Ü. Erkan Mumcuo ğ lu, Do ç. Dr. Enformatik Enstitüsü, ODTÜ

1. Bilişim (Enformatik) Sistemlerine Bakış veDeğerlendirme,Radyoterapide Bilişim Sistemleri,Teşhiste ve Nükleer Tıpta Bilişim Sistemleri Ü. Erkan Mumcuoğlu, Doç. Dr. Enformatik Enstitüsü, ODTÜ

2. BİLİŞİM • İngilizce informatics, Almanca Informatik, Fransızca Informatique, İtalyanca “Informatica” • Bilişim Sistemlerikurum veya kuruluşlardaki kişisel kullanıcıların ve grupların veriyi (data) istenen ve faydalı bilgiye (knowledge) çeviren yöntem, uygulama, yöntembilim (methodology) ve algoritmaların bütünüdür. • Bilgisayar Bilimi, Bilgisayar Mühendisliği, Yazılım Mühendisliği, Matematik, Elektronik, Fizik, Yönetim Bilimleri, Dil ve Psikoloji alanlarını kuşatmaktadır.

3. BİLİŞİM ALANI • Bilişim sadece bir mühendislik alanı olmayıp, gündelik yaşantının ve bilimsel alanın bütününe girmiştir. • Bilişim Sistemlerinin en büyük faydası, kullanıldığı tüm alanlarda düşük maliyetli ve kaliteli iş-akışı sağlamasıdır.

4. BİLİŞİM ALANI

5. Tıp Bilişimi • Bilginin ve teknolojinin en yoğun kullanıldığı alanlanın başında sağlık bilimleri ve tıp gelmektedir. Kullanılan ölçüm ve görüntüleme yöntemleri, test, analiz , izleme ve radyoterapi cihazları hızla gelişmekte ve çoğalmakta, bunun sonucunda hastalar için toplanan tıbbi veri ve bilgi miktarı da büyük bir hızla artmaktadır. • Tıp bilişimi, bu bilgi ve verilerin oluşturulması, biçimlendirilmesi, paylaşılması ve sonuçta sağlık süreçlerinin ve hasta tedavilerinin geliştirilmesini hedef alır. • Tıpta yürütülen bilimsel çalışmaların fazlalığı ve bu literatürün pratiğe uygulanmasındaki güçlükler ve gecikmelerin aşılmasında yararlı bir yöntem olarak bilişim teknolojilerinin önemi kaçınılmazdır.

6. Tıp Bilişiminin Konuları • Hastane Bilgi Sistemleri ve Klinik Bilgi Sistemleri • Tıbbi Ontolojiler ve Standartlar • Sağlık Bilgi Güvenliği ve Gizliliği • Karar Destek Sistemleri • Teletıp ve Mobil Uygulamalar • Tıpta Veri Madenciliği • Tıpta Yapay Zeka Uygulamaları • Tıpta Bulanık mantık • Görüntüleme (CT, MRI, NM, Ultrason, fMRI ve uygulamaları) • Görüntü Analizleri ve görüntü işleme • Bilgisayar Tabanlı Teşhis (CAD) • İçerik Tabanlı Sorgulama (CBR) • Sanal Gerçeklik (VirtualReality)

8. Tıbbi Görüntüleme Bilişimi • DICOM standardı: • Pekçoktıbbiuygulamaiçin PACS veritabanındanilgilibilgialmaya,görüntülemeyeveyorumlamayayarayanbilgisayaryazılımteknolojileridir.

9. DICOM History • ACR-NEMA1.0 approved in 1985 • ACR-NEMA2.0 approved in 1988 • DICOM 3.0 approved in 1993 • Specification of a network protocol to enable independence of vendor-specific solutions • Services and objects • Supports the development of PACS functionalty and interfacing with HIS and RIS • 20 Vendors at the ‘93 DICOM RSNA Demonstrations • 40 Vendorsat the ‘94 DICOM RSNA Demonstrations • >100 Vendors at RSNA ‘96 • Since 1997– Too many to count !

10. DICOM Working Groups (WGs) and some work items • Cardiac and Vascular Information: EKG waveform, cathederization procedure, report • Digital X-ray: • Nuclear Medicine: identification of SNOMED terms for NM IODs • Compression: Tracking of JPEG 2000, 3D and multiframe compression • Exchange media: DVD media, UDF-File format • Base standard: correction proposals, overall consistency of DICOM, coordination and guidace of all WGs, with other standard organizations • Radiotherapy: • Structured reporting: to develop and maintain specification, to coordinate developmant of codes, controlled terminology and templates • Opthalmology: work-flow of eye-care environments, structured reporting, evaluating current objects for use in visual field and corneal topography applications • Strathegic advisory: strategic evolution of DICOM, HL7, coordinate the relaation to ISO TC 215 • Display function standard: 3D presentation, structered display

11. DICOM WGsand some work items • Ultrasound: 3D ultrasound acquisition and processing, JPEG 2000 • Visible Light: to develop visible light IODs for endoscopy, microscopy and photography • Security: security extensions, digital signitures • Digital Mammography: Definition of structured report (SR) templates / SOP class, 3D computer aided diagnosis (CAD) output results of X-ray and CT • Magnetic Resonance: new MR object that containes more extensive set of descriptive attributes, multiframe mechanisms • 3D: extending DICOM to 3D data types, allignment betwen data sets, spatial transformations, multi-component data, derived data types such as segmentation • Clinical Trials and Education: • Dermatological standards: extending standard for new imaging equipment • Integration of Imaging and IS: understanding between HL7 and DICOM • Computed tomography: extend CT image object to support new technological and clinical advances in CT, enhanced CT IOD with multi-frame capability

12. Radyoterapi (RT)süreci neye ihtiyaç duyar • Patient information to plan a treatment • Image registration to identify regions to be treated,and markers to align images • Image fusion to delineate pathological structures from various imaging modalities • Anatomy to identify the shape,size,and location of the targets and radio-sensitive vital organs • Dose computation to ensure the delivery of uniform high dose to the target,but avoidance of sensitive structures. • In addition, carefully monitoring treatment optimization and dose calculation are essential for successful patient outcome

13. RT Bilişim Sistemleri • RT görüntü temelli bir tedavi yöntemidir • BT, MR, PET, LINAC ve tedavi planlama-doğrulama yöntemlerine ihtiyaç duyar. • Tedavi süreci sırasında, hastanın görüntüleri RT bölümündeki gerekli her iş-istasyonuna gönderilir. • Fakat, hastanın görüntüleri birden fazla yerde saklıdır ve RT bölümünün doğal ve geleneksel yapısı nedeniyle, sürekli bir yeri yoktur. • Teşhise yönelik PACS sistemlerindeki ilerleme ve RT DICOM standardı geliştirilmesi sayesinde, RT görüntü ve ilgili verileriyle ilgili RT sunucu tanımlama ve tasarımı fırsatı doğmuştur [3,4].

14. RT Bilişim Sistemleri • ThetworecentlydevelopedRTtechnologies: • Intensitymodulatedradiationtherapy(IMRT) [2,5] • Image-guidedradiosurgery[6]

16. Radyoterapi (RT) Bilişim Sistemleri • 1994-1997 arasında, DICOM 7. Çalışma Grubu RT için özel bir DICOM standardı oluşturmuştur. • 1999 itibarıyla, RT için özel 7 DICOM nesnesi onay almıştır [5] • RT Image:includes all images taken using RT equipment such as conventionalsimulators, Digitizers for simulator films or electronic portal imagers. • RT dose:contains dose data such as dose distribution generated by TPS, DVH (dosevolumehistogram),dose points etc. • RT Structure Set: contains information related to patient structures, markers, isocenter and relateddata. • RT Plan: refers to information contained in a treatment plan such as beam angles, collimator openings and beam modifiers. • RT beams treatment record • RT brachy treatment record • RT treatment summary record)

17. [3]

18. RT Bilişim Sistemleri • RT için özel DICOM nesnelerinin faydaları [3]: • Bir nesne içersindeki bilgi ve görüntü farklı RT firmalarının cihazları arasında kolayca iletilebilir; • Farklı RT firmalarının RT bileşenlerinin tamamiyle bütünlenmesi (integration) imkanı sağlar; • Hastaya daha iyi sağlık hizmeti vermek için, RT iş-akışı yakından izlenebilir ve analiz edilebilir; • Bir hastanın RT’si, yeni bir eğilim olan hasta-temelli sağlık sunumu sistemine uygun şekilde, elektronik sağlık kaydı (ESK) altında bütünlenebilir. • Bireysel RT ve ESK aynı standart ve yapı altında diğer ilgili bilgilerle (kimlik, teşhis, ilaç, labaratuvar, vb.) birleştirilebilir. Bu, tüm hastalar için sürekli ve taşınabilir bir ESK oluşmasını sağlar ki, bu şuan ki kurum temelli hastane/sağlık bilgi sistemleri için çok büyük bir ileri zıplamadır.

19. Radyoterapi (RT) Bilişim Sistemleri Görüntü ve bilgi akışını gösteren, PACS ve görüntüleme bilgisi temelli RT sunucusu iş-akış şeması [3]

20. RT için IHE Investigations of eficientandeffectivescheduledworkflow of diagnosticandtreatmentprotocolsarecurrenttopics of priority in thehealthcaredeliveryenterprise.Inorderto do that, understandingtheconcept of integrating of thehealthcareenterprise (IHE) is essential. IHE aresets of protocols, whichrequireallscheduledworkflowadheretocertainterminologyandstandardssothatdevicesfromdifferentmanufacturerscanbeintegrated.Theseprotocolsthefollowingscheduledworkflow:Admission, Order, Schedule, Dataacquisition, Notificationofcompletedsteps, Diagnosis, DistributionRSNAtogetherwithHealthcareInformationandManagementSystemsSociety(HIMSS)WorkingGroupshavecollaboratedtodefinethesescheduledworkflowandinvitedmanufacturerstoparticipateinlivedemonstrationofworkflowconnectivity.Successfulresultsinthesedemonstrationsstimulateopenarchitectureinmanufacturersproductforeasiersystemintegration,createcompetitiveproductlinesandlowerthecosts,andstreamlinescheduledworkflowindiagnosticimaging.Thesetranslatetodirectlybenefitingthepatientsandimprovinghealthcaredelivery.

21. Tıbbi Görüntüleme Bilişimi:İleri Görüntü Analizinde Yeni Yaklaşımlar • Farklı veya aynı görüntüleme modaliteleri arasında (veya sayısal anatomik organ modelleriyle) 3-boyutlu(3B) katı (rigid) çakıştırma (registration) Modaliteleri arasında 3B katı (rigid) çakıştırma için bir örnek [1]: Aynı düzleme denk gelen aksiyel kesitler (a) MRI, (b) Interictal SPECT, (c) Interictal SPECT

22. “Registration of freehand 3D ultrasound and MR liver images” Penney et. al. Medical Image Analysis,(2004) p. 81-91

23. Tıbbi Görüntüleme Bilişimi:İleri Görüntü Analizinde Yeni Yaklaşımlar • Farklı veya aynı görüntüleme modaliteleri arasında (veya sayısal anatomik organ modelleriyle) 3B katı-olmayan (nonrigid) çakıştırma İki hasta MR görüntüleri arasındaki uzamsal (spatial) ilişkiyi gösteren katı-olmayan (nonrigid) çakıştırma ile elde edilmiş örnek

24. Tıbbi Görüntüleme Bilişimi:İleri Görüntü Analizinde Yeni Yaklaşımlar • Yaygınlaşan ve sayısı artan tıbbi görüntüleri kullanarak, normal insanlara ait sayısal organ modeli oluşturmak mümkündür. • Bunun en iyi kullanım alanlarından birisi Aktif Şekil Modeli (AŞM) teknikleri kullanarak, organların daha başarılı bölütlenebilmesi ve varsa patalojilerin otomatik bulunabilmesidir [2] AŞM kullanarak otomatik kemik bölütlemesi

25. İçerik Tabanlı Sorgulama (İTS) • Hızla sayısı artan metinsel ve görsel dokumanlar (görüntü, sinyal, vb), büyük veri-tabanlarına erişim için yeni araç ve yöntemlere gereksinim doğuruyor. • Şu anki erişim yöntemleri: • hasta numarası, study date, v.b. • kilit-kelimeler (radyoloji raporu) • Yeni bir erişim yöntemi: • Metin dokumanlardan otomatik şekilde çıkarılan kavramlara göre benzer vakaları arama • Faydaları: • eğitim ve araştırmada • teşhis sırasında görsel içeriğine göre benzer vakalarla karşılaştırmak • (cased-based reasoning, evidence-based medicine)

26. İçerik Tabanlı Sorgulama (İTS) • Diğer bir erişim yöntemi: • görsel dokumanlardan otomatik çıkarılan görsel özniteliklere • (renk, ton, doku, yerel-ilişkiler vb) göre İTS • Yöntem: otomatik çıkarılan görsel özniteliklere göre indeksleme • Ancak, alt-seviye görsel öznitelikler (renk, doku) ile üst-seviye görsel öznitelikler (tümör, anormal doku) arasında “semanticgap” denilen anlamsal boşluk hala vardır.

27. Parça-tabanlı (component-based) bir İTGS mimarisi • H.Müller, N. Michoux, D. Bandon, A.Geissbuhler, A Review of Content-Based Image Retrieval Systems in Medical Applications-Clinical Benefits and Future Directions, International Journal of Medical Informatics, Vol.73 (2004) 1–23.

28. F. Nar, E. Mumcuoğlu, et al, Sintigrafik Böbrek Görüntüleri için İçerik Tabanlı Arama Sistemi, SIU 2006, Antalya. • ITS’da kullanılan görsel öznitelikler: • aktivite dağılımı • şekil • doku

29. Integrating Content-based Visual AccessMethods into a Medical Case Database. H Müller, et al. University Hospitals of Geneva,Division of Medical Informatics

30. Tıbbi Görüntüleme Bilişimi: Sanal Gerçeklik (Virtual Reality) ve Uygulamaları • Tıbbi görüntü analizi alanında, hekimlere teşhis (CAD), ameliyat planlaması, vb. konularında destek sağlayan yeni uygulamalar arasında, sanal endoskopide olduğu gibi 3B görüntü kaplama (rendering) 3B BT görüntüleri kullanarak sanal en

31. Tıbbi Görüntüleme Bilişimi: Sanal Gerçeklik (Virtual Reality) ve Uygulamaları • Eklenmiş Gerçeklik (AugmentedReality)

32. Tıbbi Görüntüleme Bilişimi: Sanal Gerçeklik (Virtual Reality) ve Uygulamaları • Heptik cihazlar kullanarak heptik (dokunma) tarama 3B görüntüler üzerinde, bilgisayar, heptik cihaz ve 3B algılamayı sağlayan gözlükler kullanarak, sanal ortamda heptik tarama. Dokunma hissini gerçek zamanlı yaratarak, tedavi, protez tasarımı, ameliyat eğitimi ve planlaması yapmak mümkün olmaktadır.

33. Tıbbi Görüntüleme Bilişimi: Sanal Gerçeklik (Virtual Reality) ve Uygulamaları • 3B bilgisayar modelini ve 3B yazıcıyı kullanarak, hasta organı maketini oluşturma teknikleri • Ameliyat süresini kısaltarak doktora zaman kazandıracaktır. • 3 Boyutlu modellemeyle elde edilecek kişisel protez, hastanın anatomik özellikleriyle bire bir örtüşecektir.

34. Kaynaklar [1] Mumcuoğlu EÜ, Nar F, Yardımcı Y, Koçak U, Ergün EL, Volkan Salancı B, Uğur O, Erbaş B. “Simultaneous Surface Registration of Ictal, Interictal SPECT and MR Images for Epilepsy Studies”,Nuclear Medicine Communications, 27(1): s.45-55, 2006. [2] Cootes TF, Taylor CJ, ... ”Active Shape Models – Their Training and Application”. Computer Vision and Image Understanding, 61(1): s.38-59, 1995. [3]. Law MYY, Huang HK. “Concept of a PACS and imaging informatics-based server for radiation therapy”. Computerized Medical Imaging and Graphics, 27: s.1-9, 2003. [4]. Liu BJ. “A knowledge-based imaging informatics approach for managing proton beam therapy of cancer patients”. Technol Cancer Res Treat, 6: s.77-84, 2007. [5]. Neumann M. “The Impact of DICOM in radiotherapy”. Lecture fifth biennal ESTRO meeting on physics for clinical Radiotherapy, Gottingen, 1999. http://www.sgsmp.ch/null983b.htm.