Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Biomedicínské inženýrské systémy XVI

SP2020/55

Penhaker Marek prof. Ing., Ph.D.

prof. Ing. Martin Černý, Ph.D.

01. 01. 2020 - 31. 12. 2020

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 2019 bylo publikováno přes 22 publikací, z toho tři v impaktovaných žurnálech, 19 na konferencích uvedených v ISI WOK a SCOPUS. 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 2018. V průběhu řešení projektu budou řešeny tyto dílčí úkoly: 1.RadioBioHazard - Biometrická identifikace pacientů v procesu radioterapie. V této skupině se předpokládá řešení spolehlivého systému identifikace pacienta před započetím radioterapie v kontextu propojení informačního systému s biometrií člověka pro zamezení nežádoucích příhod ve zdravotnictví v souvislosti s nesprávným ozářením. 2.Metody diagnostiky kardiovaskulárního systému. Předmětem výzkumu bude návrh nové elektrody pro měření srdečního výdeje založený na dilučním principu s ohledem na existující modelu cévního řečiště. 3.Modelování vlivu zobrazovacích technik na diagnostickou kvalitu EKG a VGK signálů. V rámci této aktivity bude analyzován vliv CT a zejména MR zobrazování na kvalitu diagnostické informace z EKG a následně VKG signálů. Problematika vychází ze známého faktu, který se zabývá přítomností MHD efektu na EKG signálech v důsledku působení magnetického pole při MR vyšetření. Tato analýza se bude zabývat korelací mezi časově závislým signálem (EKG) a prostorovou informací, která je reprezentována VKG signálem. Cílem aktivity je definice relevantních a diskriminativních příznaků, na základě kterých bude budována klasifikační procedura s cílem rekognice vlivu MR magnetického pole. 4.Analýza a modelování retinálních lézí z obrazových záznamů. Tato aktivita se zabývá vývojem a realizací autonomního systému pro identifikací a modelování retinálních lézí. Tyto patologické struktury jsou konvenčně analyzovány manuálně bez objektivizované zpětné vazby, která by umožňovala standardizovaný přístup k diagnostice retinálních lézí a objektivizované měření parametrů retinálních lézí. 5.Metody pro identifikaci retinálního cévního systému a kalkulaci cévní tortuozity z retinálních obrazů. V rámci této aktivity budou vyvíjeny softwarové metody, které jsou určeny pro automatizovanou detekci a klasifikaci oblastí retinálního cévního systému. Tyto modely budou následně využity pro extrakci příznaků křivosti retinálního cévního systému s cílem kvantifikace cévní tortuozity. Byť je tento klinický parametr dobře znám již řadu let, tak v současnosti neexistuje standardizovaná metoda, která by umožnovala jeho objektivní posouzení. V tomto kontextu je modelování tortuozity značně přínosné do klinické praxe s cílem objektivizace diagnostiky patologického křivení cévního systému. 6.Vývoj inteligentního CAOS systému pro optimalizaci operačního zákroku fraktury pánve. V rámci této aktivity bude vyvíjen podpůrný systém pro optimalizované zavádění podpěrného fixátoru úlomku pánevní kosti u operace pánve. V současné době je naváděcí procedura řešena na základě postupného snímání RTG obrazů, kterými je operatér krok po kroku instruován o vhodném směru zavaděče tak, aby se vyhnul ambientním kostním strukturám a zároveň rigidně fixoval kostní úlomek pánevní oblasti. Tento přístup je značně subjektivní a komplikovaný. Z tohoto důvodu je snaha vyvíjet softwarové metody, které by umožňovaly automatickou optimalizaci vedení zavaděče, což by sloužilo jako efektivní zpětná vazba pro operatéra. 7.Extrakce a modelování pankreatu z MR obrazů s cílem analýzy a kvantifikace tukové tkáně. V rámci této aktivity bude řešen experimentální vývoj softwarového nástroje pro automatizovanou identifikaci pankreatu z MR obrazů. Tento model bude následně využit pro klasifikaci a objektivizaci obsahu tukové tkáně v pankreatu. Jedná se o zcela novou proceduru analýzu tuku, kde na základě rešerše neexistují podobné metody v klinické praxi, z tohoto důvodu se jedná o velmi perspektivní oblast s širokým potenciálem do klinické praxe. 8.Modelování vlivu zobrazovacích technik na diagnostickou kvalitu EKG a VGK signálů. V rámci této aktivity bude analyzován vliv CT a zejména MR zobrazování na kvalitu diagnostické informace z EKG a následně VKG signálů. Problematika vychází ze známého faktu, který se zabývá přítomností MHD efektu na EKG signálech v důsledku působení magnetického pole při MR vyšetření. Tato analýza se bude zabývat korelací mezi časově závislým signálem (EKG) a prostorovou informací, která je reprezentována VKG signálem. Cílem aktivity je definice relevantních a diskriminativních příznaků, na základě kterých bude budována klasifikační procedura s cílem rekognice vlivu MR magnetického pole. 9.Analýza a modelování retinálních lézí z obrazových záznamů. Tato aktivita se zabývá vývojem a realizací autonomního systému pro identifikací a modelování retinálních lézí. Tyto patologické struktury jsou konvenčně analyzovány manuálně bez objektivizované zpětné vazby, která by umožňovala standardizovaný přístup k diagnostice retinálních lézí a objektivizované měření parametrů retinálních lézí. 10.Metody pro identifikaci retinálního cévního systému a kalkulaci cévní tortuozity z retinálních obrazů. V rámci této aktivity budou vyvíjeny softwarové metody, které jsou určeny pro automatizovanou detekci a klasifikaci oblastí retinálního cévního systému. Tyto modely budou následně využity pro extrakci příznaků křivosti retinálního cévního systému s cílem kvantifikace cévní tortuozity. Byť je tento klinický parametr dobře znám již řadu let, tak v současnosti neexistuje standardizovaná metoda, která by umožňovala jeho objektivní posouzení. V tomto kontextu je modelování tortuozity značně přínosné do klinické praxe s cílem objektivizace diagnostiky patologického křivení cévního systému. 11.Vývoj inteligentního CAOS systému pro optimalizaci operačního zákroku fraktury pánve. V rámci této aktivity bude vyvíjen podpůrný systém pro optimalizované zavádění podpěrného fixátoru úlomku pánevní kosti u operace pánve. V současné době je naváděcí procedura řešena na základě postupného snímání RTG obrazů, kterými je operatér krok po kroku instruován o vhodném směru zavaděče tak, aby se vyhnul ambientním kostním strukturám a zároveň rigidně fixoval kostní úlomek pánevní oblasti. Tento přístup je značně subjektivní a komplikovaný. Z tohoto důvodu je snaha vyvíjet softwarové metody, které by umožňovaly automatickou optimalizaci vedení zavaděče, což by sloužilo jako efektivní zpětná vazba pro operatéra. 12.Extrakce a modelování pankreatu z MR obrazů s cílem analýzy a kvantifikace tukové tkáně. V rámci této aktivity bude řešen experimentální vývoj softwarového nástroje pro automatizovanou identifikaci pankreatu z MR obrazů. Tento model bude následně využit pro klasifikaci a objektivizaci obsahu tukové tkáně v pankreatu. Jedná se o zcela novou proceduru analýzu tuku, kde na základě rešerše neexistují podobné metody v klinické praxi, z tohoto důvodu se jedná o velmi perspektivní oblast s širokým potenciálem do klinické praxe. 13.Optimalizace systémů asistovaného bydlení a asistivních technologií. Skupina se bude zabývat testováním a vývojem řešení v oblasti senzoriky, měření a zpracování biologických signálů v aplikacích asistovaného bydlení a asistivních technologií. K tomu bude využívána nově vznikající infrastruktura CPIT TL3. Dojde ke spojení s aktivita další skupiny z katedry 450 zabývající se otázkami domácí automatizace.

prof. Ing. Marek Penhaker, Ph.D.
Ing. Vladimír Kašík, Ph.D.
prof. Ing. Martin Augustynek, Ph.D.
Ing. Lukáš Peter, Ph.D.
Ing. Jan Kubíček, Ph.D.
Ing. Monika Jasenská
Ing. Daniel Barvík, Ph.D.
Bc. Barbora Svobodová
Bc. Ivana Bambušková
Ing. David Oczka, Ph.D.
Ing. Michal Procházka
Ing. Klára Bajgarová
Bc. Dominika Krejcarová
Bc. Denisa Kurowská
Bc. Andre Zakuťanský
Bc. Martin Závodný
Bc. Tomáš Kubát
Ing. Martin Schmidt
Ing. Jaroslav Vondrák, Ph.D.
Ing. Alice Varyšová, Ph.D.
Bc. Jakub Möhwald
Ing. Vojtěch Raška
Ing. Nikola Slaninová
Ing. Daniel Volný
Ing. Boris Novosad
Ing. Adam Trefil
Ing. Nela Skulová
Bc. Jiří Svoboda
Ing. David Sojka
Bc. Ing. Ondřej Palík
Bc. Tereza Muchová
Bc. Patrik Ponikva
Ing. Marta Ševčáková
Bc. Magdaléna Najbrtová
Ing. Michal Strýček
Ing. Jakub Foltýn
Ing. Vendula Mahrová
Bc. Dominik Jiřík
Ing. Jiří Herget
Ing. Radim Klečka
Ing. Tomáš Mimra
Ing. Dominik Vilímek
Ing. Klára Balážová
Bc. Kristýna Hančarová, MBA
Bc. Martin Slaziník
Bc. Vojtěch Fiala
Mgr. Petr Langer
Bc. David Štěrba
Ing. Jan Hečko, Ph.D.
prof. Ing. Martin Černý, 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.RadioBioHazard - Výstupem bude vývoj senzorických řešení pro systém identifikace pacienta a verifikace v systému plánování radioterapie pro započetí terapie. Výsledkem bude HW a SW řešení , které bude předmětm IP a následného procesu komercializace výstupu. Souběžné budou realizovány publikace o zmenách biometrických parametrů v průběhu radioterapie u vybraných lokací dávkování ionizujícího záření.
2.Bude realizován 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 1x prototyp elektrody, 1x prototyp elektrochemického snímače, 2x publikace.
3.Výstupem analýzy bude matematický model, který popisuje signifikanci EKG a VKG příznaků pro hodnocení a kvantifikaci vlivu MR a CT zobrazování na diagnostickou informaci. V rámci této aktivity se očekává review publikace na morfologické příznaky VKG signálů a následně publikace, prezentující analýzu vlivu CT a MR vyšetření na kvalitu diagnostické informace EKG a VKG signálů.
4.Výstupem této aktivity bude autonomní softwarový systém, umožňují identifikaci a klasifikaci retinálních lézí z retinálních obrazových záznamů. Tento systém bude umožňovat klasifikaci obrazu, který obsahuje retinální léze, detekci jednotlivých lézí v rámci matematického modelu a výpočet parametrů jednotlivých lézí, aby bylo možné tyto parametry hodnotit v čase a sledovat tak jejich časovou dynamiku. Výstupem budou publikační aktivity, které si kladou za cíl matematické metody pro identifikaci a klasifikaci retinálních lézí z obrazových záznamů.
5.Výstupem aktivity bude komplexní softwarový nástroj pro identifikaci retinálního cévního systému s následnou extrakcí příznaků, které charakterizují míru křivosti cévního systému. Tato procedura bude sloužit jako podklad pro následný klasifikační systém, který bude schopen rozeznat patologickou tortuozitu z retinálních obrazů. Z hlediska publikačních výstupů se předpokládá review publikace na matematické metody pro detekci cévního systému a výpočet cévní tortuozity. Druhým publikačním výstupem bude komplexní systém pro identifikaci retinálního cévního systému a klasifikaci tortuozity.
6.Výstupem této aktivity se předpokládá softwarový systém, který na základě předoperačních RTG dat bude umožňovat vytvoření virtuálního zavaděče na základě metod virtuální reality. Softwarový nástroj bude simultánně umožňovat identifikaci ambientních kostních struktur, které by mohly být potenciálně zasaženy vedením zavaděče. Na základě optimalizačních procedur bude veden virtuální zavaděč tak, aby se vyhnul okolním kostem a ideálně fixoval úlomek pánevní kosti. Publikační aktivity budou směřovány do oblasti vývoje softwarového nástroje pro idealizované zavádění podpůrného šroubu u fraktury pánevní kosti.
7.Hlavním výstupem této aktivity bude matematický model, který automaticky identifikuje oblast pankreatu z MR obrazů a následně bude kalkulovat příznaky, který charakterizují a kvantifikují množství tuku v pankreatu jak pro 2D měření, tak 3D volumetrická data. Z hlediska publikačních aktivit se předpokládá odborná publikace autonomního systému pro identifikaci pankreatu a metodiky měření a hodnocení tukové tkáně.
8.Výstupem analýzy bude matematický model, který popisuje signifikanci EKG a VKG příznaků pro hodnocení a kvantifikaci vlivu MR a CT zobrazování na diagnostickou informaci. V rámci této aktivity se očekává review publikace na morfologické příznaky VKG signálů a následně publikace, prezentující analýzu vlivu CT a MR vyšetření na kvalitu diagnostické informace EKG a VKG signálů.
9.Výstupem této aktivity bude autonomní softwarový systém, umožňují identifikaci a klasifikaci retinálních lézí z retinálních obrazových záznamů. Tento systém bude umožňovat klasifikaci obrazu, který obsahuje retinální léze, detekci jednotlivých lézí v rámci matematického modelu a výpočet parametrů jednotlivých lézí, aby bylo možné tyto parametry hodnotit v čase a sledovat tak jejich časovou dynamiku. Výstupem budou publikační aktivity, které si kladou za cíl matematické metody pro identifikaci a klasifikaci retinálních lézí z obrazových záznamů.
10.Výstupem aktivity bude komplexní softwarový nástroj pro identifikaci retinálního cévního systému s následnou extrakcí příznaků, které charakterizují míru křivosti cévního systému. Tato procedura bude sloužit jako podklad pro následný klasifikační systém, který bude schopen rozeznat patologickou tortuozitu z retinálních obrazů. Z hlediska publikačních výstupů se předpokládá review publikace na matematické metody pro detekci cévního systému a výpočet cévní tortuozity. Druhým publikačním výstupem bude komplexní systém pro identifikaci retinálního cévního systému a klasifikaci tortuozity
11.Výstupem této aktivity se předpokládá softwarový systém, který na základě předoperačních RTG dat bude umožňovat vytvoření virtuálního zavaděče na základě metod virtuální reality. Softwarový nástroj bude simultánně umožňovat identifikaci ambientních kostních struktur, které by mohly být potenciálně zasaženy vedením zavaděče. Na základě optimalizačních procedur bude veden virtuální zavaděč tak, aby se vyhnul okolním kostem a ideálně fixoval úlomek pánevní kosti. Publikační aktivity budou směřovány do oblasti vývoje softwarového nástroje pro idealizované zavádění podpůrného šroubu u fraktury pánevní kosti.
12.Hlavním výstupem této aktivity bude matematický model, který automaticky identifikuje oblast pankreatu z MR obrazů a následně bude kalkulovat příznaky, který charakterizují a kvantifikují množství tuku v pankreatu jak pro 2D měření, tak 3D volumetrická data. Z hlediska publikačních aktivit se předpokládá odborná publikace autonomního systému pro identifikaci pankreatu a metodiky měření a hodnocení tukové tkáně.
13.Výstupem budou srovnávací studie a návrhy nových technických řešení. Dojde k plnému zprovoznění CPIT TL3, proběhnou dlouhodobější testovací měření a také simulační testovací měření (24 hodin ve 24 minutách). Výstupem se předpokládají žurnálové publikace.