1.Телемедицина

Телемедицина је примена савремених телекомуникационих и медицинских технологија за осигурање говорних, сликовних, одосно мултимедијалних, комуникација између, међусобно удаљених лекара и пацијената, или лекара и лекара у циљу олакшавања и побољшавања размене информација за медицинске, здравствене, развојне и образоване намене. Телемедицина укључује коришћење модерних информационих технологија посебно двосмерне интерактивне аудио-видео комуникације, рачунара и телеметрије како би обезбедила здравствене услуге удаљеним пацијентима и олакшала размену информација између примарне услуге лекара и специјалисте који су међусобно удаљени.

Светска здравствена организација (eng. World Health Organization- WHO) је усвојила следећу дефиницију: “Телемедицина је начин да се уз коришћење телекомуникационих и информационих технологија пруже медицинске услуге без обзира где се географски налазе давалац здравствене услуге, пацијент, медицинска информација или опрема.”

Сл.1

2. Медицински сигнали

Принцип телемедицине је веома једноставан: прихватају се подаци са различитих сензора и преносе другим центрима на обраду и дијагнозу, реализација је веома сложена с обзиром на веома сложене техничке захтеве. Ту се пре свега јавља потреба за обрадом, преносом, архивирањем и претраживањем веома великог броја изузетно великих фајлова, као што су медицинске слике.

На самом почетку развоја телемедицине пажња је била посвећена радиологији и патологији, док данас налази примену и у другим областима медицине: кардиологија, дерматологија, офталмологија, неурологија, ортопедија и хирургија.

Основна предност је у томе што искључује (или умањује) потребу за физичким кретањем пацијента или медицинског особља до одговарајуће медицинске установе. Основни преглед се често врши на лицу места: у сеоској болници, амбуланти, болничком возилу или на терену, док се дијагностика обавља у удаљеном центру који има врхунско особље и комплетну дијагностичку опрему. Тиме се уклањају разлике између јаких медицинских центара и метропола, и омогућава се врхунска медицинска услуга на широком интернационалном нивоу.

Телемедицинске информације могу да се размењују у виду једне од следећих категорија: аналогни видео, текст (историја болести и слично), дигиталне слике добијене са радиолошких скенера или других уређаја за аквизицију медицинских слика, интерактивна видеоконференција. Од добијеног медицинског материјала се формира телемедицински документ који интегрише податке, глас, звук, слику и видео, и у форми која је одређена, шаље ка другој страни (ка серверу) где се врши дијагностички тест, а затим анализа података. У таквој анализи је неопходно погледати предходно архивирани материјал из картона пацијента или материјал везан за дијагнозу о којој је реч. Тада се врше поређења за која је неопходно обезбедити слике или неке друге садржаје са сличним симптомима .

Треба нагласити да су развијене разноврсне методе за обраду и пренос слика као и за њихово архивирање, а које су посебно намењене медицинским апликацијама . И поред тога, постоји велики број слика, покретних и непокретних, које се у телемедицини генеришу на класичан начин, уобичајен за друге апликације. У таквим случајевима, као и у ситуацији у којој се користи аудио сигнал, обрада садржаја претходи компресији и архивирању, познатим у области мултимедије.

2

2.1. Једнодимензионални сигнали у телемедицини

Велики број медицинских сигнала (ЕКГ, ЕЕГ) је једнодимензионалног типа. У време мониторинга пацијената, прикупља се много једноставних аритметичких података (о крвном притиску, темератури тела, дисању, итд). Мониторинг се врши континуирано у време интервенција, интензивне неге или само из предострожности, када о потреби за мерењем виталних параметара постоје јасне индиције, формирају се често дуги низови података у облику времениских серија. У зависности од фреквенце којом се подаци прикупљају или одмеравају, добијају се мање или више захтевне секвенце које треба преносити до медицинског центра, односно које треба архивирати. У хитним интервенцијама, у било каквој ванредној ситуацији, добро опремљена медицинска кола слаће бежичним путем велику количину података на обраду у медицински центар. Неопходно је обезбедити мрежу која подржава велике протоке.

Једнодимензионални сигнали, у поређењу са сликом, а посебно видеом, производе значајно малу количину података при дигитализацији. И поред тога, у преносу ових сигнала је потребно користити систем за компресију.

Сл.2. Систем за аквизицију, анализу и архивирање података о пацијентима.

2.2. Дводимензионални сигнали у телемедицини

Дводимензионални сигнали, који су значајни за телемедицину, прикупљају се на различитим сензорима који зависе од области медицине којој су намењени.

Сл. 3. Грађа ока

3

2.2.1. Формирање слике

У неким медицинским сликама, у области патологије, дерматологије или када је потребно извршити дигитализацију класичне медицинске слике, сензори су идентични, или веома слични онима који се користе у обичајеним фотоапаратима, односно видеокамерама. Оно што их разликује може бити изразито велика резолуција односно специфичне обраде сиглала који следе.

Сл. 4. „Паприке“ :

а) Оригинална;

b) Ниво сивог у линији назначеној на слици а)

Као што је познато у перцепцији визуелних информација, веома важан елемент је жута мрља која се налази у очном дну. Она садржи фоторецепторе, тзв.чепиће који региструју боју. Ван жуте мрље претежна је концентрација фоторецептора штапичастог облика, осетљивих на осветљај (монохроматска представа нашег визуелног догађаја). Број штапића је много већи и показује се да је људско око знатно осветљивије на промену осветљаја него на боју.

У предходном веку су вршена исцрпна проучавања особина људског визуелног система (HVS, Human Visual System) како би се што верније, економичније и једноставније формирала, архивирала или представила слика. У фотографији се прво појавила монохроматска, grey scale (слика на скали сивог) као најједноставнија. Аквизиција те слике се врши сразмерно количини светлости из читавог видљивог дела светла који пада на фотоосетљиви део камере. Електрични сигнал на излазу камере је сразмеран сјајности у слици. На слици се уочавају најмањи елементи слике, пиксели (picture element- pixel). У процесу авизиције је неопходно назначити да је резолуција слике одређена бројем пиксела

4

у слици као и бројем амплитудних нивоа којим се приказује вредност сигнала који одговара појединим пикселима. Нагласимо да формати слике одређеним бројем пиксела по линији и линија по слици, могу бити веома различити у зависности од апликације, генерације уређаја за аквизицију и приказ и многих других разлога.

Са жељом да се у филм и телевизију уведе слика у боји било је потребно одредити неке од законитости везане за доприносе појединих боја монохроматској представи слике. За слику у боји неопходно је обезбедити информацију која одговара карактеристици људског визуелног система. Начин на који је слика у боји формирана у телевизији инициран је грађом ока. У камери се, испред сензора користе оптички филтери који издвајају опсеге таласних дужина.

2.2.2. Компресија слике

У телемедицини слике се најчешће преносе до медицинског центра где се врши или тренутна обрада, или архивирање везано за картон пацијента. Ту се ради о великој количини информација коју је потребно редуковати најчешће и пре преноса. Уобичајено, на месту приказа слике желимо да имамо што већу количину информација. Успешна редукција количине података одстраниће прво редундансу у основном сигналу, и тако обезбедити задовољавајућу реконструкцију. Имаћемо смањену количину података у преносу и архивирању. С' обзиром да је луминентна слика у вишој, а у најгорем случају у истој резолуцији у односу на хорминентну уобичајено је да се из ње издвајају информације важне за компресију и реконструкцију. Да би се компресија било ког сигнала извршила потребно је познавати природу тог сигнала, односно уочити шта чини сувишост у њему.

Сл. 5. Типови сувишности у видео сигналу:

а) просторна; b) статистичка; c) психовизуелна(HVS) ; d) временска.

На свакој слици постоје врсте редундансе, и свака од њих има своје специфичности:

5

1. Просторна редунданса - постоји у деловима слике са хомогеном структуром,2. Статистичка редунданса - омогућава да се за структуре које се често понављају

одаберу кратке кодне речи, а за оне са малом вероватноћом појављивања дугачке, то значи да ће дужина кодне речи бити сразмерна вероватноћи појављивања структуре (вредности пиксела, коефицијената у трасформационом домену) коју описује.

3. Психовизуелна редунданса - је последица природе људског визуелног система, HVS, једна од карактеристика је везана за немогућност ока да детаље у даљини види у боји.

4. Временска редунданса – је присутна само код покретних слика, дакле у видеу.

Према начину кодовања могу се разликовати два типа слике:

- Интракодована, одговара кодовању унутар једне слике или мирној слици, у овом случају умањују се прве три врсте редундансе,

- Интеркодована, ова врста кодовања је могућа само када се урачунава временска редунданса.

У случају видеа разликујемо:

А) Варијанту у којој се квалитет може унапред подесити на неки ниво, дефинисањем захтеваног протока, када се повећава или смањује резолуција кодованог сигнала у складу са садржајем оригиналног видео сигнала,

Б) Другу варијанту кодовања која се одвија без ограничења протока,

В) Варијанту кодовања унутар статистичког мултиплексера, када се више улазних видео секвенци заједно кодују.

Сл.6. Пример компресије слике: а) без губитака; b) са губицима.

6

2.2.2.1. ЈPEG DCT компресија

JPEG ( Joint Picture Experts Group Forum) усвојена је на основу истраживања предвођених ЈPEG форумом, додаје се ознака DCT која потиче од скраћенице за дискретну косинусну транформацију.

Имајући у виду да обраду слике чине врло захтевне операције и да је количина података на коју се те операције односе веома велика, предложено је да се дискретна косинусна трансформација израчунава на блоковима 8*8 пиксела. Пошто се ради о блоковској транформацији, слику је потребно поделити на блокове , а затим на сваки од њих применити DCT. По преласку у DCT домен, добија се блок од 64 коефицијената, а сваки од њих је окарактерисан паром просторних фреквенција и одговарајућом амплитудом.

JPEG DCT је била намењена фотографијама и показала се неефикасном на сликама са великим хомогеним структурама. Такође, развијем је велики број алогаритама што само усложава примену ове компресије.

Сл.7. Део слике „Лена“ са истакнутим блоковима од 8*8 пиксела.

а) Просторни домен; b) Фреквенцијски домен.

2.2.2.2. ЈPEG 2000 компресија

JPEG форум је радио на новом стандарду због недостатака заснованих на DCT трансформацији. Неки од њих су:

При малим протоцима, дисторзија ЈPEG DCT постаје неприхватљива, JPEG DCT не омогућава обе врсте компресије, Користи се више типова архитектуре декодера,

7

Пренос у присуству шума, када се десе грешке, ЈPEG DCT није добар на бинарним сликама (као што је текст)...

У време када је стандард усвојен (2000. Година) биле су познате добре стране wavelet трансформација, посебно у анализи нелинеарних сигнала. За разлику од Фоуриерове трансформације, wavelet је локализована и у фреквенцијском домену. Тиме се може анализирати оригинални сигнал у више фреквенцијских подопсега.

Неке од важних карактеристика ЈPEG 2000:

Изворна слика се декомпонује у велики број компонената, Компоненте слике се декомпонују у правоугаоне плоче. Плоча је основна јединица

оригиналне и реконструиране слике, На сваку плочу се примењује wavelet трансформација, Кодовање се може извршити тако да унутар региона од интереса буде вишег

квалитета него у позадини, додају се маркери bit stream-u да би омогућили отпорност на грешке,

Кодовани систем има main header (заглавље слике које носи најважније информације о структури слике) на почетку описује оригиналну слику, различите декомпозиције и стилове кодовања, са циљем лоцирања, издвајања, декодовања и реконструкције слике са жељеном резолуцијом...

Треба истаћи да телемедицинским апликацијама више одговара JPEG 2000, него JPEG DCT компресија јер је слика природнија, постиже већу компресију уз субјективно бољи квалитет.

2.3. Видео у телемедицини

У случају покретних слика постоје 4 врсте редундансе. Дакле, поред просторне, статистичке и психовизуелне, постоји и временска. Стога се у овом случају примењује:

1. Intraframe кодовање којим се компримирује садржај референтне слике. Ова слика се користи у свим даљим израчунавањима. Количина података унутар Intraframe кодоване слике је значајно већа него код слика добијених предикцијом.

2. Interframe кодовање се може вршити : Директном предикцијом Бидирекционом предикцијом.

2.4.Пренос аудио садржаја у телемедицинским сервисима

8

За разлику од слика и видео садржаја који су чести сигнали у телемедицини, аудио се јавља врло ретко и то у неким специфичним методама мониторинга стања пацијената.

Фонокардиограми су први репрезент аудио сигнала.

Аудио сигнал , представља важан сигнал у комуникацији пацијената и медицинског особља.

2.4.1.Карактеристика људског аудиторног система

HAS(human auditory system, људски аудиторни систем) је дуги низ година предмет емпиријских и теоријских истраживања многих научника. Перформансе чула слуха и говора које директно утичу на компресију аудио сигнала:

Чујно подручје ува на фреквенцијској скали одговара опсегу 16Hz до 16kHz. Праг чујности представља криву која означава минимални ниво звука при коме

просечно људско уво почиње да чује. Постоје звуци чије амплитуде могу бити и изузетно велике, а које уво неће

регистровати. Уво реагује на енергију, па је за осећај звука неопходно да он поседује релативно дуго трајање.

У електроакустичном уређају не треба дозволити појаву звукова великих амплитуда, чак и ако их уво не чује.

Маскирање представља појаву при којој уво у присуству сложеног звука није у могућности да региструје неки звучни надражај јер се у кратком временском размаку појавио други звук. Дакле, један звук је маскиран појавом другог . Разликује се:1. Фреквенцијско маскирање,2. Временско маскирање, када је маскирани звук:

а)непосредно испред, (не више од 100ms) илиб)непосредно иза маскирајућег звука.

У телемедицинским апликацијама аудио сигнал се претежно јавља као последица комуникације између пацијената и медицинског особља и такав аудио не подлеже строгим критеријумима квалитета, као што је случај са сликом и видеом. Свако увођење сложених теорија у овом случају би било непотребно и контрапродуктивно.

9