´ VYUZIT ˇ ´I MATLAB WEB SERVERU PRAKTICKE ˇ PRI ˇ ZPRACOVAN ´ ´I VYSLEDK ´ ˚ VYSET ˇ ˇ ´I V MEDICINE U REN M. P´ anek1,2 , E. Koˇc´ arek2 , A. Proch´ azka1 1
ˇ ´ RT ˇ VSCHT UP 2 UK 2.LF
Abstrakt Modern´ı v´ yvojov´ e trendy v komunikac´ıch a informaˇ cn´ıch technologi´ıch zasahuj´ı do vˇ sech moˇ zn´ ych odvˇ etv´ı pr˚ umyslu, v´ yzkumu, ale i do odvˇ etv´ı vzd´ alen´ ych technick´ ym smˇ er˚ um, jak´ ymi jsou pˇ r´ırodn´ı a l´ ekaˇ rsk´ e vˇ edy. Nov´ a doba a pokroky ve vˇ sech tˇ echto oborech spojuj´ı doposud vzd´ alen´ e obory a umoˇ zn ˇ uj´ı vyuˇ z´ıvat vˇ sech moˇ zn´ ych prostˇ redk˚ u. Matlab se svou knihovnou Matlab Web Server poskytuje ˇ radu moˇ znost´ı k vyuˇ zit´ı. Pˇ redkl´ adan´ y ˇ cl´ anek se zamˇ eˇ ruje na praktick´ e vyuˇ zit´ı MLWS pˇ ri zpracov´ an´ı obrazov´ ych informac´ı, kter´ e jsou souˇ c´ ast´ı zdravotn´ı dokumentace v genetick´ e poradnˇ e. Jedn´ a se o v´ ysledky molekul´ arnˇ e cytogenetick´ e vyˇ setˇ rovac´ı metody fluorescenˇ cn´ı in situ hybridizace (FISH), kter´ e jsou on-line ukl´ ad´ any do datab´ aze, kde jsou okamˇ zitˇ e pˇ r´ıstupn´ e oˇ setˇ ruj´ıc´ımu l´ ekaˇ ri. Matlab Web Server se st´ av´ a uˇ ziteˇ cn´ ym pomocn´ıkem nejen pˇ ri archivaci, ale tak´ e pˇ ri ˇ c´ asteˇ cn´ em zpracov´ an´ı tˇ echto v´ ysledk˚ u. Jak ukazuj´ı v´ ysledky naˇ s´ı pr´ ace, m´ a tato aplikace ˇ sirok´ e vyuˇ zit´ı v praxi.
´ Kl´ıˇ cov´ a slova: Matlab Web Server, Fluorescenˇcn´ı In Situ Hybridizace, Uprava obraz˚ u
1
´ Uvod
Pˇred tˇremi lety firma Mathworks Inc. pruˇznˇe zareagovala na st´ale soupaj´ıc´ı vliv internetu a vzd´ alen´eho pˇr´ıstupu k dat˚ um a obohatila sv˚ uj jiˇz tak rozs´ahl´ y produkt Matlab o knihovnu pro komunikaci po celosvˇetov´e s´ıti. Z poˇc´atku jsme spatˇrovali velk´e uplatnˇen´ı ve v´ yuce a tak´e jsme nˇekolikr´at tuto moˇznost s r˚ uzn´ ymi novinkami prezentovali. Ovˇsem hlavn´ı s´ıla Matlabu nen´ı jen ve v´ yuce, ale v jeho vyuˇzit´ı v praxi. Jelikoˇz se vˇsak specializujeme na velmi u ´zk´ y okruh z´ ajmu v porovn´ an´ı s t´ım, co Matlab umoˇzn ˇuje, byl probl´em nal´ezt odpov´ıdaj´ıc´ı odvˇetv´ı, kde bychom mohli nasadit do praxe tak´e Matlab Web Server (MLWS). V tomto ˇcl´anku prezentujeme pr´ avˇe takovou praktickou aplikaci, kter´ a je velmi uˇziteˇcn´ ym pomocn´ıkem pˇri zpracov´an´ı obrazov´e pˇr´ılohy l´ekaˇrsk´e dokumentace. Prezentovan´ y projekt spojuje dva na prvn´ı pohled vzd´ alen´e obory. Jedn´ a se o vyuˇzit´ı naˇsich znalost´ı z oblasti zpracov´ an´ı obraz˚ u a datab´ azov´ ych syst´em˚ u a v tomto pˇr´ıpadˇe jedn´e konkr´etn´ı vyˇsetˇrovac´ı metody. Zmiˇ novanou metodou je fluorescenˇcn´ı in situ hybridizace, o n´ıˇz bude pojedn´ ano v samostatn´e kapitole. Naˇse dosavadn´ı v´ yzkumy ukazuj´ı, ˇze metody zpracov´an´ı dvourozmˇern´ ych sign´ al˚ u testovan´ ych na obrazech magnetick´e rezonance, lze s nepatrn´ ymi zmˇenami pouˇz´ıt i na v´ ystupy z fluorescenˇcn´ıho mikroskopu.
2
Fluorescenˇ cn´ı In Situ Hybridizace
Jedn´ a se o pomˇernˇe mladou vyˇsetˇrovac´ı metodu, kter´ a je zaloˇzena na detekci u ´sek˚ u nukleov´ ych kyselin znaˇcen´ ych fluorescenˇcn´ım barvivem. Cel´a metoda spoˇc´ıv´a v denaturaci nukleov´e kyseliny a jej´ı hybridizaci se znaˇcenou sondou. Ta m˚ uˇze b´ yt znaˇcena bud’ pˇr´ımo nebo nepˇr´ımo. V pˇr´ıpadˇe pˇr´ım´eho znaˇcen´ı je na sondu pˇr´ımo nav´ az´ana detekˇcn´ı l´atka, kterou m˚ uˇzeme pozorovat v pˇr´ısluˇsn´em mikroskopu. Pˇri nepˇr´ım´em znaˇcen´ı jsou na sondu nav´ az´any molekuly
l´atek, kter´e sice nefluoreskuj´ı, ale jejich pˇr´ıtomnost lze prok´ azat vazbou jin´e l´atky, kter´ a fluorochrom obsahuje. Tak mohou b´ yt sondy znaˇceny napˇr´ıklad biotinem, kter´ y lze vizualizovat nav´ az´an´ım FITC-avidinu (tj. avidinu s pˇripojenou molekulou fluorescenˇcn´ıho barviva fluoresceinizothiokyan´ atu). V´ yhoda nepˇr´ım´eho znaˇcen´ı spoˇc´ıv´a v moˇznosti amplifikace fluorescenˇcn´ıch sign´ al˚ u, kter´e jsou pak l´epe pozorovateln´e, zejm´ena pˇri vizu´ aln´ım hodnocen´ı mikroskopick´eho obrazu. FISH nach´ az´ı st´ ale vˇetˇs´ı uplatnˇen´ı v prenat´ aln´ı diagnostice a v souˇcasn´e dobˇe hraje i nenahraditelnou u ´lohu pˇri detekci mikrodeleˇcn´ıch syndrom˚ u, a dalˇs´ıch submikroskopick´ ych chromozom´aln´ıch aberac´ı, kter´e lze bˇeˇzn´ ymi cytogenetick´ ymi metodami diagnostikovat jen ve velmi omezen´em poˇctu pˇr´ıpad˚ u. V onkogenetice pˇredstavuje FISH ˇcasto jedinou metodu, s jej´ıˇz pomoc´ı lze pˇresnˇe vyhledat a lokalizovat komplexn´ı pˇrestavby chromoz´ om˚ u u pacient˚ u s hemoblast´ ozami nebo jin´ ymi n´ adorov´ ymi chorobami. V posledn´ı dobˇe nal´ez´a FISH sv´e m´ısto tak´e v reprodukˇcn´ı medic´ınˇe pˇri preimplantaˇcn´ı diagnostice. V´ ysledkem metody FISH je barevn´ y obraz sejmut´ y digit´ aln´ım fotoapar´ atem ˇci kamerou z mikroskopu, kter´ y je potˇreba vhodn´ ym zp˚ usobem upravit, aby bylo moˇzn´e s jistotou potvrdit ˇci vyvr´atit podezdˇren´ı na pˇr´ısluˇsnou genetickou poruchu.
3
Popis syst´ emu
Prezentovan´ y syst´em zpracov´an´ı obraz˚ u za vyuˇzit´ı Matlab Web Serveru je souˇc´ast´ı ˇsirˇs´ıho projektu, kter´ y m´a propojit genetick´e laboratoˇre s klinick´ ymi pracoviˇsti (zejm´ena s genetickou poradnou) bez nutnosti opakovan´ ych a ˇcasto zbyteˇcnˇe zdlouhav´ ych v´ ymˇen obs´ahl´ ych spis˚ u o pacientech a v´ ysledc´ıch vyˇsetˇren´ı. Jde o vyuˇzit´ı datab´ az´ı pro uchov´ an´ı cel´e zdravotn´ı dokumentace pacienta se vˇsemi v´ ysledky proveden´ ych vyˇsetˇren´ı. Syst´em je navrˇzen tak, aby jej mohl bez jak´ ychkoliv probl´em˚ u pouˇz´ıvat kaˇzd´ y l´ekaˇr ve sv´e ordinaci vybaven´e poˇc´ıtaˇcem s pˇr´ıstupem na internet.
Obr´ azek 1: Hlavn´ı okno syst´emu s rozbalen´ ym menu File
V pˇredkl´ adan´em ˇcl´anku se zamˇeˇr´ıme jen na popis d´ılˇc´ıho syst´emu na zpracov´an´ı obraz˚ u. Z hardwarov´eho hlediska je syst´em postaven na dvou samostatn´ ych poˇc´ıtaˇc´ıch, z nichˇz jeden zajiˇst’uje chod WWW serveru a MLWS a na druh´em je instalov´ana datab´ aze. Oba poˇc´ıtaˇce jsou tˇr´ıdy Pentium III s pamˇet´ı minim´alnˇe 256 MB a disky minim´ alnˇe 30 GB. Softwarovˇe je syst´em postaven na syst´emu MS Windows 2000 Server a Matlab R12 s MLWS. Na druh´em poˇc´ıtaˇci je instalov´ an tent´ yˇz operaˇcn´ı syst´em a datab´ aze MS SQL 2000. Jelikoˇz se jedn´ a o citliv´a data, kter´a by nemˇela b´ yt pˇr´ıstupn´ a kaˇzd´emu, je vyˇzadov´ ana autorizace opr´ avnˇen´ ych osob pomoc´ı pˇrihlaˇsovac´ıho jm´ena a hesla a protokolem HTTPS. Tento syst´em samozˇrejmˇe nen´ı moˇzn´e propojit pˇr´ımo se sn´ımac´ı kamerou a proto je zde moˇznost posl´ an´ı obrazu na server ve form´atu TIFF [1]. Takto uloˇzen´a data je moˇzn´e r˚ uznˇe upravovat. Jedn´ a se zat´ım o prvn´ı verzi a nˇekter´e dalˇs´ı funkce budou pˇrid´ av´ any, tak´e v z´avislosti ´ na rychlosti pouˇzit´ ych algoritm˚ u. Uvodn´ ı obrazovka syst´emu je na obr. 1. Z obraz˚ u uloˇzen´ ych na serveru je moˇzn´e dˇelat v´ yˇrezy, upravovat jas obrazu, upravovat histogram, mˇenit barevnou paletu, pˇrid´ avat anotaci, vyhled´ avat hrany a v´ ysledn´e obr´ azky uloˇzit do datab´ aze. Zde jiˇz jsou automaticky pˇriˇrazeny ke ”kartˇe” pacienta a jsou okamˇzitˇe k dispozici oˇsetˇruj´ıc´ımu l´ekaˇri. Na obr. 2 je zobrazeno okno pro v´ yˇrez z origin´alu.
Obr´ azek 2: Okno pro v´ yˇrez z origin´ alu
4
´ Uprava obrazu
Pro zpracov´an´ı pouˇz´ıv´ame v origin´ alu nekomprimovan´e TIFF obr´ azky. Jedn´ a se o jeden z nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ıch bitmapov´ ych form´ at˚ u, kter´ y je podporov´ an snad vˇsemi dostupn´ ymi programy pro zpracov´an´ı obraz˚ u. Jelikoˇz se vˇsak jedn´ a o pomˇernˇe velk´e soubory, prov´ ad´ıme v´ yˇrez pro n´ as zaj´ımav´ ych oblast´ı, kter´e n´ aslednˇe ukl´ ad´ ame ve form´atu JPEG, tedy vyuˇz´ıv´ame standardn´ı komprese specifick´e pro tento form´ at.
Darken image
Original image
Brighten image
Obr´ azek 3: Pouˇzit´ı funkce brighten s koeficientem 0.8 a -0.8
Pod pojmem u ´prava obrazu je moˇzn´e nal´ezt spoustu u ´kon˚ u z nichˇz nˇekter´e, dostupn´e v naˇs´ı aplikaci byly jiˇz v´ yˇse pops´ any. Nyn´ı se pod´ıv´ame trochu podrobnˇeji na dva z nich. A ´ to sice na u ´pravu histogramu a u ´pravu jasu. Uprava jasu je zaloˇzena na u ´pravˇe cel´e barevn´e palety. Rozsah hodnot barevn´e palety se standardnˇe pohybuje v intervalu h0; 1i. Pro u ´pravu jasu pouˇz´ıv´ame vestavˇen´e funkce MATLABu brighten, kter´ a umoˇzn ˇuje prov´est zesvˇetlen´ı a ztmaven´ı obr´ azku. Pokud pouˇzijeme koeficient pro pˇrepoˇcet barevn´e palety v intervalu h0; 1i, pak v´ ysledn´ y obraz bude svˇetlejˇs´ı. Bude-li pˇrepoˇc´ıtac´ı koeficient spadat do intervalu h−1; 0i, bude cel´ y obraz tmavˇs´ı. Na obr. 3 je uveden pˇr´ıklad pouˇzit´ı funkce brighten. Druh´ ym z´asahem do obrazu m˚ uˇze b´ yt u ´prava histogramu [2], kter´ y popisuje mnoˇzstv´ı a frekvenci barev v obraze. Jedn´ a se o vektor ˇcetnost´ı jednotliv´ ych hodnot nal´ezaj´ıc´ıch se v obraze. Z histogramu je moˇzn´e vyˇc´ıst mnoˇzstv´ı informac´ı. Nenese informace jen o poloze pixel˚ u v obrazu, ale je z nˇej jasn´e, zda se jedn´ a o obraz jasn´ y ˇci tmav´ y. Pod pojmem u ´prava histogramu, nebo tak´e operace s histogramem, se rozum´ı operace, kter´e vˇetˇsinou nezasahuj´ı pˇr´ımo do histogramu, ale prov´ ad´ı takov´e zmˇeny v obraze, ˇze se projev´ı i v histogramu. Dalˇs´ımi funkcemi jsou pr´ avˇe z´asahy pˇr´ımo do histogramu, kter´e se ve vˇetˇs´ı ˇci menˇs´ı m´ıˇre projev´ı v origin´ alu obrazu. Takov´ ym pˇr´ıkladem m˚ uˇze b´ yt pr´ avˇe zesvˇetlen´ı ˇci ztmaven´ı obrazu. Na obr. 4 jsou prezentov´ any histogramy odpov´ıdaj´ıc´ı obraz˚ um na obr. 3. Darken Image
Original Image
200
Brighten Image
120
90
180
80 100
160
70
140 80
60
120 50 100
60 40
80 40
30
60 20
40 20
10
20
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Obr´ azek 4: Histogramy obraz˚ u za pouˇzit´ı funkce brighten s koeficienty 0.8 a -0.8 Jak je patrn´e, funkce brighten prov´ ad´ı prostou zmˇenu jasu obrazu u ´pravou cel´eho histogramu, u ´pravou vˇsech bod˚ u. M˚ uˇzeme vˇsak prov´ adˇet lok´aln´ı z´asahy do histogramu, ovˇsem ty vyˇzaduj´ı naˇs´ı dobrou orientaci v histogramu a schopnost urˇcit, kter´e body m´ ame zmˇenit a kter´e ponech´ ame. Na to jiˇz nen´ı moˇzn´e napsat obecnou funkci a je potˇreba tyto operace prov´ adˇet individu´ alnˇe.
5
Z´ avˇ er
Cel´ y syst´em je zat´ım ve zkuˇsebn´ım provozu. Vˇeˇr´ıme, ˇze po odstranˇen´ı vˇsech objevivˇs´ıch se chyb bude velmi uˇziteˇcn´ ym n´astrojem, kter´ y postupnˇe nahrad´ı pap´ırovou formu dokumentace a potˇrebu posl´ıˇck˚ u mezi laboratoˇr´ı a ambulanc´ı. Cel´ y syst´em je nav´ıc modul´ arn´ı a pˇredpokl´ ad´ ame jeho dalˇs´ı rozˇsiˇrov´ an´ı zapojen´ım dalˇs´ıch laboratoˇr´ı a pracoviˇst’. V´ ysledkem by mˇela b´ yt pˇrehledn´ a kompletn´ı zdravotn´ı dokumetace shrom´aˇzdˇen´ a na jednom m´ıstˇe. Projekt vznik´ a na z´akladˇe celosvˇetovˇe rozv´ıjej´ıc´ı se telemedic´ıny a propojov´ an´ı jednotliv´ ych pracoviˇst’ mezi sebou. Jak je patrn´e, ani ˇcesk´a medic´ına neztr´ ac´ı krok s v´ yvojem ve svˇetˇe a je schopna konkurovat i v oblasti informaˇcn´ıch technologi´ı celosvˇetovˇe rozv´ıjej´ıc´ımu se standardu.
6
Podˇ ekov´ an´ı
Naˇse pr´ ace byla podpoˇrena granty IGA NE6912-4, NI6247-3 (Intern´ı grantov´ a agentura Miˇ e republiky), FRVS ˇ 2482/2002 G3 (Fond rozvoje vysok´ nisterstva zdravotnictv´ı Cesk´ ych ˇskol), ˇ v´ yzkumn´ ym z´amˇerem Karlovy Univerzity ˇc.111300003 a v´ yzkumn´ ym z´amˇerem VSCHT Praha ˇc. MSM 223400007.
Reference [1] J. D. Murray and W. vanRyper. Encyklopedie grafick´ych form´ at˚ u. Computer Press, Praha, druh´e edition, 1997. ˇ ara, B. Beneˇs, and P. Felkel. Modern´ı poˇc´ıtaˇcov´ [2] J. Z´ a grafika. Computer Press, Praha, 1998.
Martin P´ anek1,2 , Eduard Koˇc´arek2 , Aleˇs Proch´azka1 1 VSCHT ˇ ´ RT, ˇ Technick´a 1905, 166 28 Praha 6 UP 2 UK 2.LF, TPU ´ Plzeˇ nsk´ a 130, 150 00 Praha 5 - Motol E-mail:
[email protected],
[email protected],
[email protected]
