwica z lokalnego zoo

znajdującego się tuż przy Norrkoping w Kolmarden, o imieniu Elsa.

Przybyła ona do naszego centrum,

została uśpiona,

po czym trafiła prosto do tomografu.

Wtedy uzyskaliśmy pełen zestaw danych dotyczących lwicy.

Mogę stworzyć takie fajne obrazy jak ten.

Mogę zdjąć z tej lwicy warstwę skóry.

Mogę zaglądnąć do środka.

I właśnie z tym eksperymentowaliśmy.

Sądzę że jest to wspaniała aplikacja,

przyszłość tej technologii.

Ponieważ niewiele wiadomo o zwierzęcej anatomii.

Weterynarze posiadają właściwie tylko podstawowe informacje tego typu.

Możemy przeskanować różne rzeczy,

różne rodzaje zwierząt.

Jedynym problemem jest zmieszczenie ich w tej maszynie.

Tutaj mamy niedźwiedzia.

Ciężko było go tam zmieścić.

Niedźwiedzie to przyjazne zwierzęta, przytulanki.

Tu mamy jego zdjęcie. Tu mamy nos.

Do tego pewnie chcielibyście się przytulić.

Ale gdy zmienimy funkcję i widać to - wtedy raczej zmienicie zdanie.

Więc raczej strzeżcie się niedźwiedzi.

W tym miejscu

chciałbym podziękować wszystkim

którzy pomogli mi w stworzeniu tych obrazów

Jest to bardzo duży wysiłek -

zebranie danych, stworzenie algorytmów,

napisanie oprogramowania.

Więc, są to bardzo utalentowani ludzie.

Moim mottem jest: zatrudniam tylko ludzi mądrzejszych ode mnie

i większość z nich jest mądrzejsza ode mnie.

Dziękuję bardzo.

Brawa