Projekty

Biomedicínské inženýrské systémy XV

SP2019/152

Penhaker Marek prof. Ing., Ph.D.

prof. Ing. Martin Černý, Ph.D.
prof. Ing. Martin Augustynek, Ph.D.

01. 01. 2019 - 31. 12. 2019

Projekt navazuje na vědecko-výzkumnou činnost realizovanou v předchozích letech v rámci interních grantů Biomedicínské inženýrské systémy. Řešitelská skupina má tedy dostatek zkušeností s realizací a kvalitními výstupy projektů tohoto typu. Řešiteli projektu byli vždy doktorandi a nadějní studenti magisterského studia, kteří v rámci těchto projektů realizovali své disertační, diplomové práce. V rámci projektu garantovaného školitelem doktorandů je prof. Ing. Marek Penhaker, Ph.D. jsou vytvořeny pracovní skupiny řešící dílčí úkoly projektu, které jsou složeny vždy z jednoho doktoranda či zaměstnance ve funkci vedoucí skupiny, případně zaměstnance ve funkci zodpovědného vedoucího skupiny, mladší doktorandi ve funkci řešitel a v neposlední řadě studenti ve funkci řešitelů dílčích problémů projektu. Projekt jednoznačně vede k výchově nadějných VaV pracovníků od analýzy konkrétních problémů, přes návrhy řešení a realizace až po presentaci výstupů dle aktuální vydané metodiky VaV MŠMT. Průkaznost kvality podávaného projektu je, že byly v předchozích letech vždy řešeny aktuální vědecko-výzkumné problémy vycházející především z praxe. Dokladem toho je i řešením projektu, kde v minulém roce 2018 bylo publikováno přes 32 publikací, z toho tři v impaktovaných žurnálech, 29 na konferencích uvedených v ISI WOK a SCOPUS. Výsledky řešení byly následně transformovány do Ochrany duševního vlastnictví v roce 2018, kde jsou dva udělené patenty v ČR. Souhrnně projekt splnil předpokládané výsledky projektu dle evidence vědy a výzkumu metodiky MŠMT. Na projektu se podílejí 100 % pouze pracovníci s nenulovým výkonem v RIV 2017. V roce 2018 vytvořil tým cca 473 RIV bodů. V průběhu řešení projektu budou řešeny tyto dílčí úkoly: 1. Výstupem využití inerciálních senzorů pro objektivizaci rehabilitačního procesu bude odpovídající publikace výsledků ve spolupráci s LF OU a FN Ostrava. 2. Cílem projektu je tvorba rozsáhlé databáze retinálních obrazů. Mezi navazující výstupy patří autonomní model retinálního cévního systému, umožňující kalkulaci tortuozity, která hodnotí míru globálního zakřivení cévního systému s cílem automatické klasifikace patologického zakřivení retinálních cév. Posledním výstup je robustní model retinálních lézí na bázi strojového učení, umožňující automatickou detekci retinálních lézí a jejich kvantifikaci a objektivizaci vůči optickému disku, sloužící jako referenční objekt. 3. Cílem projektu je realizace rozsáhlého souboru EGG měření s cílem vytvoření databáze EGG signálů, které jsou snímány v unifikovaných laboratorních podmínkách při různé aktivitě žaludku. Konsekventní aktivity zpracování databáze EGG signálu zahrnují extrakci signifikantních příznaků EGG signálu ve frekvenční a časově-frekvenční oblasti s cílem automatické identifikace a klasifikace žaludeční aktivity. Výstupem aktivity je rovněž design a realizace filtrační procedury s cílem eliminace artefaktů EGG signálu a detekce jeho trendu. 4. Cílem analýzy MHD efektu v průběhu snímání na MR bude soubor experimentálních měření EKG signálu různými EKG elektrodami, a během různých MR sekvencí, u kterých je předpoklad, že by mohly ovlivňovat kvalitu snímání EKG signálu. Signálové zpracování EKG signálu na MR bude obsahovat algoritmy pro automatickou detekci významných úseků EKG signálu a testování jejich robustnosti a efektivity v rámci MR měření. Důležitým výstupem rovněž bude analýza MHD efektu v rámci frekvenční a časově-frekvenční analýzy s cílem autonomní identifikace tohoto fenoménu. 5. Metody diagnostiky kardiovaskulárního systému – Výsledkem bude návrh a realizace nového elektrochemického snímače pro kontinuální měření obsahu rozpuštěné glukózy v tekutině. Bude realizovaný prototypové zkoušky a měření na kalibrovaných systémech spektrofotometrie. Výstupem bude přihláška patentu a publikace objevů. Výstupem budou nové senzory pro měření průtoku v modelu kardiovaskulárního systému, s tím souvisejícím vývojem inovovaných diagnostických přístupů k odhadu kontinuální měření krevního tlaku a žurnálové publikace. 6. Využití rotačního 3D displeje pro vizualizaci VKG. Výstupem projektu bude implementace měřicího řetězce s návrhem programovatelné logiky FPGA pro vizualizaci prostorové VKG křivky na rotačním 3D displeji. Bude provedeno experimentální měření na pacientovi v reálném čase s vyhodnocením kvality prostorového zobrazení pro posouzení kardiologem. Zjištění povede ke stanovení možnosti využití použitého typu vizualizace v klinické praxi.

prof. Ing. Marek Penhaker, Ph.D.
Ing. Vladimír Kašík, Ph.D.
prof. Ing. Martin Augustynek, Ph.D.
Ing. Lukáš Peter, Ph.D.
Ing. Iveta Bryjová
Ing. Radim Klečka
Ing. Radek Halfar, Ph.D.
Ing. Daniel Barvík, Ph.D.
Ing. David Oczka, Ph.D.
Ing. Klára Bajgarová
Bc. Dominika Krejcarová
Bc. Jana Dobešová
Bc. Martin Závodný
Bc. Daniel Laryš
Bc. Jan Suchánek
Ing. Martin Schmidt
Ing. Jaroslav Vondrák, Ph.D.
Ing. Alice Varyšová, Ph.D.
Bc. Jakub Möhwald
Bc. Ladislav Havelka
Bc. Michal Hanáček
Ing. Daniel Volný
Ing. Boris Novosad
Ing. Marta Ševčáková
Ing. Michal Strýček
Ing. Dominik Vilímek
Ing. Klára Balážová
prof. Ing. Martin Černý, Ph.D.
prof. Ing. Martin Augustynek, Ph.D.

Příprava a návrh řešení dílčích úkolů se opírá o dlouhodobou dílčí spolupráci založenou jak na osobních kontaktech tak institucionální spolupráci subjektů VŠB – TUO, FN Ostrava a Městské Nemocnice Ostrava v minulosti. Tato spolupráce je nyní zastřešena nejen formálně. Globálním cílem je úspěšně aplikovat znalosti a dovednosti řešitelů v oblasti Biomedicínského inženýrství do řešení reálných praktických problémů z klinické praxe a zvýšit a podpořit vědecko-výzkumné aktivity studentů doktorských a magisterských studijních programů ve spolupráci s akademickými pracovníky. Harmonogram řešení je následující: Analytická fáze proběhla v rámci přípravy žádosti projektu a všichni řešitelé mají jasnou představu, jaké problémy a s jakými kroky bude potřeba řešit. Fáze přípravy řešení zahrnuje období leden až březen – kdy bude zprovozněno měření v dílčích částech projektu a dokoupeny senzory a prostředky pro měření tak, aby byl připraven HW k měření a zprovozněny snímače pro snímání dat. Ve druhé fázi duben – srpen proběhnou testy a první měření na realizovaném HW. Data budou otestována na správnost a započne fáze předzpracování dat a odladění problémů v měřicích řetězcích a případně nespolehlivosti měření. Ve třetí fázi červenec až září, budou publikovány první dílčí výsledky měření a zpracování dat a současně budou řešeny problémy analýzy a vyhodnocení biosignálů a měřených dat. Současně budou magisterští studenti finalizovat realizační části diplomových prací. Ve čtvrté fázi září – prosinec budou k dispozici finální výsledky a hotové algoritmy a metodiky zpracování, optimalizace dat tak, aby byly podány patenty, užitné vzory, funkční vzorky, presentovány finální výsledky řešení a zpracovávaná závěrečná zpráva projektu.
Dílčí cíle projektu vyplývají z jeho částí a to:
1. Využití inerciálních senzorů pro objektivizaci rehabilitačního procesu. V rámci výzkumného záměru budou realizovány rehabilitační pomůcky s implementovanými inerciálními senzory, které budou testovány v rámci již schválené klinické studie ve spolupráci s FN Ostrava a LF OU Ostrava. Nad naměřenými daty bude prováděna odpovídající analýza za účelem zhodnocení přínosů kontrolované a řízené rehabilitace.
2. Analýza a modelování zájmových oblastí z retinálních obrazových dat – Aktivita je řešena ve spolupráci FNO, oční klinikou. V rámci této aktivity bude vyvíjena a implementována široká databáze klinických retinálních dat jak ze systému RetCam 3, tak z Fundus kamery. Databáze bude obsahovat jak retinální obrazová data, tak klinické diagnózy. Databáze bude využita k vývoji a implementaci moderních segmentačních metod pro autonomní modelování retinálního cévního systému, optického disku a retinálních lézí.
3. Analýza a měření EGG signálu – v rámci této aktivity bude řešen rozsáhlý soubor měření EGG signálu v laboratorních podmínkách při různých aktivitách žaludku. Cílem konsekventního zpracování EGG signálu je návrh metod pro analýzu EGG signálu v časové a časově-frekvenční oblasti, filtraci a klasifikaci EGG signálu.
4. Analýza a modelování MHD efektu na kvalitu snímání EKG signálu v průběhu MR skenování – v rámci analýzy budou realizovány testovací měření EKG signálu na MR s cílem kvantifikace a objektivizace MHD efektu pro různé testovací elektrody a MR sekvence.
5. Metody diagnostiky kardiovaskulárního systému a vývoje nových diagnostických metod – Předmětem výzkumu bude návrh nové elektrody pro měření srdečního výdeje založený na dilučním principu s ohledem na existující model cévního řečiště. Vývoj senzorických řešení pro model kardiovaskulárního systému za účelem zvýšení přesnosti realizovaného modelu a vývoji dalších biochemických měření pro zpřesnění diagnostiky. Optimalizace algoritmů pro určení hodnot krevního tlaku ze zpoždění pulsní vlny a její další závislosti na variabilitě tepové frekvence.
6. Využití rotačního 3D displeje pro vizualizaci VKG. Projekt je zaměřen na rozbor možností vizualizace VKG křivky ve válcovém prostoru 3D displeje s RGB LED diodami. První část projektu je zaměřena na nalezení vhodného typu reprezentace zobrazovaných dat ve vnitřní paměti FPGA, který je hlavním obvodem pro implementaci náročných grafických algoritmů použité logiky. V dalších aspektech se zabývá vlivem parametrů, jako jsou rychlost rotace, rozlišovací schopnost a barevnost, na možnost vnímání informačního obsahu VKG křivky. Současně bude vyvíjen protokol bezdrátového přenosu dat mezi měřicím místem a vizualizačním prostředkem.