ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ Κ. ΓΕΩΡΓΙΟΥ
ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ
ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ
ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
“One man’s noise is
another’s man signal”
J.E. Pascot
Copyright: Ευάγγελος Κ. Γεωργίου
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
2
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ
ΕΙΣΑΓΩΓΗ.................................................................................................................................................5
ΤΥΠΟΙ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ.......................................................................................7
ΤΑ ΜΕΡΗ ΕΝΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ.........................................................................8
ΕΙΣΟΔΟΣ-ΈΞΟΔΟΣ.....................................................................................................................................8
ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ........................................................................................................12
ΜΟΝΑΔΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ................................................................................................................................13
ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ ...........................................................................................................................13
ΜΝΗΜΗ ..................................................................................................................................................13
Η ΛΟΓΙΚΗ ΤΟΥ Η/Υ................................................................................................................................14
ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ..............................................................................................................................16
ΑΡΧΕΙΟΘΕΤΗΣΗ ......................................................................................................................................19
ΙΑΤΡΙΚΑ ΑΡΧΕΙΑ ΚΑΙ ΒΑΣΕΙΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ .............................................................................................22
AΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΙΑΤΡΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ....................................................................................................25
ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΗΜΑΤΩΝ..........................................................................................................................28
ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΥ ΣΕ ΨΗΦΙΑΚΟ ΣΗΜΑ .....................................................................................29
ΚΥΜΑΤΟ-ΑΝΑΛΥΣΗ................................................................................................................................30
Η ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ .........................................................................................31
ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑ ΤΩΝ ΑΝΑΛΥΣΕΩΝ ΑΠΟ Η/Υ ................................................................................................32
ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΑΣ (IMAGE PROCESSING) .......................................................................33
ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΕΙΚΟΝΑΣ ...............................................................................................................39
ΑΝΑΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΕΙΚΟΝΑΣ .....................................................................................................................43
ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ...................................................................................................................44
ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΙΚΟΝΑΣ ....................................................................................................47
ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΕΙΚΟΝΑΣ ΚΑΙ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ (DICOM, PACS) ............................................47
ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑ ..........................................................................................................................................54
ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ ............................................................................................................................................56
ΑΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑ ........................................................................................................................................56
ΙΣΤΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΚΥΤΤΑΡΟΛΟΓΙΑ .............................................................................................................57
ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ ΚΑΙ ΘΕΡΑΠΕΙΑ........................................................................................................57
ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΘΕΡΑΠΕΙΑΣ ................................................................................................................57
ΘΕΡΑΠΕΙΑ ΜΕ ΦΑΡΜΑΚΑ........................................................................................................................59
ΕΝΤΑΤΙΚΗ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ................................................................................................................60
ΜΟΝΤΕΛΑ ΚΑΙ ΑΠΟΜΙΜΗΣΕΙΣ .......................................................................................................61
ΑΝΑΤΟΜΙΑ .............................................................................................................................................62
ΒΟΗΘΗΜΑΤΑ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΣ ...........................................................................................................63
ΓΕΝΕΤΙΚΗ ...............................................................................................................................................63
ΛΗΨΗ ΙΣΤΟΡΙΚΟΥ ...................................................................................................................................64
ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΝΟΣΟΚΟΜΕΙΩΝ ....................................................................................................................64
ΙΑΤΡΙΚΗ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗ.......................................................................................................................65
ΜΗΧΑΝΕΣ ΑΝΑΖΗΤΗΣΗΣ ΚΑΙ ΙΑΤΡΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ............................................................................66
ΙΑΤΡΙΚΗ ΈΡΕΥΝΑ ....................................................................................................................................69
ΔΙΑΓΝΩΣΗ ΜΕ ΤΗ ΒΟΗΘΕΙΑ ΤΟΥ Η/Υ...........................................................................................69
ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΠΡΟΓΝΩΣΤΙΚΗΣ ΑΞΙΑΣ ......................................................................................................73
ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΠΙΘΑΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗΣ ...........................................................................................74
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
3
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΤΟΥ ΘΕΩΡΗΜΑΤΟΣ ΤΟΥ BAYES.....................................................................75
ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΑΞΙΑΣ ΤΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ........................................................................................77
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ......................................................................................................................................77
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
4
Εισαγωγή
Ο ηλεκτρονικός διερευνητής (ή υπολογιστής ή εγκέφαλος) είναι μία ηλεκτρική μηχανή
που μπορεί να κάνει υπολογισμούς. Υπερτερεί του ανθρωπίνου εγκεφάλου στην
ταχύτητα που εκτελεί τους υπολογισμούς αλλά υστερεί στο ότι λειτουργεί αιτιοκρατικά
δηλ. πάντοτε σύμφωνα με νόμους και κριτήρια που έχουν εκ των προτέρων καθορισθεί.
Αυτές οι ταχύτητες ανοίγουν νέους δρόμους στην επίλυση προβλημάτων και την
επεξεργασία δεδομένων. Οι ταχύτητες εκτέλεσης των Η/Υ κυμαίνονται από μερικά
δισεκατομμύρια πράξεις στο δευτερόλεπτο για ένα πολύ μεγάλο Η/Υ έως εκατοντάδες
χιλιάδες πράξεις στο δευτερόλεπτο για ένα μάλλον αργό Η/Υ.
ΠΙΝΑΚΑΣ 1: Τι μπορεί να κάνει ένας Η/Υ
Λειτουργία που εκτελείται από Η/Υ
Αντίστοιχη πράξη εκτελούμενη από
άνθρωπο
1. Διατηρεί πρόγραμμα οδηγιών σε
1. Θυμάται λίστα οδηγιών
εσωτερική αποθήκευση
2. Διαβάζει δεδομένα σε γλώσσα
2. Διαβάζει τα δεδομένα σε γραπτή μορφή
μηχανής και τα αποθηκεύει στην
και τα θυμάται ή τα αρχειοθετεί
εσωτερική μνήμη ή σε δευτερεύουσα
3. Εκτελεί αριθμητικούς υπολογισμούς
3. Εκτελεί αριθμητικούς υπολογισμούς
4. Χειρίζεται σύμβολα (όπως
4. Χειρίζεται σύμβολα
αλφαβητικούς χαρακτήρες ή λέξεις)
5. Κάνει συγκρίσεις
5. Κάνει συγκρίσεις
6. Διαλέγει την κατάλληλη οδηγία
6. Παίρνει αποφάσεις για παραπέρα
βασιζόμενος σε σύγκριση ή εξέταση
επεξεργασία βασιζόμενος στα
των αποτελεσμάτων έως το σημείο
αποτελέσματα έως το σημείο αυτό
αυτό
7. Διορθώνει κάθε δεδομένο της
7. Θυμάται δεδομένα ή τα διορθώνει από
εσωτερικής μνήμης ή δευτερεύουσας
το αρχείο
μνήμης
8. Αποδίδει τα αποτελέσματα στο
8. Γράφει ή διαβάζει τα αποτελέσματα
κατάλληλο τμήμα εξόδου
αποτελεσμάτων
Αν και από τον παραπάνω Πίνακα φαίνεται η ικανότητα του ανθρώπου να κάνει
οτιδήποτε μπορεί να κάνει ένας Η/Υ, το αντίστροφο δεν αληθεύει – ο Η/Υ δεν μπορεί
να κάνει οτιδήποτε μπορεί ένας άνθρωπος. Μερικοί έχουν χαρακτηρίσει τον Η/Υ σαν
πολύ γρήγορο αλλά πολύ χαμηλής διανοητικής ικανότητας βοηθό. Ο Η/Υ κάνει μόνο
ότι οδηγίες του έχουν δοθεί και αυτές οι οδηγίες λογαριάζουν κάθε συνθήκη που έχει
σχέση με την εφαρμογή. Αν και ο Η/Υ υπερβάλει την ανθρώπινη ικανότητα σε
ορισμένες εργασίες, ο άνθρωπος έχει κάποια εσωτερικά πλεονεκτήματα σε σχέση με
τον Η/Υ Αυτά τα πλεονεκτήματα και ικανότητες σε θέματα επεξεργασίας δεδομένων
συνοψίζονται στον Πίνακα 2.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
5
ΠΙΝΑΚΑΣ 2: Σύγκριση των Η/Υ με ανθρώπους-γραμματείς σε θέματα σχετικά με
επεξεργασία δεδομένων
Βάση Σύγκρισης
Γραμματεύς
Η/Υ
Ταχύτητα εκτέλεσης
Σχετικά αργός
Εξαιρετικά γρήγορος
Ικανότητα συνεχούς
Φτωχή
Πολύ καλή
εργασίας για αρκετό χρόνο
Ικανότητα να θυμάται ή να
Σχετικά ανεπαρκής
Επαρκής
διορθώνει πληροφορίες
Ακρίβεια εργασίας
Κάνει λάθη
Δεν κάνει λάθη
Ικανότητα συνεχούς
Όχι τέλεια
Τέλεια
παρακολούθησης οδηγιών
Ικανότητα καινοτομιών σε
Αρκετά καλή
Ελλιπής
νέες καταστάσεις
Ικανότητα εκμάθησης με
Αρκετά καλή
Ελλιπής
προσπάθεια και λάθη
Όπως βλέπουμε από τον Πίνακα 2, ο Η/Υ είναι φοβερά γρήγορος και σχεδόν τέλειος σε
αξιοπιστία και ακρίβεια. Από την στιγμή που εφοδιάζεται με πρόγραμμα οδηγιών, θα
διαχειριστεί επακριβώς τις πληροφορίες και θα τις ακολουθήσει επακριβώς και πιστά.
Στην ουσία, ο Η/Υ συνταιριάζει για κάθε θέμα που επεξεργάζεται, μεγάλες ποσότητες
διόρθωσης, υπολογισμού, διαχείρισης και σύγκρισης, έως ότου περατωθεί η εργασία
που περιγράφεται από τις οδηγίες.
Οι άνθρωποι είναι μάλλον φτωχοί επεξεργαστές δεδομένων. Είναι αργοί και όχι
εντελώς ακριβείς. Αλλά έχουν δύο πλεονεκτήματα: Μπορούν να καινοτομούν ή να
προσαρμόζουν και να κρίνουν οριστικά.
Η ικανότητα να καινοτομούν σημαίνει ότι η ανθρώπινη λίστα οδηγιών δεν οφείλει να
προβλέπει οτιδήποτε που μπορούσε να συμβεί, επειδή μπορούν να συσχετίσουν τη νέα
κατάσταση με παλιές και να εκτελέσουν μία νέα διαδικασία αμέσως.
Οι άνθρωποι μπορούν να κρίνουν οριστικά. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να μαθαίνουν
με τη μέθοδο ανακάλυψης προσπάθεια-λάθος. Συνήθως δεν κρίνουμε με τον απλό
τρόπο βήμα προς βήμα, αλλά κάποτε φθάνουμε στο αποτέλεσμα βασιζόμενοι στην
προσπάθεια και το λάθος σταθμίζοντας την ατελή πληροφόρηση και το αποτέλεσμα
προηγούμενων εμπειριών. Ο Η/Υ δεν διδάσκεται από την προηγούμενη πείρα, ο
άνθρωπος διδάσκεται. Οι άνθρωποι είναι ενήμεροι του περιβάλλοντος και έχουν
ολόκληρη την προηγούμενη εμπειρία διαθέσιμη. Ο Η/Υ έχει μόνο τις πληροφορίες που
το πρόγραμμα οδηγιών του χορήγησε. Ο άνθρωπος είναι περισσότερο συνηθισμένος
στη σκέψη, κρίση και ανακάλυψη. Ο Η/Υ είναι καλύτερα προσαρμοσμένος στον
υπολογισμό, διαχείριση και σύγκριση.
Ο Η/Υ μπορεί έτσι να επεκτείνει την ανθρώπινη δύναμη παρουσιάζοντας θέματα με
τελειότητα που δεν καταφέρνουν οι άνθρωποι και να μας εφοδιάζει με πρώτη ύλη
(δεδομένα, αποτελέσματα διεργασιών κλπ) με τα οποία μπορούμε να κρίνουμε και να
αποφασίσουμε. Αυτό μας οδηγεί στη σκέψη ότι τα συστήματα επεξεργασίας
πληροφοριών θα έπρεπε να σχεδιάζονται σαν ανθρωπομηχανές που για την καθεμιά
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
6
τους να δηλώνεται η εφαρμογή για την οποία ταιριάζουν καλύτερα. Οι εφαρμογές που
πρόκειται να περιγράφουν στα επόμενα κεφάλαια, απεικονίζουν τους τρόπου, με τους
οποίους ένας Η/Υ χρησιμοποιείται για την αντικατάσταση, επέκταση ή βελτίωση των
ανθρωπίνων εργασιών, ιδιαίτερα σ’ ότι αφορά την Ιατρική.
Για το σκοπό αυτό έχει αναπτυχθεί ένας νέος κλάδος, πιθανώς και μια νέα ειδικότητα
στην Ιατρική, η λεγόμενη Ιατρική Πληροφορική. Ο κλάδος αυτός μελετά εφαρμογές
της πληροφορικής στην ιατρική με σκοπό την υποβοήθηση, συστηματοποίηση και
βελτιστοποίηση:
o Της ιατρικής έρευνας
o Της μετάδοσης και διδασκαλίας ιατρικών γνώσεων
o Της καταγραφής, αποθήκευσης, ανάκλησης και μετάδοσης ιατρικών
δεδομένων
o Της λήψης ιατρικών αποφάσεων, άσκησης ιατρικών παρεμβάσεων, και
οργάνωσης υπηρεσιών υγείας (σε επίπεδο ασθενούς και πληθυσμού).
Η Ιατρική Πληροφορική χρησιμοποιεί μεθόδους από πολλές επιστήμες, όπως: η
επιστήμη Πληροφοριών, η επιστήμη Υπολογιστών, η επιστήμη Γνωστικών
Λειτουργιών, η οργάνωση και Διοίκηση Επιχειρήσεων, η στατιστική, τα μαθηματικά, η
τεχνητή Νοημοσύνη, η επιχειρησιακή Έρευνα και τα Οικονομικά. Η Ιατρική
Πληροφορική έχει κατά συνέπεια περιεχόμενο Βασικής Έρευνας, Κλινικής Ιατρικής
και Οργάνωσης Υπηρεσιών Υγείας. Τα τελευταία χρόνια η Ιατρική Πληροφορική έχει
ξεφύγει από τα στενά πλαίσια του σχεδιασμού και εφαρμογής βιοϊατρικών
πληροφοριακών συστημάτων και αποτελεί μια ολοκληρωμένη, αναλυτική, και
ορθολογιστική μέθοδο προσέγγισης της ιατρικής έρευνας και πράξης.
Τύποι Ηλεκτρονικών Υπολογιστών
Παλαιότερα υπήρχαν δύο βασικοί τύποι Η/Υ: Οι αναλογικοί (analog computers) και οι
ψηφιακοί (digital computers). Η βασική διαφορά των δύο τρόπων έγκειται στον τρόπο
παραστάσεως των μεταβλητών μέσα στον Η/Υ. Στους αναλογικούς Η/Υ, η τιμή της
μεταβλητής αντιστοιχεί στην τάση στα άκρα ενός κυκλώματος (συνεχής), ενώ στους
ψηφιακούς η μεταβλητή καθορίζεται από δύο διακεκριμένες καταστάσεις που μπορεί
να βρεθεί ένα κύκλωμα (ανοικτό ή κλειστό) ή ένας μαγνήτης (+ ή -) (ασυνεχής). Οι
ψηφιακοί Η/Υ έχουν περισσότερες δυνατότητες εφαρμογών και σήμερα ταυτίζονται με
την έννοια του Η/Υ. Εκτός από τους αναλογικούς και ψηφιακούς Η/Υ, είχε
κατασκευαστεί ένας συνδυασμός αναλογικού-ψηφιακού Η/Υ, οι υβριδικοί (Hybrid).
Επρόκειτο για μια προσπάθεια ενσωματώσεως των δύο τύπων σε έναν Η/Υ.
Σε ότι αφορά το μέγεθός τους οι Η/Υ διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: τους μεγάλης
κλίμακας (main-frame), τους μεσαίας κλίμακας (mini computers) και τους
μικροϋπολογιστές (micro computers). Οι τελευταίοι αυτοί, οι μικροϋπολογιστές
γνώρισαν μεγάλη άνθηση τα τελευταία χρόνια.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
7
Τα μέρη ενός Ηλεκτρονικού Υπολογιστή
Το σύνολο των εντολών που καθορίζουν την λειτουργία ενός Η/Υ και τα βιβλία
λειτουργίας του (operation manuals) αποτελούν το software. Αντίθετα σαν hardware
χαρακτηρίζεται το σύνολο των διαφόρων συστημάτων που απαρτίζουν την υλική
υπόσταση του Η/Υ δηλ. το ηλεκτρονικό κύκλωμα, τα ηλεκτρικά, μηχανικά και
μαγνητικά στοιχεία του Η/Υ. Το hardware αποτελείται από τρία μέρη:
1. Την είσοδο (input)
2. Την κεντρική μονάδα επεξεργασίας (central processing unit) και
3. Την έξοδο (output)
Η λεπτομερής μελέτη της δομής ενός Η/Υ αποτελεί εξαιρετικά πολύπλοκο θέμα που
ξεφεύγει από τους σκοπούς αυτού του βιβλίου. Εδώ αναφέρονται μόνο μερικά βασικά
σημεία, απαραίτητα για την κατανόηση του hardware των Η/Υ.
Είσοδος-Έξοδος
Η είσοδος χρησιμεύει για την τροφοδοσία εντολών και πληροφοριών μέσα στον Η/Υ.
Παλιότερα, ο συνηθισμένος τρόπος για την εισαγωγή εντολών και πληροφοριών μέσα
σε έναν Η/Υ ήταν με διάτρητες κάρτες και ειδικές συσκευές αναγνώσεως των καρτών.
Ακόμη και σήμερα υπάρχουν τέτοιες συσκευές αν και η χρήση τους έχει πια
περιορισθεί. Η εισαγωγή των μικροκυκλωμάτων στην ηλεκτρονική επέτρεψε την
κατασκευή φθηνών συστημάτων με χαμηλό κόστος και έτσι σήμερα χρησιμοποιείται
ευρύτατα σαν είσοδος, μία συσκευή που περιλαμβάνει πληκτρολόγιο όμοιο με εκείνο
της γραφομηχανής (keyboard).
Η ιδανική λύση ενός συστήματος το οποίο να αναγνώριζε φωνή θα ήταν ίσως η πλέον
εύκολη και ιδανική λύση εισόδου αλλά από την άλλη πλευρά απαιτεί πολύπλοκα και
υψηλής τεχνολογίας μηχανήματα επεξεργασίας ήχου στη συσκευή εισόδου. Τα
συστήματα του τύπου αυτού που υπάρχουν σήμερα στην αγορά, πρέπει καταρχάς να
διδαχτούν να αναγνωρίζουν ένα λεξιλόγιο από λέξεις όπως ομιλούνται από τον κάθε
χειριστή του συστήματος. Ο υπολογιστής αναλύει τις διακεκριμένες κυματομορφές της
ομιλίας και στη συνέχεια τις μεταφράζει σε λέξεις σε δυαδικό κώδικα που
αναγνωρίζεται από τον υπολογιστή, ακόμη και αν ομιλητής έχει αλλοιωμένη φωνή
(π.χ. έχει κρυώσει ή είναι βουλωμένη η μύτη του).
Οι Η/Υ επίσης μπορούν να διδαχτούν να αναγνωρίζουν εκτυπωμένες μορφές και
γράμματα, δηλ. να κάνουν αναγνώριση οπτικών χαρακτήρων. Αρχίζουμε να
εξοικειωνόμαστε και με αυτή τη μορφή εισαγωγής δεδομένων όπως π.χ. μπορούμε να
την παρατηρήσουμε σε κάποιο σούπερ μάρκετ ή μεγάλο εμπορικό κατάστημα, όπου οι
ταμίες χρησιμοποιούν ένα ειδικό αισθητήρα (σένσορα) που μοιάζει με στυλό για να
κάνουν αναγνώριση των ειδικών σημάτων τα οποία είναι κωδικοποιημένα επάνω σε
ετικέτες και επικολλημένα στο κάθε εμπόρευμα (bar code). Αυτός ο αισθητήρας
χρησιμοποιεί έναν ανιχνευτή πυκνότητας ο οποίος ανιχνεύει το πάχος και την
απόσταση ανάμεσα στις γραμμές και κατόπιν μετατρέπει αυτά τα σύμβολα σε κώδικα ο
οποίος αναγνωρίζεται από τον Η/Υ.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
8
Άλλες πιο εξειδικευμένες μορφές εισόδου δεδομένων για Η/Υ περιλαμβάνουν μονάδες
οπτικής απεικόνισης οι οποίες είναι ευαίσθητες στην αφή (touch screen). Στην οθόνη
απεικονίζεται ένας κατάλογος από αντικείμενα για περαιτέρω επιλογή. Αν απαιτούνται
περαιτέρω πληροφορίες για κάποιο συγκεκριμένο αντικείμενο τότε αυτό μπορεί να
επιλεχθεί απλώς αγγίζοντας τη λέξη στην οθόνη. Το ίδιο αποτέλεσμα μπορεί επίσης να
επιτευχθεί με τη χρήση ενός φωτεινού στυλό (light pen) το οποίο σκοπεύεται στο
συγκεκριμένο σημείο της οθόνης για το οποίο ζητάμε κάποια πληροφορία. Σ’ αυτή την
περίπτωση, ένα φωτεινό αντικείμενο ανιχνεύεται από αυτό το φωτοευαίσθητο στυλό
και εκείνη τη στιγμή της ανιχνεύσεως ειδοποιείται ο υπολογιστής για το σημείο της
οθόνης στο οποίο εμφανίστηκε αυτή η ανίχνευση. Αυτό το φωτεινό στυλό είναι
πολύτιμο για την ένδειξη περιοχών ενδιαφέροντος επάνω σε εικόνες οι οποίες
παράγονται από διάφορα όργανα που χρησιμοποιούνται στην ιατρική (υπολογιστές,
αξονικοί τομογράφοι, υπέρηχοι, γ-camera κλπ).
Θύρες (ports) επικοινωνίας με τον Η/Υ
Οποιαδήποτε συσκευή δεν είναι ενσωματωμένη στον Η/Υ πρέπει να συνδεθεί με μια
θύρα (port) για να επικοινωνήσει με αυτόν. Πολλές φορές αυτό δεν αρκεί, αλλά
χρειάζεται επιπρόσθετα να εγκατασταθεί ένα κατάλληλο software driver για να
αντιληφθεί ο Η/Υ ότι επιχειρείται η σύνδεση. Στα καινούργια λειτουργικά συστήματα
αυτό δεν είναι απαραίτητο (plug and play). O σχεδιασμός της κάθε θύρας επηρεάζει τον
χρόνο επικοινωνίας. Οι θύρες μπορούν να διακριθούν σε:
•
•
•
•
Σειριακές (serial)
Παράλληλες (parallel)
USB
FireWire
Οι σειριακές θύρες χρησιμοποιούνται κυρίως για τη σύνδεση αναλογικών modems για
σύνδεση πχ στο Internet. Οι σειριακές θύρες είναι οι βραδύτερες, με αποτέλεσμα την
αργή μεταφορά των δεδομένων.
Οι παράλληλες θύρες χρησιμοποιούνται συνήθως για τη σύνδεση των εκτυπωτών και
είναι λίγο πιο γρήγορες απ ότι οι σειριακές.
Οι θύρες USB και FireWire δημιουργήθηκαν όταν οι απαιτήσεις για γρήγορη
μεταφορά δεδομένων αυξήθηκαν σημαντικά και οι δύο προηγούμενοι τύποι δεν
επαρκούσαν.
Οι δύο αυτές θύρες έχουν μερικά κοινά χαρακτηριστικά γνωρίσματα: Και οι δύο
χρησιμοποιούν λεπτά καλώδια για να καταστήσουν ευκολότερες τις συνδέσεις,
υποστηρίζουν το Plug and Play ώστε ο υπολογιστής να αναγνωρίσει αυτόματα μια νέα
συσκευή, υποστηρίζουν το hot plugging (προσθήκη και αφαίρεση συσκευών χωρίς
προηγουμένως να κλείσει ο υπολογιστής), μεταφέρουν στοιχεία πολύ γρηγορότερα από
τις παλαιότερες θύρες και διανέμουν την ισχύ κατά μήκος των καλωδίων τους, έτσι
ώστε οι συσκευές με χαμηλή κατανάλωση να μπορούν να λειτουργήσουν χωρίς
ξεχωριστά καλώδια. Σχεδόν όλα τα νέα συστήματα Η/Υ έχουν μια ή περισσότερες
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
9
θύρες USB. Σήμερα, το πρότυπο USB (USB 1) αντικαθίσταται από το νεότερο και
γρηγορότερο USB 2 που είναι ελαφρώς πιο γρήγορο από το FireWire.
Το Firewire αρχικά ξεκίνησε από την Apple αλλά έκτοτε έχει υιοθετηθεί από ολόκληρη
την βιομηχανία Η/Υ και ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης. Το Firewire,
μερικές φορές αναφέρεται ως IEEE 1394, είναι πολύ γρηγορότερο από ένα USB και
έχει σχεδιαστεί ώστε να συνδέει μέχρι 63 συσκευές ηλεκτρονικών ειδών ευρείας
κατανάλωσης, όπως πχ ψηφιακές βιντεοκάμερες, ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές,
ψηφιακά video disc players καθώς επίσης ορισμένες συσκευές Η/Υ όπως οδηγούς CDROM, εκτυπωτές, scanners και σκληρούς δίσκους. Το Firewire επιτρέπει μεγάλες
ταχύτητες σύνδεσης με το διαδίκτυο και μπορεί να μεταφέρει συνολικά 200 Megabytes
ανά δευτερόλεπτο ή 25 Megabytes σε οποιαδήποτε συσκευή.
Για μερικές εφαρμογές, είναι αναγκαίο να τροφοδοτήσουμε τον υπολογιστή με
γραφικές παραστάσεις ή άλλα διαγράμματα. Αυτό μπορεί να γίνει με πάρα πολύ μεγάλο
κόπο, πληκτρολογώντας τις χ και ψ συντεταγμένες αρκετών σημείων ώστε να ορίζουν
το περίγραμμα ενός γραφήματος ή σχεδίου. Εν τούτοις είναι προφανές ότι αυτό μπορεί
να γίνει πολύ γρηγορότερα και ευκολότερα με τη χρήση ενός πίνακα ψηφιδοποιήσεως
(digitizing pad). Με τον τρόπο αυτόν το περίγραμμα ενός γραφήματος ανιχνεύεται
περιμετρικά χρησιμοποιώντας έναν δείκτη ο οποίος μεταφέρεται σε διαδοχικές θέσεις
του γραφήματος. Οι διαδοχικές θέσεις τις οποίες λαμβάνει αυτός ο δείκτης
ανιχνεύοντας, μεταφράζονται σε δυαδικές συντεταγμένες. Η μέθοδος με την οποία η
θέση του εργαλείου που κάνει την ανίχνευση γίνεται αντιληπτή από τον υπολογιστή,
ποικίλλει από σύστημα σε σύστημα. Σε ένα π.χ. η συσκευή που προκαλεί αυτό το ίχνος
εκπέμπει έναν υπέρηχο ο οποίος συλλαμβάνεται από δύο ανιχνευτές (ένας
διατεταγμένος κατά τον άξονα χ και ο άλλος κατά τον άξονα ψ). Σε αυτή την
περίπτωση, το διάλειμμα μεταξύ εκπομπής και ανιχνεύσεως παρέχει την πληροφορία
για τη θέση. Η ακρίβεια ανιχνεύσεως σε μία τέτοια περίπτωση θα πρέπει να είναι
καλύτερη από 1mm. Η τεχνική η οποία χρησιμοποιείται για την είσοδο ηλεκτρικών
σημάτων από ένα όργανο, όπως είναι πχ ένας ηλεκτροκαρδιογράφος, περιγράφεται σε
άλλο κεφάλαιο. Επίσης μία μονάδα αποθηκεύσεως πληροφοριών μπορεί να θεωρηθεί
σαν μονάδα εισόδου γιατί ένα πρόγραμμα το οποίο είναι καταχωρημένο σε μία τέτοια
μονάδα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν είσοδος δεδομένων στον υπολογιστή.
Περισσότερες λεπτομέρειες γι’ αυτό το θέμα αναφέρονται στο ειδικό κεφάλαιο για τα
μέσα αποθηκεύσεως πληροφοριών.
Για να υπάρχει μία αμφίδρομη επικοινωνία με το σύστημα, χρειάζεται κάποιος τρόπος
για την παρουσίαση των αποτελεσμάτων στο χειριστή του συστήματος. Αυτή είναι η
λειτουργία της εξόδου. Συνήθως στην έξοδο των αποτελεσμάτων χρησιμοποιούνται είτε
ένας εκτυπωτής για την εκτύπωσή τους, είτε απεικόνιση σε έναν καθοδικό σωλήνα
(όπως η τηλεόραση, το οποίο το ονομάζουμε μόνιτορ ή μονάδα απεικόνισης (visual
display unit, VDU).
Η βιομηχανία των υπολογιστών μας παρέχει μία μεγάλη ποικιλία συσκευών εξόδου για
τον υπολογιστή οι οποίες αρχίζουν από απλά τηλέτυπα, μέχρι πολύχρωμους εκτυπωτές
γραφημάτων (plotters) και οθόνες οπτικής απεικόνισης.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
10
Η πιο συνηθισμένη μορφή είναι ο εκτυπωτής (printer). Αυτή η συσκευή εκτυπώνει
κείμενο και αριθμούς πολύ γρήγορα. Ο εκτυπωτής γραμμής, όπως το όνομα δείχνει,
δεν τυπώνει σύμβολο με σύμβολο, αλλά γραμμή με γραμμή. Κάθε γραμμή μπορεί να
αποτελείται από 132 χαρακτήρες. Αυτοί οι εκτυπωτές λειτουργούν σε ταχύτητες μέχρι
2.000 γραμμές ανά λεπτό. Ακόμα γρηγορότερα line printers που δουλεύουν με την αρχή
των laser, λειτουργούν σε ταχύτητες 200.000 γραμμών ανά λεπτό. Η κεφαλή
εκτυπώσεως μπορεί να μοιάζει με εκείνη μίας ηλεκτρικής γραφομηχανής ή μπορεί να
παράγει χαρακτήρες από ένα μητρώο στιγμών – κουκίδων (dot matrix).
Οι πλέον διαδεδομένοι εκτυπωτές, που χρησιμοποιούνται σε νοσοκομεία ή σε ιδιωτικά
ιατρεία, χρησιμεύουν στην εκτύπωση αυτοκόλλητων ετικετών με διευθύνσεις ή
ετικετών με δοκιμαστικούς σωλήνες, φάρμακα, φιαλίδια, φιάλες κτλ. Τέλος, όταν
υπάρχει απαίτηση για πολύ συμπυκνωμένες πληροφορίες μεγάλης περιεκτικότητας και
μεγάλου περιεχομένου μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας εκτυπωτής που κάνει εκτύπωση
πάνω σε microfilm.
Ασύρματη διασύνδεση
Η σύνδεση των περιφερειακών συσκευών με τον Η/Υ γίνεται συνήθως με καλώδια.
Μερικές φορές η σύνδεση αυτή είναι περίπλοκη και περιορίζεται από το μήκος των
καλωδίων. Για να αποφευχθούν αυτά τα προβλήματα έχουν κατασκευασθεί συσκευές
που συνδέονται με ασύρματη διασύνδεση. Τέτοιες συσκευές είναι οι παρακάτω:
Προσαρμογέας (adaptor) floppy drive. Φαίνεται ότι οι floppy drive δισκέτες 3.5
ιντσών δεν πρόκειται να αποσυρθούν στο άμεσο μέλλον. Απλά τοποθετείται μια κάρτα
μνήμης στον προσαρμογέα και ο αντάπτορας μπαίνει στην υποδοχή του δίσκου. Αν και
ο προσαρμογέας αυτός δεν απαιτεί σύνδεση με καλώδια, πρέπει να εγκατασταθεί το
λογισμικό για να λειτουργήσει, επομένως δεν είναι εύκολο να μετακινηθεί από το ένα
σύστημα στο άλλο.
Ασύρματο networking. Η τελευταία λύση στη ψηφιακή μετάδοση δεδομένων
στηρίζεται στην ασύρματη τεχνολογία. Αυτό δεν έχει ακόμα υιοθετηθεί ευρέως σε όλα
τα είδη συσκευών. Οι τεχνολογίες, μεταξύ των άλλων, που αναπτύσσονται
περιλαμβάνουν τις υπέρυθρες ακτίνες (IrDA), Bluetooth και 80211. Οι σημαντικότερες
διαφορές μεταξύ τους είναι η εμβέλεια και η ταχύτητα μεταφοράς. Οι ομοιότητες είναι
ότι βοηθούν στη σύνδεση των περιφερικών συσκευών και εξαρτημάτων χωρίς
καλώδια.
Δίσκοι CD. Μερικά συστήματα αποθηκεύουν τις εικόνες σε μικρούς δίσκους CD.
Αυτοί οι δίσκοι μπορούν έπειτα να διαβαστούν σε οποιοδήποτε τυπικό CD drive.
Αναγνώστες ενσωματωμένων καρτών. Οι φορητοί υπολογιστές και μερικοί
εκτυπωτές έχουν ενσωματωμένες υποδοχές καρτών Η/Υ και μπορούν να διαβάσουν
σχεδόν οποιαδήποτε ψηφιακή συσκευή αποθήκευσης. Αυτό επιτρέπει την εύκολη
μεταφορά των εικόνων στον υπολογιστή ή την εκτύπωση απευθείας από τη συσκευή
αποθήκευσης χωρίς να χρησιμοποιηθεί ο υπολογιστής. Όλο και περισσότερο, οι
εκτυπωτές εξοπλίζονται με τέτοιες υποδοχές ώστε να εισάγεται η συσκευή
αποθήκευσης και να τυπώνονται οι εικόνες χωρίς τη διαμεσολάβηση υπολογιστή.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
11
Επίσης, σαν μονάδα εξόδου μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε και τις μονάδες οπτικής
απεικονίσεως οι οποίες πλέον στα σύγχρονα συστήματα είναι ενσωματωμένες μαζί με
τη μονάδα εισαγωγής δεδομένων δηλαδή το πληκτρολόγιο και αποτελούν ένα αυτόνομο
σύστημα, το οποίο ονομάζουμε τερματικό (terminal).
Σε ένα τερματικό, η πληκτρολόγηση αριθμών, γραμμάτων ή συμβόλων, προκαλεί τη
συσκευή να μετατρέπει αυτούς τους χαρακτήρες σε ηλεκτρικά σήματα κωδικοποιημένα
σε δυαδικό σύστημα (περίπου 8 σήματα ανά χαρακτήρα). Τα σήματα αυτά στέλνονται
μέσω του κυκλώματος της γραμμής επικοινωνίας στον Η/Υ, όπου συνήθως
αποθηκεύονται, σε μία ειδική πρόχειρη μνήμη, που ονομάζεται προσωρινή μνήμη
(buffer storage). Αυτή η μνήμη επιτρέπει στο χειριστή να διορθώνει οποιαδήποτε λάθη,
σε γράμματα ή αριθμούς που είναι αποθηκευμένα σε αυτή, πριν πατηθεί το τελικό
πλήκτρο της καταχωρήσεως αυτών των δεδομένων, οπότε η καταχώρησή του
μεταβιβάζεται στην κύρια μνήμη ενώ η προσωρινή μνήμη καθαρίζεται ώστε να μπορεί
να δεχθεί τις επόμενες πληροφορίες οι οποίες θα πληκτρολογηθούν. Η ταχύτητα με την
οποία τα δεδομένα ή οι πληροφορίες αναστέλλονται από το πληκτρολόγιο για να μπουν
μέσα στον Η/Υ είναι πολύ πιο γρήγορη από την ταχύτητα της πιο έμπειρης
δακτυλογράφου.
Εάν η απόσταση μεταξύ του τερματικού εισόδου και του υπολογιστή είναι μεγαλύτερη
από μερικά μέτρα, τότε χρειάζεται ένας τρόπος αναμεταδόσεως. Παληά, ο πιο
διαδεδομένος ήταν μέσω ενός ζεύγους ακουστικών ζευκτών (acoustic couplers). Ένας
ετοποθετείτο στο τερματικό και ένας κοντά στον υπολογιστή ενώ η ζεύξη μεταξύ των
δύο σημείων γινόταν με το τηλέφωνο. Τα ψηφιακά σήματα μετατρέπονται σε μια σειρά
ακουστικών τόνων οι οποίοι κατόπιν μεταβιβάζονται διαμέσου του συμβατικού
τηλεφώνου στην άλλη άκρη της τηλεφωνικής γραμμής, όπου ο τόνοι αυτοί
μετασχηματίζονται ξανά σε ψηφιακά σήματα. Είναι αυτονόητο ότι απαιτούνται
συσκευές οι οποίες μετασχηματίζουν τα ψηφιακά σήματα σε παλμούς ή ήχους
κατάλληλους για μετάδοση μέσω της τηλεφωνικής γραμμής, τα οποία είναι γνωστά σαν
modems [ακρωνύμιο από τις λέξεις Modulator-Demodulator (διαμορφωτήςαποδιαμορφωτής)]. Είναι προφανές ότι με τη ζεύξη μέσω modems και ακουστικών
ζευκτών μπορούμε να πετύχουμε επικοινωνία μεταξύ ενός τερματικού εισόδου
δεδομένων και της κεντρικής μονάδας ενός υπολογιστή ανεξάρτητα από την απόσταση.
Οι ταχύτητες εκπομπής πληροφοριών μπορεί να φθάσουν μέχρι πολλά εκατομμύρια
kilobits το δευτερόλεπτο, χρησιμοποιώντας ειδικές τηλεφωνικές γραμμές ή ζεύξεις,
τότε όμως απαιτείται ένας διαφορετικός τύπος modem γνωστός ως σύγχρονος.
Σε μεγάλους Η/Υ είναι δυνατή η σύζευξη πολλών περιφερειακών μονάδων (εισόδωνεξόδων) με την ίδια κεντρική μονάδα επεξεργασίας έτσι ώστε να μπορούν να
επωφελούνται από αυτήν σχεδόν ταυτόχρονα πολλοί χειριστές.
Κεντρική μονάδα επεξεργασίας
Η κεντρική μονάδα επεξεργασίας αποτελείται από τρία μέρη:
• τη μονάδα ελέγχου (control unit)
• την αριθμητική μονάδα arithmetic unit) και
• τη μνήμη
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
12
Μονάδα Ελέγχου
Η μονάδα ελέγχου έχει πολλές λειτουργίες. Επιβλέπει τη γενική λειτουργία του
υπολογιστή, ελέγχει τις εντολές, διατηρεί ένα αρχείο χρήσης του υπολογιστή, ενώνει
προγράμματα με τον σωστό μεταφραστή (compiler), φορτώνει τα προγράμματα στη
μνήμη, δρομολογεί τα αποτελέσματα στην έξοδο με μια μορφή κατάλληλη για τον τύπο
(VDU ή εκτυπωτή). Τελικά η μονάδα ελέγχου καθαρίζει το πρόγραμμα και τις
πληροφορίες από τη μνήμη και την ετοιμάζει για να δεχθεί καινούργιες πληροφορίες ή
καινούργια εργασία.
Είναι το λειτουργικό σύστημα το οποίο καθορίζει τη δυναμικότητα κάποιας
συγκεκριμένης μορφής ενός Η/Υ.
Αριθμητική Μονάδα
Οι υπολογιστές έχουν το δικό τους τρόπο για να κάνουν υπολογισμούς. Π.χ. όταν
θέλουμε να ξέρουμε την τιμή ενός λογαρίθμου κοιτάζουμε έναν πίνακα. Οι υπολογιστές
θα μπορούσαν να αποθηκεύσουν πίνακες στη μνήμη για αντιπαραβολή, αλλά κάθε
πίνακας καταλαμβάνει πολύ χώρο. Έτσι ο υπολογιστής υπολογίζει την τιμή ενός
λογαρίθμου κάθε φορά που τον χρειάζεται. Αυτό θα ήταν πολύ κουραστικό με χαρτί και
μολύβι, αλλά ο υπολογιστής χρησιμοποιεί μεθόδους οι οποίες είναι πολύ γρήγορες.
Αυτές οι ειδικές τεχνικές των μαθηματικών είναι διαφορετικές από αυτές που
χρησιμοποιούμε καθημερινά. Ο υπολογιστής εργάζεται με μία σειρά από υποθέσεις ή
προσεγγίσεις, με κάθε προσέγγιση να προσεγγίζει ολοένα και περισσότερο στη σωστή
απάντηση μέχρις ότου φτάσουμε στην ακρίβεια την οποία ζητάμε.
Τέτοιες αριθμητικές μέθοδοι εφαρμόζονται στην ολοκλήρωση, όπως πχ στον
υπολογισμό εμβαδών που περικλείονται από καμπύλες. Ένα παράδειγμα για τις ειδικές
μεθόδους υπολογισμού με Η/Υ είναι η ταξινόμηση των πληροφοριών με αύξουσα ή
κατιούσα σειρά μεγέθους. Υπάρχουν πολλές (πάνω από 6) διαφορετικές μέθοδοι για να
πετύχει κανείς αυτό και όλες είναι γρηγορότερες από τον προφανή τρόπο που θα
σκεφτόταν κανείς να κοιτάζει πρώτα για τον μεγαλύτερο αριθμό στον κατάλογο, πίσω
ξανά για τον δεύτερο μεγαλύτερο αριθμό κ.ο.κ. μέχρι να ταξινομήσει όλους τους
αριθμούς κατά αυτό τον τρόπο.
Μία άλλη τεχνική είναι η δημιουργία τυχαίων αριθμών. Αυτή η μέθοδος για τη
δημιουργία ψευτοτυχαίων αριθμών γίνεται π.χ. με το να πολλαπλασιάσει κανείς δύο
πολύ μεγάλους αριθμούς και να πάρει κάποιο από τα κεντρικά ψηφία από την
απάντηση.
Μνήμη
Η μνήμη αποτελεί την καρδιά του Η/Υ. Δέχεται την αποθήκευση στοιχείων και τα
επιστρέφει όταν ζητηθούν. Η αριθμητική μονάδα κάνει τις τέσσερες βασικές πράξεις
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
13
και μερικές ακόμη (μεταθέσεις, λογικές πράξεις κλπ). Η μονάδα ελέγχου (λειτουργικό
σύστημα) ρυθμίζει τη ροή των πληροφοριών, αποφασίζει τι θα αποθηκευτεί ή θα
ζητηθεί από τη μνήμη κλπ.
Όπως προαναφέρθηκε, η μνήμη είναι το μέρος εκείνο του Η/Υ που αποθηκεύονται τα
προς επεξεργασία στοιχεία, ο αλγόριθμος και τα ενδιάμεσα στοιχεία καθώς και τα
ενδιάμεσα ή τελικά αποτελέσματα όπως επίσης και ότι θεωρήσουμε χρήσιμο για να
συγκρατήσουμε.
Δύο βασικές ιδιότητες της μνήμης που χαρακτηρίζουν και την ποιότητά της είναι:
• H χωρητικότητα (που εκφράζει το μέγιστο αποθηκευμένο όγκο πληροφοριών)
και
• H ταχύτητα εγγραφής και παροχής των πληροφοριών
Η μνήμη ενός Η/Υ μπορεί ακόμη να χωρισθεί στην κύρια ή ενεργό μνήμη (main
storage) και την βοηθητική μνήμη (auxiliary storage). Στην πρώτη αποθηκεύονται όλα
τα δεδομένα και οι οδηγίες για τη λύση του προβλήματος, ενώ στη δεύτερη
αποθηκεύονται ογκώδεις ή δευτερεύουσες πληροφορίες.
Ο ανθρώπινος εγκέφαλος έχει συχνά συγκριθεί με τον υπολογιστή. Η είσοδος είναι το
αυτί ή το μάτι. Η έξοδος είναι το στόμα ή το χέρι. Η γρήγορη μνήμη, η μνήμη ταχείας
προσπελάσεως, το λειτουργικό σύστημα και η αριθμητική μονάδα είναι στον εγκέφαλο
και το σύστημα αργής αποθηκεύσεως πληροφοριών μπορεί να είναι ένα κομμάτι χαρτί
στο οποίο γράφουμε.
Οι μνήμονες (registers), είναι θέσεις προσωρινής μνήμης όπου προσωρινά
αποθηκεύεται μία λέξη (word). Ένας ειδικός μνήμονας που λέγεται accumulator κάνει
τις αριθμητικές και λογικές επεξεργασίες.
Η Λογική του Η/Υ
Οι ψηφιακοί Η/Υ λειτουργούν με το δυαδικό σύστημα αριθμών, το οποίο όπως είναι
γνωστό χρησιμοποιεί μόνο δύο αριθμούς: το 0 και το 1. Αυτό διευκολύνει από
κατασκευαστική μεριά γιατί π.χ. ένα κύκλωμα μπορεί να βρίσκεται σε δύο μόνο
καταστάσεις: Να περνά (κατάσταση 1) ή να μην περνά (κατάσταση 0) ρεύμα από αυτό.
Κάθε τέτοια στοιχειώδης πληροφορία (0 ή 1) λέγεται bit (ακρωνύμιο από το binary
digit) και είναι η στοιχειώδης μονάδα χωρητικότητας του Η/Υ. Οι Η/Υ είναι
σχεδιασμένοι για να εργάζονται σε πολλαπλάσια των 8 bits δηλ. 8, 16, 24, 32, 64 κλπ
bits.
Κάθε ψηφίο του δεκαδικού συστήματος μπορεί να παρασταθεί με ένα συνδυασμό bits.
Το σύνολο των bit που απαιτείται για να παρασταθεί ένα ψηφίο λέγεται byte. Ένα byte
συνήθως έχει 6-8 bits. Η μνήμη των Η/Υ μετράται συνήθως από τον αριθμό των bytes
των πληροφοριών που μπορεί να αποθηκεύσει. Αυτό γίνεται χρησιμοποιώντας δυαδικά
πολλαπλάσια των 1024 bytes, που λέγονται kilobytes και συμβολίζεται απλά σαν Κ. Οι
σύγχρονοι υπολογιστές μπορεί να διαθέτουν μνήμη σε μεγέθη της τάξης των Megabytes
ή των Gigabytes. Τα γράμματα του αλφαβήτου και τα υπόλοιπα σύμβολα
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
14
αναπαρίστανται στο δυαδικό σύστημα αριθμών με ένα πολύ απλό τρόπο: τους έχουν
δοθεί βάσει ενός κώδικα (ASCII) ειδικά δυαδικά νούμερα για το καθένα.
Σε ένα μικρό υπολογιστή όλες οι πληροφορίες μεταφέρονται σε μονάδες του ενός byte
και αυτό είναι υπεραρκετό για να κωδικοποιηθούν όλοι οι χαρακτήρες, αριθμοί,
γράμματα, σύμβολα μικρά και κεφαλαία τα οποία είναι χρήσιμα για τους
υπολογισμούς. Συνήθως, μία συσκευή εισόδου του Η/Υ μεταφράζει κάθε χαρακτήρα
από το πληκτρολόγιο σε δυαδική μορφή και τον διοχετεύει με τη μορφή μίας διαδοχής
παλμών τάσεως μέσω ενός καλωδίου στην κεντρική μονάδα επεξεργασίας
πληροφοριών.
Μέσα στον υπολογιστή το byte μετασχηματίζεται από μία σειρά παλμών σε μία
παράλληλη μορφή έτσι ώστε χρειάζονται 8 παράλληλα σύρματα για να περάσουν
πληροφορίες μεταξύ του κάθε ηλεκτρονικού εξαρτήματος της CPU. Η παράλληλη
εργασία επαυξάνει την ταχύτητα εργασίας μέσα στον υπολογιστή. Για την αποθήκευση
μίας εντολής απαιτούνται πολλές θέσεις μνήμης. Οι θέσεις αυτές αποτελούν μία λέξη
(word).
Το μέγεθος μίας λέξης καθορίζει:
• το μέγιστο μέγεθος ενός αριθμού ο οποίος μπορεί κατευθείαν να χρησιμοποιηθεί
για υπολογισμούς,
• την πολυπλοκότητα των κυκλωμάτων, δηλαδή τον αριθμό των παράλληλων
συρμάτων,
• το μέγιστο μέγεθος της μνήμης run που μπορεί να χειρισθεί ευθέως ο
υπολογιστής.
Οι θέσεις μνήμης που καταλαμβάνει μια εντολή, διακρίνονται σε θέσεις που
καταλαμβάνονται από τον κώδικα της εντολής (π.χ. πρόσθεσε) και σε θέσεις που
καταλαμβάνονται από τις διευθύνσεις (address). Οι διευθύνσεις προσδιορίζουν τη θέση
όπου πρέπει να μεταφερθούν τα δεδομένα ή την θέση όπου πρέπει να μεταφερθεί η
κεντρική μονάδα επεξεργασίας.
Στον Η/Υ υπάρχουν ορισμένα «κανάλια», τα οποία επιτρέπουν τη ροή των δεδομένων
και σημάτων ελέγχου μεταξύ των διαφόρων μονάδων του, ή οδηγούν σε θέσεις μνήμης.
Ονομάζονται αντιστοίχως γραμμές δεδομένων (data bus), γραμμές ελέγχου (control
bus), ή γραμμές διεύθυνσης (address bus).
Ο Η/Υ έχει γενικά μία τυπική κατασκευή και τρόπο λειτουργίας. Επειδή όμως τις
περισσότερες φορές κατασκευάζεται, προγραμματίζεται και χρησιμοποιείται για ειδικές
εργασίες, παρουσιάζει ορισμένες ιδιαιτερότητες. Τα δεδομένα (data) αποθηκεύονται σε
ένα είδος μνήμης που καλείται RAM (Random Access Memory – Μνήμη Τυχαίας
Προσπέλασης). Η RAM αποτελεί ένα «σημειωματάριο» πάνω στο οποίο η CPU μπορεί
να γράφει και να σβήνει ανάλογα με τις ανάγκες του υπολογιστή. Το πρόγραμμα
εργασίας, απεναντίας, αποθηκεύεται, μόνιμα, σε ένα άλλο είδος μνήμης, το οποίο
ονομάζεται ROM (Read Only Memory). Επειδή η κεντρική μονάδα επεξεργασίας
πληροφοριών μπορεί μόνο να διαβάζει τα περιεχόμενα της ROM χωρίς να μπορεί να τα
μεταβάλλει, η τελευταία παρομοιάζεται (σε αντιδιαστολή με τη RAM) με ένα βιβλίο.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
15
Προγραμματισμός
Για την επίλυση οποιουδήποτε προβλήματος από τον Η/Υ είναι απαραίτητη η
χρησιμοποίηση του αντίστοιχου προγράμματος. Πρόγραμμα είναι μία σειρά οδηγιών
και εντολών για την επίλυση ενός προβλήματος. Μερικά προγράμματα διατίθενται
έτοιμα στο εμπόριο, αλλά η πραγματική χρήση ενός Η/Υ δεν μπορεί να θεωρηθεί
επαρκής, εάν αυτός που τον χρησιμοποιεί δεν μπορεί να συντάξει τα δικά του
προγράμματα.
Συνοπτικά, τα διάφορα στάδια ενός προγραμματισμού μπορούν να καταταγούν στα
εξής:
1. Ανάλυση του προβλήματος
2. Μαθηματική έκφραση το προβλήματος
3. Εκλογή κατάλληλης μεθόδου επιλύσεως (αλγόριθμος)
4. Κωδικοποίηση του αλγορίθμου
- λογικό διάγραμμα
- χρήση γλώσσας προγραμματισμού
5. Έλεγχος του προγράμματος
6. Εκτέλεση του προγράμματος
7. Συμπεράσματα
Το πρόβλημα που δίνεται στον Η/Υ πρέπει να είναι σαφές και να εξελίσσεται σύμφωνα
με προκαθορισμένους νόμους για την εκτέλεση των πράξεων και κριτήρια για τη λήψη
αποφάσεων από αυτόν. Το σύνολο των οδηγιών που δίνονται στον Η/Υ θα δώσει ένα
αιτιοκρατικό προκαθορισμένο αποτέλεσμα. Το σύνολο των οδηγιών που δίνονται στον
Η/Υ αποτελεί μία συνταγή, τον αλγόριθμο. Για να συνταχθεί ο αλγόριθμος για τη λύση
ενός προβλήματος πρέπει προηγούμενα να περιγραφεί ένα λογικό διάγραμμα ροής
(flow chart ή block diagram), δηλαδή μία εικόνα του τι θέλουμε να κάνει ο Η/Υ. Ένα
λογικό διάγραμμα φαίνεται σαν να αποτελείται από διάφορα απλά σχήματα συνδεόμενα
με γραμμές. Η γραμμή που συνδέει τα διάφορα αυτά σχήματα φέρει ένα βέλος. Το
βέλος αυτό δείχνει τη σειρά διαγραφής του λογικού διαγράμματος που ταυτίζεται με τη
σειρά εκτελέσεως των πράξεων από τον Η/Υ.
Το διάγραμμα ροής καθορίζει τα βήματα που πρέπει να γίνουν για τη λύση ενός
προβλήματος με υπολογιστή.
Μία επαγγελματική προσέγγιση στην ανάλυση και στις απαιτήσεις του
προγραμματισμού είναι να ακολουθείται μία συστηματοποίηση κατά τέτοιο τρόπο ώστε
να διαχωρίζεται το πρόβλημα σε επιμέρους μικρότερα προγραμματιζόμενα βήματα. Με
τον τρόπο αυτό αποφεύγεται η χρήση κακών τεχνικών προγραμματισμού. Αν κανείς
προσπαθήσει αφού κάνει μερικά πρόχειρα διαγράμματα σε χαρτί, να γράψει αμέσως
μετά κατευθείαν σε μία γλώσσα προγραμματισμού, τότε παράγεται ένα κακό
πρόγραμμα το οποίο συνήθως δεν εκμεταλλεύεται στο μέγιστο τις γενικές ή ειδικές
ιδιότητες και δυνατότητες τις οποίες έχει ο Η/Υ. Πολύ μεγάλα προγράμματα συνήθως
μεγαλώνουν ακόμα περισσότερο και απαιτούν μεγάλη επιδεξιότητα. Συνήθως γίνεται
μία αρχή για να λύσουμε ένα μέρος του προβλήματος και κατόπιν αφού αυτό έχει
προγραμματιστεί σωστά, ενώνεται με το επόμενο μέρος του προβλήματος. Καλό είναι
τέτοια προγράμματα να γράφονται σαν μία σειρά από υπορουτίνες που συνδέονται
μεταξύ τους με διάφορα βήματα. Επίσης βοηθά τον πολύ καλό προγραμματισμό να
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
16
γράφεται μία πλήρη αναφορά για την εξέλιξη του προγράμματος. Μία τέτοια αναφορά
πρέπει να περιγράφει τη σημασία των ονομάτων τα οποία χρησιμοποιούνται και πως τα
διάφορα μέρη του προγράμματος ταιριάζουν το ένα με το άλλο. Εάν ένα μεγάλο
πρόγραμμα δεν έχει τέτοια καλή τεκμηρίωση είναι δυνατόν να δημιουργηθούν
προβλήματα κατανοήσεως της λογικής του προβλήματος. Επίσης, μία επακριβής
περιγραφή είναι εξαιρετικά χρήσιμη όταν ένα πρόγραμμα πρέπει να εκσυγχρονισθεί
μετά από μία ορισμένη χρονική περίοδο προκειμένου να καλύψει τυχόν νέες ανάγκες.
Μετά την κατασκευή του αλγορίθμου, θα πρέπει αυτός να δοθεί στον Η/Υ. Είναι
επομένως απαραίτητο να μετατραπεί (μεταφραστεί) ο αλγόριθμος αυτός σε γλώσσα
κατανοητή από τον Η/Υ. Βασικά, ο Η/Υ καταλαμβάνει μόνο μία γλώσσα μηχανής
(machine language). Τα δεδομένα και οι οδηγίες στη γλώσσα αυτή δίνονται στον Η/Υ
με τη μορφή δυαδικών αριθμών. Η γλώσσα αυτή είναι αμέσως κατανοητή από τον Η/Υ,
αλλά δύσκολη στην εκμάθησή της από τον άνθρωπο. Για το λόγο αυτό έχουν επινοηθεί
παραλλαγές της γλώσσας αυτής κωδικοποιώντας μερικές εντολές με εύκολα
απομνημονευόμενους συνδυασμούς γραμμάτων και αριθμών. Ακόμα μπορούμε να
παραστήσουμε συμβολικά το μέρος της μηχανής που θα χρησιμοποιηθεί για το
πρόβλημα και έτσι προκύπτει μία άλλη γλώσσα (assembly language). Για να γίνει
κατανοητή από τον Η/Υ μία τέτοια γλώσσα χρησιμοποιείται ένα ειδικό πρόγραμμα
μετάφρασης που λέγεται assembler (συναθροιστής). Όλες αυτές οι γλώσσες είναι
προσανατολισμένες προς τη μηχανή (machine oriented) γιατί για την δημιουργία τους
λαμβάνεται υπόψη ο Η/Υ και όχι το πρόβλημα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να
εμφανίζουν αρκετά μειονεκτήματα και κυρίως είναι προσαρμοσμένες σε ένα ή το πολύ
όλους τους Η/Υ ενός μόνο κατασκευαστή.
Αντίθετα οι προσανατολισμένες προς το πρόβλημα γλώσσες (problem oriented) έχουν
σκοπό να ξεπεραστούν αυτά τα μειονεκτήματα. Η δοκιμή και η λογική τους μοιάζει με
τη δομή της ανθρώπινης γλώσσας και τη λογική ενός αλγορίθμου. Αυτές οι γλώσσες
ονομάζονται υψηλού επιπέδου (high level) σε αντίθεση με τις χαμηλού επιπέδου δηλ.
τις προσανατολισμένες προς τη μηχανή γλώσσες. Για τη γραφή τους χρησιμοποιούνται
το αγγλικό αλφάβητο, οι αριθμοί και μερικά σύμβολα. Το σύνολο των οδηγιών που
δίνεται στον Η/Υ από μία τέτοια γλώσσα λέγεται πηγαίο πρόγραμμα (source program).
Στο πρόγραμμα αυτό πιθανόν να υπάρχουν διάφορα λάθη που διακρίνονται σε δύο
κατηγορίες: ορθογραφικά (συντακτικά) και λογικά λάθη. Τα πρώτα οφείλονται σε
αβλεψία του προγραμματιστή ή άγνοια των βασικών συντακτικών κανόνων της
γλώσσας προγραμματιστή, ενώ τα δεύτερα σε κακή εκτίμηση των συνθηκών του
προβλήματος. Η ανεύρεση των λαθών ενός προγράμματος είναι ολόκληρη τεχνική που
αποκαλείται debugging.
Όταν λοιπόν δοθεί στον υπολογιστή ένα πηγαίο πρόγραμμα για επεξεργασία, τότε
καλείται ο κατάλληλος συνθέτης (compiler), ο οποίος διαβάζει σχολαστικά τις εντολές
του προγράμματος, τις τυπώνει (στην εκτυπωτική μηχανή) με τη σειρά που είναι
γραμμένες ενώ συγχρόνως σημειώνει σε εντολές που τυχόν έχουν ορθογραφικά λάθη
κώδικες που δείχνουν το είδος του λάθους. Σε περίπτωση λαθών, το πρόγραμμα πρέπει
να διορθωθεί και να δοθεί πάλι για επεξεργασία. Στην περίπτωση όμως που ο συνθέτης
δεν βρει ορθογραφικά λάθη δημιουργεί το αντικείμενο πρόγραμμα (object program),
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
17
που είναι η μετάφραση του πηγαίου σε γλώσσα μηχανής και το οποίο πρόγραμμα είναι
εκτελέσιμο από τον υπολογιστή.
Στο στάδιο αυτό, σκοπός του προγραμματιστή είναι να εντοπίσει τυχόν ύπαρξη λογικών
λαθών, γι’ αυτό κατασκευάζει εικονικά δεδομένα ελέγχου (test data), για τα οποία
μπορεί μόνος του να προβλέψει ή να υπολογίσει τα αποτελέσματα. Στη συνέχεια ο
υπολογιστής καλείται να εκτελέσει το προς έλεγχο αντικείμενο πρόγραμμα,
χρησιμοποιώντας τα δεδομένα ελέγχου και αν τα αποτελέσματά του δεν είναι τα
αναμενόμενα, τότε υπάρχουν ένα ή περισσότερα λογικά λάθη στο πρόγραμμα. Στην
περίπτωση αυτή ο προγραμματιστής πρέπει να ελέγξει τη λογική διάρθρωση του
προγράμματος για να εντοπίσει τα λάθη και να ξαναρχίσει την όλη διαδικασία από την
αρχική φάση της μεταφράσεως του προγράμματος (compilation), μέχρις ότου τελικά να
επιτύχει τα επιθυμητά αποτελέσματα. Τότε μπορεί να είναι κατά μεγάλο ποσοστό
βέβαιος ότι δεν υπάρχουν λογικά λάθη στο πρόγραμμα και μπορεί να προχωρήσει στην
εκτέλεσή του με τα πραγματικά πια δεδομένα του προβλήματος.
Μερικές από αυτές τις προσανατολισμένες προς το πρόβλημα γλώσσες είναι η
FORTRAN (Formula Translation), η COBOL (Common Business Oriented Language)
και η BASIC (Beginners All Purpose Symbolic Instruction Code). Η χρήση τους
προϋποθέτει την ύπαρξη του κατάλληλου συνθέτη (compiler) στον Η/Υ. Πρόσφατα
έχουν αναπτυχθεί και άλλες γλώσσες προγραμματισμού όπως π.χ. η C+++ κλπ.
Η γλώσσα BASIC αναπτύχθηκε στο Κολλέγιο του από τους John Kamery και Thomas
Kurtz οι οποίοι αναγνώρισαν την ανάγκη δημιουργίας μίας γλώσσας πολλαπλών
χρήσεων που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί από αρχάριους προγραμματιστές που
έχουν διαφορετικές και ποικίλες γνώσεις. Η BASIC (Beginners All Purpose Symbolic
Instruction Code) σχεδιάστηκε αρχικά σαν μία απλή γλώσσα που θα μπορούσε να
μαθευτεί σε λίγες ώρες. Με την πάροδο του χρόνου έγιναν πολλές βελτιώσεις, ώστε
σήμερα απαιτούνται μερικές μέρες για να μάθει κανείς την BASIC, αλλά μετά από αυτό
μπορεί κανείς να προγραμματίσει σχεδόν οποιοσδήποτε πρόβλημα.
Τέλος, θα πρέπει να αναφερθεί ότι αναπτύχθηκε στις ΗΠΑ ειδικά για Ιατρικές
Εφαρμογές μία ειδική γλώσσα η MUMPS (Massachusetts General Hospital Utlity
Multi-Programming System). Η MUMPS είναι μία υψηλού επιπέδου γλώσσα που είναι
ικανή να κάνει πολύπλοκους συνδυασμούς δεδομένων όπως π.χ. αυτοί που απαιτούνται
για διάγνωση στην Ιατρική.
Σήμερα υπάρχουν έτοιμα προγράμματα τα οποία είναι κοινά σε πολλές περιοχές
εφαρμογών με Η/Υ και έτσι τα προγράμματα τα οποία έχουν αναπτυχθεί για ένα σκοπό
μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σε άλλες περιπτώσεις. Έτοιμα πακέτα προγραμμάτων
υπάρχουν για αρχειοθέτηση και αποθήκευση μεγάλων όγκων πληροφοριών. Υπάρχουν
ακόμη για επιστημονικούς σκοπούς πακέτα προγραμμάτων για ανάλυση συχνοτήτων,
προσέγγιση καμπυλών και ένας αριθμός από σύνθετα μαθηματικά προβλήματα για
πυρηνική και ατομική φυσική.
Ένα σπουδαίο πεδίο για προγράμματα είναι η επεξεργασία κειμένων (word processing).
Αυτά τα πακέτα επιτρέπουν στον χειριστή να αποθηκεύει, να ανακαλεί και να
διορθώνει οποιοδήποτε γραπτό υλικό. Οι λέξεις μπορούν να ανακαλούνται ανά σελίδα
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
18
κειμένου και να διορθώνονται, να αλλάζουν, να διαγράφονται ή να προστίθενται λέξεις,
προτάσεις και παράγραφοι ώστε να αναπλάθεται από κάποιο παλιό κείμενο ένα
καινούργιο.
Επίσης η δημιουργία γραφικών παραστάσεων με τη βοήθεια Η/Υ συνήθως απαιτεί
έτοιμα πακέτα προγραμμάτων. Μία καλή σειρά προγραμμάτων επιτρέπει σε ένα
σχετικά άπειρο χειριστή να παράγει από γνωστούς πίνακες διάφορα γραφήματα στην
οθόνη ή σε κάποιο εκτυπωτή ή plotter χρησιμοποιώντας το ελάχιστο εντολών και
πληροφοριών.
Τέτοια έτοιμα πακέτα προγραμμάτων υπάρχουν πολλά στο εμπόριο για χρήση είτε από
ιδιώτες γιατρούς ή από μεγαλύτερα νοσοκομεία. Άλλα είναι σχεδιασμένα μόνο για
αρχειοθέτηση ή για εμπορικές εφαρμογές, άλλα μπορεί να είναι σχεδιασμένα για
εργασία σε πραγματικό χρόνο για ανάλυση πληροφοριών ή για επιστημονικές
συσκευές. Για αρχεία νοσοκομείων, το σύστημα πρέπει να μπορεί να υποστηρίζει
πολλά τερματικά ή VDU για τα διάφορα τμήματα του νοσοκομείου τα οποία πρέπει να
έχουν δυνατότητα προσπελάσεως στις πληροφορίες. ΄
Η βέλτιστη αξιοποίηση των δυνατοτήτων της τεχνολογίας των Η/Υ και των
προγραμμάτων σε συνάρτηση με το χρόνο αποτελεί ξεχωριστό πεδίο εφαρμογών. Πχ ο
προγραμματισμός του Η/Υ τη νύχτα, όταν συνήθως οι απαιτήσεις είναι μικρότερες, να
μπορεί να χρησιμοποιείται για την εκτύπωση των αρχείων που περιγράφουν τι υπάρχει
στις αποθήκες του νοσοκομείου, τις βάρδιες του προσωπικού ή ακόμα και στατιστικές
αναλύσεις. Μπορούμε επίσης να κανονίσουμε λειτουργίες ή προγράμματα τα οποία να
δουλεύουν στον υπολογιστή με προτεραιότητα δηλαδή κάποιο απ’ αυτά να είναι
πρωτεύον και κάποιο άλλο δευτερεύον και εφόσον δεν υπάρχει εργασία ή εισαγωγή
δεδομένων στο πρωτεύον να τρέχει τότε το δευτερεύον αλλά να διακόπτεται
οποτεδήποτε υπάρχει μία ειδοποίηση στον υπολογιστή ότι θα πρέπει να εκτελεστεί
κάποιο πιο πρωτεύουσας σημασίας πρόγραμμα. Οι μεγαλύτερες μηχανές μπορεί να
παρέχουν δυνατότητα για πολλούς χειριστές στους οποίους ο καθένας να έχει ένα
κομμάτι της μνήμης του υπολογιστή αφιερωμένο για την εργασία του. Συνεπώς η κάθε
δουλειά που κάνει κάποιος χειριστής να μην εμποδίζεται ή να μην επεμβαίνει στο
πρόγραμμα το οποίο κάποιος άλλος χειριστής μπορεί να χρησιμοποιεί. Παρόλα αυτά
μπορεί να υπάρχουν διακοπές στην εξυπηρέτηση όταν π.χ. δύο ή περισσότεροι
χειριστές προσπαθήσουν να πάρουν πληροφορίες από το ίδιο αρχείο κάποιου δίσκου.
Προγράμματα για ειδικές εργασίες ή ειδικούς σκοπούς μπορούν να παραγγελθούν σε
κάποιο ειδικό οίκο (software house). Στην περίπτωση, αυτή τα ειδικά προγράμματα που
απαιτούν προγραμματισμό από την αρχή κοστίζουν περισσότερο. Για το λόγο αυτό αν
και υπάρχουν και πολλά άλλα έτοιμα γραμμένα προγράμματα για Ιατρικές εφαρμογές,
είναι χρήσιμη η εκμάθηση της γλώσσας αυτής για την επίλυση πολλών
εξατομικευμένων προβλημάτων.
Αρχειοθέτηση
Μια από τις σπουδαιότερες ικανότητες του Η/Υ είναι η ικανότητά του να αποθηκεύει
και να ανακαλεί μεγάλες ποσότητες δεδομένων ή προγράμματα και πηγές από τα
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
19
περιφερειακά του τμήματα. Εκτός από την ταχύτητα λειτουργίας, αυτή είναι η
μεγαλύτερη διαφορά μεταξύ μίας αριθμομηχανής και ενός Η/Υ.
Το αρχείο είναι δεδομένα (μικρά ή μεγάλα σε ποσότητα) που ο προγραμματιστής θέλει
να αποθηκεύσει μαζί σε ένα περιφερειακό τμήμα. Ο τρόπος που αποφασίζει ο
προγραμματιστής ποιά δεδομένα θα μπουν στο αρχείο, μοιάζει με τον τρόπο που ένα
αρχειοθέτης αποφασίζει ποια χαρτιά θα μπουν στους φακέλους στην αρχειοθήκη (μία
εργασία που δεν είναι πάντα τόσο λογική όσο θα έλπιζε κανείς). Χαρτιά και σημειώσεις
αποθηκευμένα μέσα σε φακέλους κατατάσσονται σε κάποια λογική σειρά. Όμοια, κάθε
χαρτί ή σημείωση αποτελείται από παραγράφους κατανεμημένες σε προκαθορισμένη
σειρά. Κάθε παράγραφος περιέχει χαρακτήρες που είναι αλφαβητικοί, αριθμητικοί ή
συμβολικοί. Η μόνη διαφορά μεταξύ φακέλου αρχείων και του αρχείου Η/Υ είναι ότι τα
δεδομένα αποθηκεύονται στα περιφερειακά τμήματα αποθήκευσης με ηλεκτρονικό ή
μαγνητικό τρόπο.
Ο χρήστης σε κάθε εργασία που θα κάνει στο σύστημα χρησιμοποιεί ένα ή περισσότερα
αρχεία. Τα αρχεία αυτά θεωρούνται ότι είναι «συνδεδεμένα» με την εργασία του
χρήστη.
Αρχείο (file) είναι μία συλλογή πληροφοριών (data), που έχει κάποιο όνομα. Τα αρχεία
χωρίζονται σε απλά (single files) και σύνθετα (multi-file files). Κάθε αρχείο έχει την
αρχή του ΒΟΙ (beginning of information) και το τέλος του ΕΟΙ (end of information).
Ένα απλό αρχείο αποτελείται από ένα ή περισσότερα λογικά τμήματα που λέγονται
Records. Κάθε λογικό record έχει μέσα σε ένα αρχείο το τέλος του EOR (end of record)
με το οποίο χωρίζεται από το επόμενο λογικό record. Ένα σύνθετο αρχείο αποτελείται
από περισσότερα του ενός απλά στοιχεία που χωρίζονται μεταξύ τους με EOF (end of
file).
Ένα απλό αρχείο λοιπόν έχει την εξής μορφή:
ΒΟΙ
DATA
EOR
DATA
record 1
EOR
DATA
record 2
EOR
(**)
EOF
EOI
record n
Ενώ ένα σύνθετο έχει τη μορφή:
BOI DATA EOR
(*)
DATA EOR EOF DATA EOR
file 1
DATA
EOR
(*)
DATA EOR EOF
file 2
DATA
EOR
(**)
EOF
EOD
file n
Τα (*) μπορούν να αντικατασταθούν μόνο με EOF.
Τα (**) μπορούν να αντικατασταθούν μόνο με ΕΟΙ.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
20
Κάθε αρχείο ανήκει σε ένα από τα πιο κάτω:
Αρχεία (Files)
Μόνιμα (Permanent)
Τοπικά (Local)
Πρωτεύοντα
(Primary)
Δευτερεύοντα
(Secondary)
Έμμεσα
(Indirect)
Άμεσα
(Direct)
Τοπικά αρχεία είναι τα αρχεία, που υπάρχουν μόνο όσο χρόνο ο χρήστης βρίσκεται σε
επικοινωνία με το σύστημα. Το σύστημα διαγράφει μόνο του τα αρχεία αυτά μετά το
τέλος της επικοινωνίας, εκτός εάν στο μεταξύ ο χρήστης τα έχει «φυλάξει» στο δίσκο
χρησιμοποιώντας σχετικές εντολές του λειτουργικού συστήματος. Τοπικά αρχεία
μπορεί να είναι αντίγραφα μονίμων αρχείων, που θέλει να επεξεργασθεί ο χρήστης ή
ακόμη και βοηθητικά (πρόχειρα) αρχεία, που χρησιμοποιούνται κατά την εκτέλεση
κάποιου προγράμματος ή κατά τη διάρκεια κάποιας άλλης εργασίας.
Τα τοπικά αρχεία χωρίζονται σε δύο υποκατηγορίες: πρωτεύοντα και δευτερεύοντα.
Από όλα τα τοπικά αρχεία που βρίσκονται μέσα στον «πρόχειρο» χώρο εργασίας του
χρήστη μόνο ένα μπορεί να είναι πρωτεύον. Τα υπόλοιπα είναι δευτερεύοντα.
Μόνιμα αρχεία είναι τα αρχεία που δημιουργεί και διαχειρίζεται ο χρήστης και τα οποία
φυλάσσονται μόνιμα στο δίσκο (εκτός εάν ο χρήστης τα σβήνει).
Τα μόνιμα αρχεία είναι άμεσα και έμμεσα. Ένα έμμεσο αρχείο χρησιμοποιείται μόνο
μέσω τοπικού αντιγράφου του. Προκειμένου δηλαδή κάποιος να διαχειριστεί κάποιο
έμμεσο αρχείο πρέπει να πάρει μέσα στον πρόχειρο χώρο εργασίας του ένα τοπικό
αντίγραφό του. Διαχειρίζεται λοιπόν ο χρήστης το τοπικό αντίγραφο και στη συνέχεια
εφόσον θέλει το τοποθετεί στο δίσκο, είτε με το όνομα του παλιού έμμεσου αρχείου,
είτε με κάποιο άλλο όνομα.
Αντίθετα τα άμεσα αρχεία διαχειρίζονται απ’ ευθείας και όχι μέσω τοπικών αντιγράφων
τους.
Ένα άμεσο αρχείο παρέχει τη δυνατότητα συγχρόνου προσπελάσεώς του, από
περισσότερους του ενός χρήστες-δυνατότητες που δεν έχουν τα έμμεσα αρχεία
δεδομένου ότι κάθε χρήστης δουλεύει στο δικό του τοπικό αντίγραφο.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
21
Οι γλώσσες Η/Υ συχνά εφοδιάζουν με μία φυσική μέθοδο διαχείρισης των αρχείων σε
records, καθένα από τα οποία μπορεί να υποδιαιρεθεί σε πεδία (fields) και κάθε πεδίο
μπορεί να έχει πολλούς χαρακτήρες.
Ιατρικά Αρχεία και Βάσεις Δεδομένων
Τα Συστήματα Ηλεκτρονικής Επεξεργασίας και Διαχείρισης Εγγράφων (Document
Management Systems) εξυπηρετούν τη συλλογή, ψηφιοποίηση, ταξινόμηση και
αρχειοθέτηση σε αποθηκευτικά μέσα διαφόρων εγγράφων, φωτογραφιών, σχεδίων,
αρχείων πολυμέσων, βίντεο, ήχου, ιστοσελίδων κ.λπ. με ηλεκτρονικό τρόπο. Σε
αντίθεση με τα παραδοσιακά μέσα ("χειροκίνητη", χειρόγραφη αρχειοθέτηση), που
"μεταφράζονται" σε ογκώδεις ντουλάπες, στοίβες φακέλων και φθαρμένα από την
πάροδο του χρόνου έγγραφα, η σύγχρονη μέθοδος συνίσταται σε εικονικά, ψηφιακά
"συρτάρια και ντουλάπες" και σε έγγραφα που βρίσκονται σε ηλεκτρονική μορφή σε
κάποιον server ή δίσκο, μαγνητικό ή οπτικό. Η ψηφιακή αρχειοθέτηση και διαχείριση
τις οποίες επιτελούν τα συστήματα Document Management, βασίζονται σε δύο άξονες:
στην υποδομή hardware (servers, επεξεργαστές, αποθηκευτικά μέσα, σαρωτές) και στο
κατάλληλο λογισμικό (software) που αρχειοθετεί και διαχειρίζεται τα έγγραφα.
Η λειτουργία των συστημάτων Ψηφιακής Διαχείρισης Εγγράφων ξεκινά από ένα
φυσικό (έντυπο) έγγραφο, το οποίο πρέπει πρώτα να ψηφιοποιηθεί και κατόπιν να
εισαχθεί στο σύστημα και φθάνει μέχρι την ανάκτηση ενός ψηφιακού εγγράφου που
πρέπει να εντοπιστεί, να προβληθεί στην οθόνη και να εκτυπωθεί.
Τα περισσότερα συστήματα Document Management επιτελούν τουλάχιστον 4 βασικές
λειτουργίες:
α. Σάρωση οποιουδήποτε φυσικού εγγράφου μέσω συσκευής χειρός ή
επιτραπέζιας, με ταυτόχρονη ψηφιοποίηση, εισαγωγή στο σύστημα και
αποθήκευση σε σκληρούς, μαγνητικούς ή οπτικούς δίσκους.
β. Αρχειοθέτηση του εγγράφου βάσει των κριτηρίων που θέτει ο ίδιος ο χρήστης
και συνοδεία σχετικών πληροφοριών (ημερομηνία καταχώρησης, είδος,
περίληψη εγγράφου κ.λπ.)
γ. Αναζήτηση καταχωρημένων εγγράφων με διάφορα κριτήρια και εντοπισμός
τους σε μηδενικό χρόνο.
δ. Πρόσβαση και προβολή του επιθυμητού εγγράφου, εκτύπωση, αποστολή με
φαξ ή με ηλεκτρονικό ταχυδρομείο.
Επιπλέον, τα εν λόγω συστήματα προσφέρουν μια πλειάδα εφαρμογών, που δίνουν την
ευκαιρία διαχείρισης των εγγράφων, τη συνεργασία με άλλα συστήματα που τυχόν
υπάρχουν στην επιχείρηση και την εξασφάλιση ότι τα δεδομένα ούτε πρόκειται να
χαθούν αλλά ούτε και να πέσουν στην αντίληψη μη εξουσιοδοτημένων χρηστών.
Σήμερα, η ψηφιακή αρχειοθέτηση είναι ανάγκη και όχι πολυτέλεια.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
22
Κάθε χρόνο, στα ιατρικά αρχεία προστίθενται μεγάλες ποσότητες χαρτιού. Το
«παραδοσιακό» πρόβλημα των υπαλλήλων αρχειοθέτησης στα νοσοκομεία είναι η
ενημέρωση, η ταξινόμηση και η διαφύλαξη των εγγράφων, καθώς επίσης και η
ανεύρεση του καθενός όταν χρειαστεί. Εξάλλου όταν κάποιο συγκεκριμένο έγγραφο
είναι ζωτικής σημασίας για τη νοσηλεία ενός ασθενή, αφού βρεθεί, δεσμεύεται
τουλάχιστον για μερικές ώρες από το γιατρό που θέλει να το μελετήσει. Στο χρονικό
αυτό διάστημα κανείς άλλος, μέσα ή έξω από το νοσοκομείο, δεν μπορεί να το
χρησιμοποιήσει.
Ακόμα η αρχειοθέτηση με Η/Υ κατεβάζει το κόστος. Σε μελέτες που έχουν γίνει στις
ΗΠΑ έχει φανεί ότι απαιτούνται περίπου τετραπλάσια ποσά ανά σελίδα αρχείου ανά
έτος για την τήρηση αρχείων με τον παραδοσιακό τρόπο σε σύγκριση με τους Η/Υ. Αν
σ’ αυτά προστεθούν οι ανάγκες αναπαραγωγής (φωτοτυπίες κλπ – προσωπικό κλπ) τότε
το κόστος εικοσαπλασιάζεται.
Σήμερα, τα προβλήματα της αρχειοθέτησης λύνουν με τον καλύτερο δυνατό τρόπο οι
ηλεκτρονικοί υπολογιστές ή μιλώντας ακριβέστερα, τα Συστήματα Ηλεκτρονικής
Επεξεργασίας Πληροφοριών (Σ.Η.Ε.Π.). Όλες οι χρήσιμες πληροφορίες, το όνομα του
ασθενή, η διεύθυνσή του, το φύλλο του, η ημερομηνία εισόδου του στο νοσοκομείο, το
ιστορικό του και η θεραπεία του, καταγράφονται μόνιμα σε αποθηκευτικά μέσα (πχ
σκληρούς δίσκους).
Μία εικόνα διατήρησης records μπορούμε να δούμε στο τμήμα Πυρηνικής Ιατρικής που
επιθυμεί να διατηρεί μία λίστα όλων των ασθενών που νοσηλεύτηκαν, μαζί με το
ιστορικό και τα ευρήματα του scanning. Αυτή η λίστα ασθενών θα μπορούσε να
αποθηκευτεί σε ένα περιφερειακό τμήμα αποθήκευσης σαν αρχείο. Το αρχείο θα έχει
ένα record για να σημειώνει δεδομένα για κάθε ασθενή. Τα δεδομένα του ασθενή θα
μπορούσαν να διαιρεθούν σε πεδία. Για παράδειγμα, το όνομα του ασθενούς
αναπαριστά το πεδίο 1. Ο αριθμός μητρώου του ασθενούς αναπαριστά το πεδίο 2 και η
διάγνωση του ασθενή αναπαριστά το πεδίο 3. Κάθε πεδίο αποτελείται από χαρακτήρες
στην περίπτωση του πεδίου 1 (το όνομα ασθενούς) οι χαρακτήρες είναι αλφαβητικοί,
ενώ στην περίπτωση του πεδίου 2 (ο αριθμός νοσοκομείου) το πεδίο αποτελείται από
αριθμητικούς χαρακτήρες και σύμβολα.
Ένα δεύτερο παράδειγμα αρχείου μπορούσε να είναι μία σειρά παραστάσεων από ένα
αγγειοκαρδιογράφημα. Σε αυτή την περίπτωση, το πρώτο record αποτελείται από
δημογραφικά δεδομένα όπως το όνομα ασθενούς, αριθμός μητρώου και τύπος εξέτασης
και καθένα από τα επόμενα records περιέχει μία παράσταση. Σε αυτή την περίπτωση το
πρώτο record είναι διαφορετικό από τα υπόλοιπα και το πρόγραμμα που εξετάζει αυτά
τα δεδομένα πρέπει να διαφοροποιηθεί μεταξύ του πρώτου και των επόμενων records.
Όλα τα καλά λειτουργικά συστήματα εφοδιάζουν το χρήστη με μία δυνατότητα
κατασκευής αρχείου. Ο χρήστης δεν χρειάζεται να ενδιαφερθεί για τις φυσικές
λεπτομέρειες ενός τμήματος αποθήκευσης μαζικών πληροφοριών αλλά στο να μπορεί
να μεταχειρίζεται τα δεδομένα με εκφράσεις μίας δομής που σχετίζεται φυσικά με την
εφαρμογή. Το απαραίτητο πρόγραμμα για την μετάφραση της δημιουργηθείσας από το
χρήστη δομής σε γλώσσα μηχανής δίνεται από το λειτουργικό σύστημα.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
23
Τα πλεονεκτήματα κατασκευής αρχείων μέσα από το λειτουργικό σύστημα είναι:
• Μπορούν να γραφούν προγράμματα από το χρήστη ανεξαρτήτως τμήματος,
• Το απαιτούμενο πρόγραμμα μετάφρασης δεδομένων από τη δομή τους σε δομή
μηχανής γράφεται μόνο μία φορά και
• Το λειτουργικό σύστημα προλαβαίνει μπερδέματα μεταξύ διαφορετικών
χρηστών που αποταμιεύουν δεδομένα στο ίδιο τμήμα.
Τα DBMS είναι εφαρμογές λογισμικού (προγράμματα) που προσφέρουν ένα μεθοδικό
και συστηματικό τρόπο συλλογής, καταχώρησης και συσχετισμού δεδομένων, ενώ
παράλληλα επιτρέπουν την πρόσβαση σε αυτά και την ανάλυσή τους, με διάφορους
τρόπους. Υπάρχουν διάφορα είδη DBMS (σχεσιακά, ιεραρχικά, αντικειμενοστρεφή,
δικτυωτά), όπως επίσης υπάρχουν και διάφορες γλώσσες προγραμματισμού για την
κατασκευή τους.
Τα απλά DBMS ταυτίζονται με μικρού μεγέθους εφαρμογές, που μπορούν να
αξιοποιηθούν από έναν απλό χρήστη και δεν απαιτούν τη χρήση πρόσθετου
εξοπλισμού. Το κόστος των εν λόγω εφαρμογών είναι μηδενικό ή απλά μικρό.
Παραδείγματα απλών βάσεων δεδομένων είναι οι Lotus Approach, Corel Paradox,
Filemaker Pro και Microsoft Access, με την τελευταία να αποτελεί το πιο διαδεδομένο
πρόγραμμα αυτής της κατηγορίας.
Τα επαγγελματικά DBMS αποτελούν ολοκληρωμένα συστήματα, που εκτός από
εξειδικευμένο software απαιτούν και δαπανηρό εξοπλισμό (π.χ. database servers). Τα
ολοκληρωμένα αυτά συστήματα έχουν υψηλό κόστος, η υλοποίησή τους απαιτεί χρόνο,
τακτική συντήρηση καθώς και την απασχόληση ειδικευμένου προσωπικού.
Χρησιμοποιούνται συνήθως σε νοσοκομεία.
Παραδείγματα επαγγελματικών DBMS είναι οι SQL Server, MySQL, Oracle, Informix
κ.ά.
Οι βάσεις δεδομένων χρησιμοποιούνται ευρέως στα ακαδημαϊκά και εκπαιδευτικά
ιδρύματα κυρίως για τη δημιουργία ευρετηρίων (τίτλων βιβλίων, μελετών,
δημοσιεύσεων κ.λπ.). Τα βασικά οφέλη της χρήσης βάσεων δεδομένων αφορούν, σε
γενικές γραμμές, στην εξοικονόμηση χρόνου, χώρου και πόρων, που προκύπτει από τη
λεγόμενη εξόρυξη γνώσης (data mining). Αναλυτικότερα, η εξοικονόμηση χρόνου
αναφέρεται στο ότι οι βάσεις δεδομένων επιτρέπουν την εύρεση συγκεκριμένων
στοιχείων ανάμεσα σε χιλιάδες παρόμοια άλλα, μέσα σε ελάχιστο χρόνο. Επίσης ένα
DBMS προσφέρει τη δυνατότητα να προβούν σε αναλύσεις δεδομένων, να
επεξεργαστούν υποθετικά σενάρια και να εξαγάγουν χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά
με την εταιρική λειτουργία και τις διαδικασίες της.
Τα αρχεία με κατ’ ακολουθία πρόσβαση (list mode) δεν χρησιμοποιούνται πολύ επειδή
τότε το αρχείο πρέπει να ερευνηθεί από την αρχή προς το τέλος, record με record.
Ακόμη όταν το ποσόν πληροφοριών είναι ογκώδες τότε δεν μπορεί να περιληφθεί
ολόκληρο στη μνήμη την ίδια στιγμή. Μία λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι η
δημιουργία αρχείων τυχαίας πρόσβασης, που αποθηκεύουν τη μελέτη σε ένα
περιφερειακό τμήμα.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
24
Ο πιο σύγχρονος τρόπος τήρησης αρχείων είναι με τη βοήθεια ενός συστήματος
διαχείρισης μίας βάσης δεδομένων (Data Base Management System). Το DBMS είναι
ένα πακέτο software που οργανώνει τα δεδομένα με τη μορφή μίας βάσης δεδομένων
(database) και καθιστά έτσι εύκολη την αναζήτησή τους.
Σε αντίθεση με άλλες μεθόδους αποθήκευσης πληροφοριών το DBMS δεν είναι ένα
απλό σύστημα «καρτελοποίησης». Το σύστημα είναι ανεξάρτητο τόσο από τα δεδομένα
(data) όσο και από τα προγράμματα που χρησιμοποιούν τις πληροφορίες.
Υπάρχουν δύο τρόποι δόμησης ενός database management system:
1. Το ιεραρχικό DBMS: Με τη δόμηση αυτή φυλάσσονται καταγραφές (records)
που συνδέονται μεταξύ τους με δείκτες (pointers) με μορφή «γενεαλογικού
δένδρου» ή «δένδρου αποφάσεων» (decision making) με ανώτερα και κατώτερα
επίπεδα. Τα ανώτερα επίπεδα οδηγούν μέσω κόμβων (διακλαδώσεων) στα
κατώτερα.
2. Το συσχετισμένο (relational) DBMS: Εδώ οι καταγραφές (records) συνδέονται
με συσχετίσεις μεταξύ τους. Τα δεδομένα φυλάσσονται σε φακέλους (files) με
μορφή πινάκων (tables). Οι επιλογές που δίνονται στο DBMS το οδηγούν στο
να παράγει καινούργιες συσχετίσεις με τη μορφή νέων πινάκων.
Τα πλεονεκτήματα του DBMS είναι:
•
•
•
•
Η ευχέρεια αναζήτησης των πληροφοριών δεδομένων ότι υπάρχει μία
αμφίδρομη επικοινωνία με το χρήστη,
Μία γλώσσα εντολών (command language) που επιτρέπει τη λογική εξερεύνηση
των αρχείων με εντολές όπως: select, show, print, join κλπ,
Επιτρέπει τη γένεση αναφοράς (report generation) και διαμορφώνει την οθόνη
(screen handling) ώστε τα δεδομένα να παρουσιάζονται σύμφωνα με τον τρόπο
που υποδεικνύει ο χρήστης και
Παρέχει μεγαλύτερη ασφάλεια στην προσπέλαση των αρχείων από
ανεπιθύμητους.
Aποθήκευση ιατρικών δεδομένων
Ο όγκος των ιατρικών πληροφοριών αυξάνεται εκθετικά (περίπου διπλασιάζεται
ετησίως) με αποτέλεσμα να αναζητούνται συνεχώς τρόποι που να μεγιστοποιούν την
ικανότητα αποθήκευσης δεδομένων με ένα συμφέροντα και ταυτόχρονα εύκολο στη
διαχείριση τρόπο. Έτσι, οι διοικήσεις αναζητούν νέες λύσεις αποθήκευσης των
πολύτιμων δεδομένων τους, καθώς διαπιστώνουν ότι η αγορά περισσότερων και
μεγαλύτερων servers αλλά και σκληρών δίσκων δεν "σώζει" την κατάσταση.
Συνηθέστερη μέθοδος αποθήκευσης δεδομένων (back-up) είναι η απλή αντιγραφή των
αρχείων σε CD και DVD, η εγγραφή τους σε σκληρούς δίσκους διακομιστών (servers)
ή σε ταινίες (tapes). Οι μέθοδοι αυτές δεν μπορούν να θεωρηθούν οικονομικές, ενώ δεν
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
25
αρκούν όταν τα προς αποθήκευση δεδομένα απαιτούν πολλά Gigabytes σε
χωρητικότητα, ή πρόκειται για υλικό το οποίο μεταβάλλεται και ανανεώνεται συνεχώς.
Το πλέον διαδεδομένο μέσο αποθήκευσης είναι οι διακομιστές (servers). Ο συνδυασμός
κεντρικής υπολογιστικής μονάδας και μονάδας αποθήκευσης, μέσα στο ίδιο "κουτί", με
το ίδιο λειτουργικό σύστημα, προερχόμενα από τον ίδιο προμηθευτή, αποτελεί μια
λύση με αυτονόητα πλεονεκτήματα, ιδιαίτερα αν συνυπολογίσουμε την ευκολία
προσθήκης επιπλέον υλικού.
Παρά τη δημοτικότητά της, η λύση των servers έχει αρκετά μειονεκτήματα. Η
δυνατότητα επέκτασής της περιορίζεται από την αρχιτεκτονική του κεντρικού
υπολογιστή. Μεγαλύτερες ανάγκες σε χωρητικότητα ισοδυναμούν αναγκαστικά με
προσθήκη περισσότερων, μεγαλύτερων και ταχύτερων σκληρών δίσκων, γεγονός που
ισοδυναμεί με σημαντική και συχνά επαναλαμβανόμενη δαπάνη. Συν τοις άλλοις,
τέτοιου είδους επεμβάσεις σε ένα σύστημα απαιτούν παύση της λειτουργίας του και
χρονοβόρα τεχνική διαδικασία. Επιπλέον, δεν είναι εύκολη η μεταφορά δεδομένων από
έναν "βαρυφορτωμένο" server σε έναν άλλον, ο οποίος έχει περισσότερο ελεύθερο
χώρο. Τέτοιου είδους διαδικασίες επιβαρύνουν την υπολογιστική ισχύ του διακομιστή.
Επίσης, η μεταφορά δεδομένων μεταξύ servers θα επηρεάσει σημαντικά την απόδοση
του συστήματος, εκτός εάν υπάρχει ταχύτατη δικτύωση.
Όπως είδαμε παραπάνω, η προσθήκη αποθηκευτικών μέσων, αν και φαινομενικά
αποτελεί οικονομική λύση, δεν μπορεί να αποτελέσει την απάντηση στο πρόβλημα,
καθώς η διαχείριση του αυξανόμενου όγκου δεδομένων, η προστασία του και η διάθεσή
του δημιουργούν με τη σειρά τους επιπλέον προβλήματα.
Λύση στο πρόβλημα προσφέρει η δικτυακή αποθήκευση δεδομένων. Στο μοντέλο αυτό,
το επίκεντρο παύει να είναι ο server. Η αποθήκευση δεν συνδέεται πλέον άμεσα με τους
διακομιστές αλλά με το Διαδίκτυο, το οποίο αναλαμβάνει να φιλοξενήσει δεκάδες
Terabytes δεδομένων.
Ένα δίκτυο αποθήκευσης αποτελείται από μονάδες δίσκων ή ταινίας, συνδεδεμένες
μέσω δικτύου με εξυπηρετητές (servers) και πελάτες (clients), σε αντίθεση με τις
απευθείας συνδεδεμένες εξωτερικές μονάδες αποθήκευσης. Σε αυτό το πλαίσιο, το
δίκτυο είναι ένα δίκτυο IP.
Τρεις είναι οι κύριοι τύποι Δικτύων Αποθήκευσης Δεδομένων (Storage Area Networks,
SAN):
•
•
•
Πρόσβαση αρχείων μέσω των πρωτοκόλλων Network File system (NFS, UNIXbased) ή Common Internet File System (CIFS, Windows-based). Συχνά
αναφέρεται ως Αποθήκευση Συνδεδεμένη με Δίκτυο (NAS, Network Attached
Storage).
Πρόσβαση αντικειμένων μέσω HTTP.
Άμεση πρόσβαση ή πρόσβαση κατά blocks, μέσω του πρωτοκόλλου iSCSI. To
iSCSI είναι ένα πρωτόκολλο για τη μεταφορά εντολών SCSI (Small Computer
Systems Interface), πάνω από ένα δίκτυο TCP/IP.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
26
Σε ένα δίκτυο αποθήκευσης υπάρχουν τρεις βασικοί τύποι επικοινωνίας:
1. Server προς Server. H επικοινωνία σε αυτή την περίπτωση υλοποιείται κυρίως
πάνω από δίκτυο Ethernet/IP. Πολύ λίγες εφαρμογές πραγματοποιούν
επικοινωνία Server προς Server πάνω από το δίκτυο αποθήκευσης.
2. Server προς Storage. Η επικοινωνία των εξυπηρετητών με τις μονάδες
αποθήκευσης αποτελεί τον τομέα όπου το πρωτόκολλο iSCSI βρίσκει ευρύτατη
εφαρμογή. Όταν απαιτείται η επικοινωνία μεταξύ servers και μονάδων δίσκου ή
ταινίας πάνω από ένα δίκτυο IP, η χρήση του iSCSI εκτιμάται ότι παρουσιάζει
σαφή πλεονεκτήματα απόστασης, ασφάλειας ή ευκολίας διαχείρισης.
3. Storage προς Storage. Οι περισσότεροι τύποι επικοινωνίας storage προς storage
σήμερα εξαρτώνται αποκλειστικά από τον κατασκευαστή συσκευών
αποθήκευσης.
Υπάρχει ακόμα η λύση των Fibre Channel SANs (Storage Area Networks), η οποία
χρησιμοποιεί οπτικές ίνες για τη δικτυακή σύνδεση των σκληρών δίσκων και τη
μεταφορά των δεδομένων από τους διακομιστές σε έναν κεντρικό αποθηκευτικό χώρο.
Επίσης υπάρχει η τεχνολογία iSCSI, η οποία αρχίζει να αναπτύσσεται ταχύτατα.
Η ανάπτυξη της δυνατότητας αποθήκευσης δεδομένων σε απομακρυσμένα σημεία και
η έλλειψη εξειδικευμένου προσωπικού στο χώρο της αποθήκευσης ανέδειξαν ένα νέο
τύπο τηλεπικοινωνιακών εταιριών. Κύριο αντικείμενο των νέων αυτών εταιριών,
γνωστών ως Storage Service Providers (SSP), είναι η παροχή υπηρεσιών και λύσεων
στον τομέα αποθήκευσης σε επιχειρήσεις και οργανισμούς.
Η πλειονότητα των SSPs παρέχει τη διασύνδεση για την αποθήκευση δεδομένων σε
μεγάλες πόλεις, με κύριες εφαρμογές τη λήψη εφεδρικών αντιγράφων και ανάκτησης
δεδομένων, ενώ ορισμένες αναλαμβάνουν όλη την γκάμα των υπηρεσιών αποθήκευσης.
Οι εταιρίες αυτές είτε ενοικιάζουν τμήματα ενός οπτικού δικτύου σε επίπεδο οπτικής
ίνας ή μήκους κύματος, είτε διαθέτουν δικό τους οπτικό δίκτυο.
Σημαντικό ρόλο στις τεχνολογίες της δικτυακής αποθήκευσης δεδομένων αναμένεται
να παίξουν τα προγράμματα διαχείρισης αποθηκευτικού χώρου SRM (Storage Resource
Management). Οι εφαρμογές αυτές επιτρέπουν την επίβλεψη και διαχείριση των
συστημάτων αποθήκευσης, χωρίς οι ρυθμίσεις να πρέπει να γίνονται "χειρωνακτικά",
δηλαδή χωρίς να απαιτείται η φυσική παρουσία εξειδικευμένου προσωπικού στο ίδιο το
σύστημα. Σύντομα τα προγράμματα διαχείρισης θα μπορούν να "γνωρίζουν" ποια
δεδομένα πρέπει να μεταφερθούν στο δευτερεύον σύστημα αποθήκευσης σε
συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Ακόμα, το σύστημα θα αναγνωρίζει, για παράδειγμα, ότι
μια βάση απαιτεί περισσότερο χώρο και αυτόματα θα τον αποδίδει στο συγκεκριμένο
σκληρό δίσκο. Θα είναι δυνατόν, ανάλογα με τις ανάγκες του συστήματος, να
αποδίδεται περισσότερη υπολογιστική ισχύς σε μια διεργασία, χωρίς όμως να
απαιτείται η επίβλεψη της όλης διαδικασίας από το διαχειριστή του δικτύου.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
27
Ανάλυση Σημάτων
Οποιοδήποτε ζωντανό κύτταρο, διατηρεί ένα ηλεκτρικό δυναμικό στα τοιχώματά του,
σαν αποτέλεσμα συνεχούς μεταβολισμού που γίνεται μέσα σε αυτό. Τα δυναμικά αυτά
λέγονται βιοηλεκτρικά δυναμικά. Η ανίχνευση και η καταγραφή τους έχει μεγάλη
σημασία, αφού σε πολλές παθολογικές καταστάσεις παρατηρούνται μεταβολές των
δυναμικών αυτών.
Εξάλλου η διάγνωση πολλών ασθενειών απαιτεί τη μέτρηση διαφόρων φυσιολογικών
μεταβλητών όπως π.χ. της θερμοκρασίας, των παλμών της καρδιάς, της πίεσης του
αίματος κλπ. Πολλές από αυτές τις μεταβλητές μπορούν να μετρηθούν συνήθως
χρησιμοποιώντας απλά όργανα, αλλά εάν χρειάζεται συνεχής παρουσίαση, τότε μία
συσκευή αυτόματης επιτήρησης μπορεί να γλυτώσει το προσωπικό από επαναληπτικές
μετρήσεις. Άλλες παράμετροι που χρησιμοποιούνται στην Ιατρική, απαιτούν πιο
σύνθετο εξοπλισμό ή πολυπλοκότερους υπολογισμούς από τις τιμές που μετρώνται και
οι Η/Υ μπορούν να βοηθήσουν στο σημείο αυτό.
Όλες αυτές οι μετρήσεις, μπορούν να καταγραφούν σαν συνεχή ηλεκτρικά σήματα που
μεταβάλλονται με το χρόνο και των οποίων το μέγεθος είναι ανάλογο με τη μετρούμενη
ποσότητα. Έτσι π.χ. η πίεση του αίματος μπορεί να μετατραπεί σε μια ανάλογη
μεταβολή τάσεων με ημιαγωγούς μετατροπής πίεσης, που με τη βοήθεια ενός καθετήρα
μπαίνουν στα αγγεία. Ο μετατροπέας μετατρέπει τη φυσιολογική ποσότητα και τις
μεταβλητές της σε ένα σήμα τάσης.
Σε ότι αφορά τα κύτταρα, η κυτταρική μεμβράνη είναι θετικά φορτισμένη στο
εξωτερικό της μέρος και αρνητικά φορτισμένη στο εσωτερικό της. Τότε, το κύτταρο
βρίσκεται σε κατάσταση ηλεκτρικής ισορροπίας και θεωρείται ότι είναι πολωμένο.
Όταν όμως το κύτταρο ερεθιστεί ηλεκτρικά τότε η πόλωση αναστρέφεται. Αυτή η
διεργασία λέγεται εκπόλωση. Στη συνέχεια, η κυτταρική μεμβράνη επιστρέφει στο
κανονικό της δυναμικό στο οποίο και σταθεροποιείται. Η διεργασία αυτή λέγεται
επαναπόλωση. Οι μεταβολές αυτές της κυτταρικής μεμβράνης δεν περιορίζονται τοπικά
στην περιοχή του ερεθισμού αλλά επεκτείνονται και στα γειτονικά κύτταρα,
επιτρέποντας έτσι τη μετάδοση του ερεθίσματος. Η ροή ηλεκτρικού ρεύματος κατά τη
διάρκεια της αλλαγής πολώσεως και της μυϊκής δραστηριότητας που ακολουθεί,
δημιουργεί μικρής διάρκειας δυναμικά κατά μήκος του μυϊκού ιστού. Δεδομένου ότι το
ανθρώπινο σώμα είναι βασικά αγωγός του ηλεκτρισμού, τα δυναμικά αυτά που
συνοδεύουν τη συστολή και διαστολή οποιουδήποτε μυός φθάνουν και επομένως
μπορούν να μετρηθούν, στην εξωτερική επιφάνεια του σώματος. Εκεί, τα βιοηλεκτρικά
δυναμικά παραλαμβάνονται από ειδικά ηλεκτρόδια, που συνήθως τοποθετούνται στο
δέρμα του εξεταζόμενου, μετά ενισχύονται σε πολλές βαθμίδες ενισχύσεως και τελικά
καταγράφεται η μεταβολή του δυναμικού συναρτήσει του χρόνου με διάφορους τύπους
καταγραφέων.
Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις, τα ηλεκτρικά σήματα γεννώνται μέσα στο σώμα ή με
κάποιο ηλεκτρονικό μετατροπέα, είναι συνεχώς μεταβαλλόμενα σήματα και
περιγράφονται σαν «αναλογικά» σήματα. Αναλογικό σήμα, λέγεται η συνιστώσα ενός
κύματος που προέρχεται από τη συνεχή μεταβολή της τιμής ενός φυσικού μεγέθους και
περιέχει χρήσιμη ή επιθυμητή πληροφορία. Αντίθετα, κάθε συνιστώσα του κύματος που
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
28
δεν περιέχει επιθυμητή πληροφορία και τείνει να μειώσει ή να εξαλείψει το σήμα
λέγεται θόρυβος. Ο Η/Υ όμως μπορεί να εργασθεί μόνο με ψηφιακά σήματα, που
σημαίνει, μία ακολουθία διακριτών δυαδικών αριθμών. Με σκοπό να εισάγουμε ένα
αναλογικό σήμα σε ένα Η/Υ για ανάλυση, πρέπει πρώτα να περάσει μέσα από ένα
Μετατροπέα – Αναλογικού σε Ψηφιακό (Analogue to Digital Converter – ADC).
Μετατροπή Αναλογικού σε Ψηφιακό Σήμα
Ο ADC είναι μία ηλεκτρονική συσκευή που υπολογίζει τη στιγμιαία τιμή της τάσης
ενός σήματος σε κανονικά διαστήματα π.χ. κάθε ένα εκατοστό του δευτερολέπτου και
μετατρέπει αυτή τη στιγμιαία τιμή σε ένα δυαδικό αριθμό. Κάθε δευτερόλεπτο
μεταβολής του αναλογικού σήματος θα μετατραπεί τότε σε μία σειρά 100 δυαδικών
αριθμών, των οποίων τα μεγέθη είναι μία αναπαράσταση της διακύμανσης του
αναλογικού σήματος.
Δύο παράμετροι χαρακτηρίζουν την αποτελεσματικότητα ενός ADC:
• Η ακρίβεια και
• Ο λόγος δειγματοληψίας (μετρημένος σε Hz, δείγματα ανά δευτερόλεπτο).
Η καταγραφή δεδομένων με ακρίβεια 8-bit συχνά είναι ικανοποιητική, που σημαίνει ότι
η τάση μετατρέπεται σε ένα 8/ψήφιο δυαδικό αριθμό, 8 bits αντιστοιχούν από 0 έως
225 σε δεκαδικούς αριθμούς, έτσι η ακρίβεια είναι καλύτερη από 1%. Για μερικές
χρήσεις μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακρίβεια 12 bit (0,1%) ή 16 bit (0,01%). Η αυξημένη
ακρίβεια αντιπαρατίθεται στην ταχύτητα, αλλά είναι επίσης συνάρτηση του κόστους
του ADC.
Ο λόγος δειγματοληψίας είναι επίσης κρίσιμος και πρέπει να τεθεί σύμφωνα με το λόγο
της μεταβολής του αναλογικού σήματος. Εάν πάρουμε το ηλεκτροκαρδιογράφημα
(ΗΚΓ) σαν παράδειγμα, υπάρχει ένα ηλεκτρικό σήμα που επαναλαμβάνεται συνέχεια
μία φορά κάθε δευτερόλεπτο, αλλά περιέχει γνωρίσματα στην κυματομορφή του, που
δεν διαρκούν περισσότερο από 0,01 δευτερόλεπτο. Έτσι εάν κάνουμε δειγματοληψία
του ΗΚΓ σήματος μόνο δέκα φορές το δευτερόλεπτο, μερικές από αυτές τις
λεπτομέρειες θα χαθούν. Η δειγματοληψία ανά 100 ή 200 Hz θα δώσει ακριβή
αναπαράσταση των μεταβολών και καμία σημαντική λεπτομέρεια δεν θα χαθεί. Η
δειγματοληψία σε πολύ μεγαλύτερη αναλογία δεν θα έχει έννοια, αφού πολλές από τις
αναγνώσεις θα είναι επαναλήψεις και δεν θα συλλεχθεί καμία επιπλέον χρήσιμη
πληροφορία (η διαδρομή ενός σαλιγκαριού μπορεί να αναπαρασταθεί με ακρίβεια, με
δείγματα κάθε 1 λεπτό). Υπάρχει ένα θεώρημα στη θεωρία Σημάτων που καθορίζει ότι
η αναλογία δειγματοληψίας πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσια της υψηλότερης
συχνότητας της κυματομορφής.
Η εργασία μίας μονάδας ADC μοιάζει λίγο με αυτή μίας κινηματογραφικής μηχανής
που αναπαριστά την κίνηση σαν σειρά απλών φωτογραφιών. Η εμπειρία δείχνει ότι 20
– 30 στάσεις το δευτερόλεπτο δίνουν μία επαρκή αναπαράσταση της κίνησης για τις
περισσότερες περιπτώσεις. Κάθε στάση είναι μία δειγματοληψία της κίνησης –
ανάλογα με τον κάθε αριθμό στη σειρά του ADC. Εάν θέλουμε να «σταματήσουμε» την
πάρα πολύ ψηλή ταχύτητα της κίνησης, όπως τις φτερούγες της μέλισσας ή την πτήση
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
29
μίας σφαίρας, ξέρουμε ότι η αναλογία δειγματοληψίας στάσεων πρέπει να αυξηθεί εάν
θέλουμε να καταγράψουμε όλη την κίνηση.
Αν και υπάρχουν μονάδες ADC που εργάζονται σε ταχύτητες πάνω από 50 MHz (50
δειγματοληψίες κάθε μικροδευτερόλεπτο), τα πολύ γρήγορα μεταβαλλόμενα σήματα
μπορούν να αναλυθούν εάν καταγραφούν σε μνήμη και παιχθούν σε μειωμένη
ταχύτητα μέσω ενός αργού σχετικά ADC (όπως περίπου η αργή κίνηση σε replay ενός
γκολ ποδοσφαίρου μπορεί να δείξει τις λεπτές κινήσεις που ξέφυγαν από τα μάτια του
διαιτητή). Έτσι τα αναλογικά σήματα μπορούν να επεξεργασθούν on-line κι αυτό
σημαίνει, ότι μπαίνουν κατευθείαν στον Η/Υ μέσω ενός ADC για επεξεργασία με τον
ίδιο τρόπο που επεξεργαζόμαστε τα οπτικά μας σήματα online καθώς οδηγούμε το
αυτοκίνητο. Στην off-line επεξεργασία, τα σήματα καταγράφονται είτε σε αναλογική,
είτε σε ψηφιακή μορφή και μετά επεξεργάζονται από τον Η/Υ όταν ο τελευταίος έχει
ελεύθερο χρόνο και χώρο για την ανάλυση.
Η on-line επεξεργασία των αναλογικών δεδομένων περιορίζεται, όχι μόνο από την
ταχύτητα του ADC αλλά επίσης από την ταχύτητα του Η/Υ να χειρίζεται τους αριθμούς
και από τον διαθέσιμο χώρο αποθήκευσης. Έτσι π.χ. ένα σήμα που πάρθηκε σε μία
αναλογία των 100KHz θα γεμίσει ένα χώρο 64-kilobytes σε λιγότερο από 1
δευτερόλεπτο και ένα δίσκο 10-megabytes σε 100 δευτερόλεπτα.
Κυματο-ανάλυση
Οι περισσότερες πληροφορίες που χρησιμοποιούνται στην ιατρική διάγνωση, είναι
επαναληπτικές όπως π.χ. το ΗΚΓ. Έχει αποδειχθεί εδώ και 200 χρόνια περίπου, ότι
κάθε επαναλαμβανόμενο σχήμα μπορεί να αναπαρασταθεί σαν άθροισμα σειρών από
απλά επαναλαμβανόμενα σχήματα. Έτσι, η αυθεντική κυματομορφή μπορεί να
αναπαρασταθεί σε διαφορετικά διαγράμματα – είτε σαν μεταβολή εύρους σε
συνάρτηση με το χρόνο είτε σαν μεταβολή εύρους σε συνάρτηση με τη συχνότητα στο
χώρο, όπου οι συχνότητες εκφράζονται σαν γραμμές ανά εκατοστό αντί για κύματα ανά
δευτερόλεπτο. Με τον τρόπο αυτό, γίνεται μαθηματική ανάλυση των ημιτονοειδών και
συνημιτονοειδών κυμάτων που αποτελούν το σχήμα. Αυτή η τεχνική αναπαράσταση
επαναλαμβανόμενων σχημάτων σαν κατανομές συχνότητας είναι γνωστή σαν ανάλυση
Fourier. Η τεχνική μπορεί επίσης να επεκταθεί σε μη επαναλαμβανόμενες
κυματομορφές έτσι ώστε κάθε σήμα στο χρόνο ή στο χώρο μπορεί να αναπαρασταθεί
από ένα διάγραμμα συχνότητας. Η επεξεργασία μετατροπής σήματος σε διανομή
συχνοτήτων στο χώρο και στο χρόνο ονομάζεται μετατροπή Fourier.
Το πλεονέκτημα του μετασχηματισμού του σήματος σε κατανομή συχνοτήτων είναι ότι
μπορεί πλέον να χαρακτηριστεί από το εύρος των συχνοτήτων που περιλαμβάνει αλλά
– το σημαντικότερο – το σήμα μπορεί να «καθαριστεί» στη μετασχηματισμένη
κατάσταση. Έτσι π.χ. ο μετασχηματισμός κατά Fourier μπορεί να αποκαλύψει άλλες
παραμέτρους που επιπροστίθενται όπως π.χ. η συχνότητα της αναπνοής. Μετά την
αφαίρεση της συχνότητας αναπνοής, μπορούμε να εκτελέσουμε τον αντίστροφο
μετασχηματισμό και να επαναδημιουργήσουμε την κυματομορφή του ΗΚΓ μείον το
σήμα της αναπνοής.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
30
Πολλές από αυτές τις τεχνικές δημιουργήθηκαν για την επεξεργασία των φωτογραφιών
των δορυφόρων του διαστήματος, αλλά οι ίδιες μέθοδοι μπορούν να εφαρμοσθούν στον
καθαρισμό και τη βελτίωση των ιατρικών εικόνων. Έτσι ο Η/Υ κάνει την ανάλυση
κυματομορφής και η κατανομή της συχνότητας υπολογίζεται πολύ γρήγορα με τη
βοήθεια ενός αλγορίθμου που λέγεται γρήγορος μετασχηματισμός κατά Fourier
(F.F.T.).
Η Ανάλυση των Φυσιολογικών Σημάτων
Σαν παράδειγμα αυτόματης ανάλυσης φυσιολογικών σημάτων, θα χρησιμοποιήσουμε
την ανάλυση του ηλεκτροκαρδιογραφήματος (ΗΚΓ), η οποία τα τελευταία χρόνια έχει
τελειοποιηθεί πάρα πολύ.
Η αυτοματοποιημένη ανάλυση του ΗΚΓ είναι πλέον συνηθισμένη καθημερινή
πρακτική. Έχουν αναπτυχθεί πολλά προγράμματα αναλύσεως του ΗΚΓ με τη βοήθεια
Η/Υ, μερικά μάλιστα από αυτά κυκλοφορούν και στο εμπόριο. Επίσης υπάρχουν
προγράμματα ανάλυσης και άλλων φυσιολογικών σημάτων. Μερικά από αυτά είναι
ήδη στο εμπόριο ενώ άλλα βρίσκονται στο στάδιο της έρευνας και ανάπτυξης.
Το ΗΚΓ βοηθά στην εκτίμηση των διαφόρων καρδιοπαθειών, χάρη στην ανάλυση των
ηλεκτρικών σημάτων που παράγει η καρδιά ενώ εργάζεται. Το μυοκάρδιο είναι ένας
μυς «ειδικού τύπου», ο οποίος αποτελείται από τις λεγόμενες καρδιακές ίνες. Η
μεμβράνη κάθε τέτοιας ίνας εμφανίζει ένα δυναμικό – δυναμικό ηρεμίας – της τάξης
των 90mV, το εσωτερικό δε της ίνας είναι αρνητικό σε σχέση με το εξωτερικό της.
Όταν το δυναμικό κατέβει κάτω από μία κρίσιμη τιμή, παρατηρείται απώλεια του
δυναμικού ηρεμίας, ακολουθεί επιπεδοποίηση και τελικά επανέρχεται το αρχικό
δυναμικό ηρεμίας. Η αιφνίδια αυτή αναστροφή του δυναμικού, αποτελεί το δυναμικό
ενέργειας των ινών του μυοκαρδίου. Το ηλεκτροκαρδιογράφημα είναι η καμπύλη των
διακυμάνσεων του δυναμικού που αντιπροσωπεύουν το αλγεβρικό άθροισμα των
δυναμικών ενέργειας των ινών του μυοκαρδίου σε μία δεδομένη στιγμή.
Τα σήματα αυτά άγονται στην επιφάνεια του σώματος και επηρεάζουν τα δυναμικά της
επιφάνειας του δέρματος και μπορούν έτσι, μέσα από τα ηλεκτρόδια που βρίσκονται σε
επαφή, να καταγραφούν μέσω ενός ενισχυτή στην οθόνη ή στο χαρτί.
Υπάρχουν καθιερωμένα μέρη για την τοποθέτηση των ηλεκτροδίων στο δέρμα και τα
ηλεκτρικά σήματα μετρούνται είτε μεταξύ ενός ηλεκτροδίου και γείωσης ή μεταξύ δύο
ηλεκτροδίων. Για πλήρη καταγραφή, χρησιμοποιούνται 12 απαγωγές και τα ηλεκτρικά
κύματα που παράγονται εξετάζονται από τον καρδιολόγο που ερμηνεύει τις μορφές των
κυμάτων και τις αποκλίσεις τους από το φυσιολογικό.
Η ερμηνεία του ΗΚΓ απαιτεί εκπαίδευση και εκτεταμένη πείρα. Ακόμα και τότε, δύο
καρδιολόγοι μπορεί να διαφωνούν στη διάγνωση. Έτσι η ερμηνεία του ΗΚΓ από τον
Η/Υ είναι απόλυτα εξαρτημένη από την ακρίβεια των κριτηρίων διάγνωσης των
διαφόρων ανωμαλιών που βρίσκονται μέσα στο πρόγραμμα αναγνώσεως του ΗΚΓ.
Έχουν γραφεί ήδη πολλά προγράμματα αναλύσεων ΗΚΓ και όλα διαφέρουν στα
κριτήρια που χρησιμοποιήθηκαν, αν και η Καρδιολογική Ένωση της Νέας Υόρκης έχει
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
31
παραδώσει έναν κατάλογο από σταθερά κριτήρια. Έτσι, ένα πρόγραμμα ανάλυσης είναι
τόσο καλό (ή τόσο κακό) όσο και ο απόψεις των ιατρών που το έφτιαξαν.
Η ανάλυση μέσω Η/Υ των ΗΚΓ μπορεί να γίνει “on line” ή “off line”. Στην “off line”
εργασία τα σήματα καταγράφονται σε κασέτα και αργότερα τροφοδοτούνται μέσα από
ένα ADC στον Η/Υ Αυτή η μέθοδος έχει το πλεονέκτημα ότι δεν υπάρχει καθυστέρηση
στον πολυάσχολο Η/Υ και κάνει πιο αποτελεσματική χρήση του Η/Υ επειδή η ανάλυση
του ΗΚΓ μπορεί να διεκπεραιωθεί με πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα από εκείνη της
καταγραφής. Υπάρχουν όμως περιπτώσεις, όπως π.χ. σε ένα θάλαμο εντατικής
παρακολουθήσεως όπου είναι απαραίτητη η “on line” επεξεργασία του ΗΚΓ. Σε τέτοια
περίπτωση, τα σήματα μετατρέπονται και τροφοδοτούνται αμέσως στον Η/Υ, ο οποίος
μόλις διαπιστώσει οποιαδήποτε ανωμαλία ενεργοποιεί αμέσως ένα σύστημα
προειδοποίησης (alarm) στο γραφείο του υπεύθυνου της μονάδας.
Γενικά, η αυτοματοποιημένη ανάλυση των ηλεκτρικών σημάτων του ΗΚΓ μπορεί να
θεωρηθεί ότι απαρτίζεται από τρεις φάσεις: Η πρώτη φάση είναι ο υπολογισμός των
επαναλαμβανομένων αναλογιών των υψών, κορυφών, επιφανειών κάτω από τα
επάρματα και άλλων παραμέτρων των κυματομορφών, η δεύτερη φάση είναι η
διάκριση μεταξύ φυσιολογικών και παθολογικών κυματομορφών και η τελική φάση
είναι η διάγνωση ή καλύτερα μια πρόταση για το αίτιο της ανωμαλίας.
Αξιοπιστία των Αναλύσεων από Η/Υ
Η αυτοματοποιημένη ανάλυση του ΗΚΓ με Η/Υ έχει συγκριθεί σε μία σειρά μελέτες με
εκείνη ενός καρδιολόγου που ερεύνησε το ίδιο ηλεκτροκαρδιογράφημα. Σπάνια, είναι
δυνατόν ο Η/Υ να κάνει μία εσφαλμένη διάγνωση που οφείλεται σε artifact που
εμφανίζονται σε μία πρώτη φάση της διεργασίας της έκδοσης απόφασης, αλλά τα πιο
σημαντικά λάθη οφείλονται στις γενικές αδυναμίες των τεχνικών που βασίζονται σε
Η/Υ.
Οι μέθοδοι των Η/Υ έχουν αποδειχθεί αναξιόπιστες στην εξακρίβωση των επαρμάτων
Ρ, που είναι σημαντικά για τη διάγνωση αρρυθμίας. Οι μετρήσεις της διάρκειας των
επαρμάτων μπορεί επίσης να αποδειχθούν εσφαλμένες, γεγονός που οφείλεται στην
ανικανότητα του συστήματος να βρει την ακριβή αρχή και το τέλος στην κυματομορφή.
Ο Η/Υ πάντως είναι ακριβής στην μέτρηση του καρδιακού ρυθμού και στην
ανακάλυψη αλλαγών στη διάρκεια του QRS.
Σε μια μελέτη οι φυσιολογικοί και παθολογικοί ρυθμοί εξακριβώθηκαν με ακρίβεια
καλύτερη από 95%, ενώ η κοιλιακή υπερτροφία εξακριβώθηκε στο 91% των
περιπτώσεων.
Παρόλο ότι η διάγνωση του ΗΚΓ με Η/Υ έχει περιορισμούς, ωστόσο υπάρχουν
πλεονεκτήματα για τη χρήση τους. Έτσι, ο Η/Υ εφαρμόζει επακριβώς τα κριτήρια για
τη διάκριση μεταξύ φυσιολογικού και παθολογικού ανεξάρτητα από συναισθηματικούς
παράγοντες, προκαταλήψεις, κόπωση ή πίεση δουλειάς. Ακόμα, μπορούν να μαζευτούν
μεγάλες βάσεις δεδομένων και να χρησιμοποιηθούν σε μελλοντικές συγκρίσεις ώστε να
μπορεί να γίνει μνεία και για το φύλο, ηλικία, βάρος κλπ., επιδημιολογικές μελέτες. Ο
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
32
Η/Υ κάνει χρήση νέων μεθόδων ανάλυσης που βασίζονται σε μεγαλύτερη ακρίβεια των
μετρήσεων ή σε νέες μεθόδους ανάλυσης της κυματομορφής όπως στην τεχνική
Fourier. Έχει επίσης τη δυνατότητα σύνδεσης με μικρά νοσοκομεία για ΗΚΓ ανάλυση
μέσω τηλεφώνου.
Τα συστήματα ΗΚΓ που βασίζονται σε Η/Υ υπάρχουν πλέον διαθέσιμα σε εμπορικές
εφαρμογές. Τελευταία, έχουν παρουσιασθεί και συσκευές αυτοεξυπηρέτησης: Ο
ασθενής βάζει τα ηλεκτρόδια κάτω από κάθε μασχάλη, όπου ο ιδρώτας δίνει καλή
αγωγιμότητα και τα συνδέει μέσω της συσκευής με το τηλέφωνο της καρδιολογικής
κλινικής και του Η/Υ της. Έτσι το ΗΚΓ μεταφέρεται για εμφάνιση και επεξεργασία.
Επεξεργασία Εικόνας (Image Processing)
Σε αυτό το κεφάλαιο εξετάζονται οι βασικές αρχές της ψηφιακής εικόνας. Μία εικόνα
κωδικοποιημένη σε μορφή αποδεκτή από τον Η/Υ λέγεται ψηφιακή εικόνα. Θα
συζητηθούν τρεις τρόποι επεξεργασίας των οπτικών εικόνων από τον Η/Υ:
1. Ανακατασκευή εικόνας (π.χ. η υπολογιστική τομογραφία)
2. Επεξεργασία εικόνας (π.χ. σπινθηρογραφήματα με γ-camera)
3. Ταξινόμηση και αναγνώριση εικόνας (π.χ. ταξινόμηση χρωματοσωμάτων)
Οι πρώτες ψηφιακές εικόνες παράχθηκαν το 1920 όταν οι εικόνες των ειδήσεων
μεταφέρονταν με ασύρματο πάνω από τον Ατλαντικό και τέτοιες φωτογραφίες
εφημερίδων μας εισάγουν έννοια των ψηφιακών εικόνων. Μία φωτογραφία έχει τρεις
μεταβλητές – δύο του διαστήματος (π.χ. οι χ και ψ άξονες) και μία της πυκνότητας (π.χ.
η ένταση του μαύρου). Σε τεχνικούς όρους, η μεταβολή της πυκνότητας περιγράφεται
σαν αμαύρωση (grayscale). Εάν εξετάσουμε μία φωτογραφία εφημερίδας με
μεγεθυντικό φακό μπορούμε να δούμε ότι η εικόνα αποτελείται από μία μήτρα από
τελείες διαφορετικής πυκνότητας. Όλες οι ψηφιακές εικόνες φτιάχνονται από μικρά
τετράγωνα στοιχεία ή «τελείες». Κάθε τέτοιο στοιχείο ονομάζεται «pixel» (που στα
Αγγλικά είναι η συντομογραφία του picture element) και μία εικόνα συντίθεται από μία
μήτρα των 256x256 ή 512x512 κ.οκ. στοιχείων. Μοιάζει επομένως με τους πίνακες
των ιμπρεσσιονιστών ζωγράφων που συνέθεταν καταπληκτικούς πίνακες
ζωγραφίζοντας μικρές ξεχωριστές κουκίδες (Εικόνα 1).
Κάθε pixel μπορεί να οριστεί από τις χ και ψ συντεταγμένες του και από μια τιμή
αμαύρωσης. Συνηθίζεται οι εικόνες να διαιρούνται έτσι που ο αριθμός των μοναδιαίων
αποστάσεων να είναι δύναμη του 2 (π.χ. 256, 512 ή 1024). Το ίδιο γίνεται και για την
grayscale η οποία διαιρείται επίσης σε 32, 64 ή 128 τιμές αμαύρωσης.
Η ποιότητα της ψηφιακής εικόνας εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως
αναφέρεται και παρακάτω, αλλά βασικά εξαρτάται από τον αριθμό των pixels που
χρησιμοποιήθηκαν για να δημιουργηθεί η εικόνα. Αυτός ο αριθμός μερικές φορές
αναφέρεται σαν διακριτική ικανότητα (resolution). Προφανώς, τα περισσότερα pixels
προσθέτουν λεπτομέρειες στην εικόνα. Αν μεγεθυνθεί αρκετά μια ψηφιακή εικόνα,
τότε αρχίζουν να διακρίνονται τα pixels που την απαρτίζουν και το φαινόμενο αυτό
ονομάζεται pixelization.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
33
Η μεγαλύτερη διακριτική ικανότητα δημιουργεί επίσης άλλα προβλήματα. Για
παράδειγμα, περισσότερα pixels ηλεκτρονικής εικόνας σημαίνουν μεγαλύτερα αρχεία.
Είναι προφανές ότι είναι δυσκολότερο τα μεγαλύτερα αρχεία να αποθηκευτούν, να
επεξεργαστούν, να σταλούν με ηλεκτρονικό ταχυδρομείο, να δημοσιευθούν σε
ιστοσελίδα, κλπ.
Χαμηλότερη διακριτική ικανότητα, όπως 640 X 480, είναι ικανοποιητική για ανάρτηση
στο διαδίκτυο, για επισυνάψεις σε ηλεκτρονικά μηνύματα, μικρές εκτυπώσεις ή εικόνες
σε έγγραφα και παρουσιάσεις. Για αυτές τις χρήσεις, η υψηλότερη διακριτική
ικανότητα απλά αυξάνει τα μεγέθη των αρχείων χωρίς σημαντική βελτίωση των
εικόνων. Υψηλότερη διακριτική ικανότητα από 3 εκατομμύρια ή περισσότερο, είναι
καλύτερη για την εκτύπωση μεγενθύσεων ρεαλιστικών φωτογραφιών μεγαλύτερων
διαστάσεων.
Υπάρχουν δύο είδη διακριτικής ικανότητας: Η οπτική και η παρεμβαλλόμενη. Η οπτική
διακριτική ικανότητα μιας κάμερας ή ενός scanner είναι ένας απόλυτος αριθμός επειδή
τα pixels ενός αισθητήρα ή τα στοιχεία της εικόνας είναι φυσικά μεγέθη που μπορούν
να μετρηθούν. Προκειμένου να βελτιωθεί η διακριτική ικανότητα σε περιορισμένες
διαστάσεις, η οπτική διακριτική ικανότητα μπορεί να αυξηθεί με τη χρήση λογισμικού.
Αυτή η διαδικασία, η οποία αποκαλείται παρεμβαλλόμενη διακριτική ικανότητα,
προσθέτει pixels στην εικόνα για να αυξήσει το συνολικό τους αριθμό pixels. Για να
γίνει αυτό, το λογισμικό αξιολογεί τα pixels που περιβάλλουν κάθε νέα ψηφίδα για να
καθορίσει ποιο πρέπει να είναι το χρώμα του. Η παρεμβαλλόμενη διακριτική ικανότητα
δεν προσθέτει κάποια νέα πληροφορία στην εικόνα – απλά προσθέτει pixels και
καθιστά το αρχείο μεγαλύτερο.
Η ψηφιακή μετατροπή μίας εικόνας μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας ένα πυκνόμετρο
που κινείται με μαιανδρικές κινήσεις πάνω από το φωτισμένο αρνητικό. Το φως που
διέρχεται μέσα από κάθε μικρή επιφάνεια μετράται με φωτόμετρο και κάθε του
μέτρηση μετατρέπεται σε ψηφιακό αριθμό ανάλογο της πυκνότητας.
Η τεχνική της ψηφιακής μετατροπής διαφέρει ανάλογα με τον τύπο της εικόνας. Έτσι
τα κύτταρα ή τα τμήματα μίας μικροσκοπικής τομής μπορούν επίσης να σαρωθούν με
μία λεπτή δέσμη φωτός της οποίας η ένταση μετά τη δίοδό της μέσω της τομής
καταγράφεται από ένα φωτοανιχνευτή. Η τηλεοπτική κάμερα μετασχηματίζει επίσης τις
οπτικές εικόνες σε μια ακολουθία ηλεκτρικών δυναμικών που μπορούν ακολούθως να
μετατραπούν σε ψηφιακά. Το σύστημα αυτό μπορεί να προσαρμοσθεί σε ένα
μικροσκόπιο ή σε ένα ανιχνευτή ακτίνων (Χ ή γάμμα), υπερήχων κλπ. Εάν ενδιαφέρει η
καταγραφή μόνον των ορίων ενός αντικειμένου, τότε αυτά σχεδιάζονται με τη βοήθεια
ενός digitizer table.
Από μία άποψη, το μόνο που απαιτείται από μία εικόνα στην ιατρική είναι να βοηθά
τον ιατρό να κάνει ακριβή διάγνωση. Ο σκοπός αυτός επιτυγχάνεται εάν οι εικόνες που
λαμβάνονται είναι καθαρές και με καλή αντίθεση (contrast). Οι παράγοντες της
καθαρότητας (sharpness) και της αντίθεσης αλληλοσχετίζονται, αλλά στην ψηφιακή
απεικόνιση είναι φανερό ότι η μεν καθαριότητα εξαρτάται από το μέγεθος του pixel
ενώ η αντίθεση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το εύρος της grayscale. Περισσότερες
από 100 υποδιαιρέσεις επιπέδων αμαυρώσεως της grayscale θεωρούν πλεονασμός
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
34
δεδομένου ότι η ικανότητα του ματιού διακρίνει μικρές αλλαγές πυκνότητας είναι
περιορισμένη. Αυτά μπορούν πάντως, να επεκταθούν με τη χρήση της χρωματικής
κλίμακας. Για παράδειγμα, μία εικόνα βιβλίου γίνεται φανερά «κοκκώδης» για μέγεθος
τυπογραφικών στοιχείων μεγαλύτερο από 25 pixel/cm, ενώ στα 100 pixels/cm οι γωνίες
μεταξύ των γκρίζων επιπέδων είναι ορατές με λιγότερες από 32 υποδιαιρέσεις της
grayscale. Εξάλλου μία καλή εικόνα της τηλεόρασης απαιτεί 256x256 pixels με 64
υποδιαιρέσεις της grayscale προκειμένου να δώσει επαρκή καθαρότητα και αντίθεση.
Όταν αρχικά εφευρέθηκε η φωτογραφία, μπορούσε μόνο να καταγράψει τις
ασπρόμαυρες εικόνες. Η αναζήτηση χρώματος ήταν μια μακροχρόνια και σκληρή
διαδικασία και χρειαζόταν πολύς χρωματισμός με το χέρι στο διάστημα που
μεσολαβούσε. Μια σημαντική ανακάλυψη ήταν αυτή του James Clerk Maxwell, το
1860, ότι οι χρωματιστές φωτογραφίες θα μπορούσαν να δημιουργηθούν
χρησιμοποιώντας ασπρόμαυρο φιλμ και κόκκινα, μπλε και πράσινα φίλτρα.
Τα χρώματα σε μια φωτογραφία βασίζονται συνήθως στα τρία βασικά χρώματα:
κόκκινο, πράσινο και μπλε (RGB). Αυτό ονομάζεται πρόσθετο σύστημα χρωμάτων,
επειδή όταν συνδυάζονται τα τρία χρώματα ή προστίθενται σε ίσες ποσότητες,
διαμορφώνουν το λευκό. Αυτό το σύστημα RGB χρησιμοποιείται όποτε προβάλλεται
φως για να διαμορφώσει τα χρώματα όπως φαίνονται στην οθόνη (ή στο μάτι).
Δεδομένου ότι το φως της ημέρας αποτελείται από κόκκινο, πράσινο και μπλε φως,
τοποθετώντας κόκκινα, πράσινα και μπλε φίλτρα πάνω από μεμονωμένα pixels στον
αισθητήρα εικόνας μπορεί να δημιουργηθούν έγχρωμες εικόνες, όπως ακριβώς έκανε ο
Maxwell το 1860. Στο δημοφιλές σχέδιο Bayer που χρησιμοποιείται σε πολλούς
ανιχνευτές εικόνας, υπάρχουν διπλάσια πράσινα απ ότι κόκκινα ή μπλε φίλτρα. Αυτό
συμβαίνει επειδή το ανθρώπινο μάτι είναι πιο ευαίσθητο στο πράσινο σε σχέση με τα
άλλα δύο χρώματα, επομένως η ακρίβεια του πράσινου χρώματος είναι πιο σημαντική.
Τύποι αισθητήρων εικόνας
Μέχρι πρόσφατα, οι συσκευές που φορτίζονται ανά ζεύγη (Charged Couple Devices,
CCDs) ήταν οι μόνοι αισθητήρες εικόνας που χρησιμοποιήθηκαν στις ψηφιακές
κάμερες. Έχουν αναπτυχθεί μέσω της χρήσης τους σε αστρονομικά τηλεσκόπια,
scanners, και φορητές βιντεοκάμερες. Εντούτοις, υπάρχει μια νέα πρόοδος στον
ορίζοντα, ο αισθητήρας εικόνας CMOS που υπόσχεται να καταλάβει ένα μεγάλο μέρος
της αγοράς στο μέλλον. Και οι δύο αισθητήρες εικόνας, CCD και CMOS,
συλλαμβάνουν το φως σε ένα σύστημα μικρών pixels στις επιφάνειές τους. Η διαφορά
μεταξύ των δύο βρίσκεται στον τρόπο επεξεργασίας της εικόνας και στον τρόπο
κατασκευής τους.
Ένταση (ή Αποχρώσεις χρωμάτων)
Η διακριτική ικανότητα δεν είναι ο μόνος παράγοντας που επηρεάζει την ποιότητα των
εικόνων. Εξίσου σημαντικό είναι και το χρώμα. Όταν βλέπουμε ένα τοπίο ή μια καλή
έγχρωμη φωτογραφία, είμαστε σε θέση να διακρίνουμε εκατομμύρια χρώματα. Οι
ψηφιακές εικόνες μπορούν να προσεγγίσουν αυτόν τον ρεαλισμό χρώματος, αλλά αυτό
είναι συνάρτηση των τεχνικών χαρακτηριστικών και των ρυθμίσεων κάθε Η/Υ. Ο
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
35
αριθμός χρωμάτων σε μια εικόνα αναφέρεται στην ένταση του χρώματος, στο βάθος
των pixel και των bits. Τα παλαιότερα PCs έχουν οθόνες που εμφανίζουν μόνο 16 ή 256
χρώματα. Εντούτοις, σχεδόν όλα τα νεότερα συστήματα μπορούν να επιδείξουν αυτό
που αποκαλείται 24-bit true color. Ονομάζεται true color επειδή αυτά τα συστήματα
εμφανίζουν 16 εκατομμύρια χρώματα.
Γιατί χρειάζονται 24 bit για 16 εκατομμύρια χρώματα; Είναι απλή αριθμητική. Για να
υπολογίσουμε πόσα διαφορετικά χρώματα μπορούν να αποθηκευτούν ή να
εμφανιστούν, απλά υψώνουμε τον αριθμό 2 στη δύναμη του αριθμού των bits που
χρησιμοποιούνται για να καταγραφεί ή να εμφανιστεί η εικόνα. Π.χ. 8 bits δίνουν 256
χρώματα επειδή 28=256.
Μερικές ψηφιακές κάμερες και scanners χρησιμοποιούν 30 ή περισσότερα bits ανά
pixel ενώ οι επαγγελματικές εφαρμογές συχνά απαιτούν βάθος χρώματος 36- bit, ένα
επίπεδο που επιτυγχάνεται μόνο από επαγγελματικές ψηφιακές κάμερες. Αυτά τα
πρόσθετα bits, δεν χρησιμοποιούνται για να παράγουν χρώματα που εμφανίζονται
αργότερα, αλλά για να βελτιώσουν το χρώμα στην εικόνα όπως αυτή επεξεργάζεται την
τελική μορφή των 24-bits και έπειτα απορρίπτονται.
Ποιότητα εικόνας
Το μέγεθος ενός αρχείου εικόνας εξαρτάται εν μέρει από τη διακριτική ικανότητα της
εικόνας. Όσο μεγαλύτερη η διακριτική ικανότητα, τόσα περισσότερα pixels
αποθηκεύονται και τόσο μεγαλύτερο γίνεται το αρχείο της εικόνας. Προκειμένου να
μικρύνουν τα μεγάλα αρχεία με εικόνες και να τα κάνουν πιο εύχρηστα, οι εικόνες
αποθηκεύονται σε μια κατάλληλη μορφή (format). Το format στο οποίο αποθηκεύεται
μια εικόνα, επιτρέπει επίσης να διευκρινίζεται ο βαθμός της συμπίεσης. Αυτό είναι ένα
χρήσιμο χαρακτηριστικό επειδή υπάρχει μια αντιστάθμιση μεταξύ συμπίεσης και
ποιότητας εικόνας: Μικρότερη συμπίεση δίνει καλύτερες εικόνες και αντίστροφα.
Συμπίεση εικόνας & διατάξεις αρχείων
Κατά τη λήψη εικόνων, υπάρχουν διάφορες ρυθμίσεις που μπορούν να γίνουν για
θέματα όπως το μέγεθος εικόνας, οι αναλογίες συμπίεσης και οι διατάξεις αρχείων. Οι
επιλογές αυτές καθορίζουν την ποιότητα της εικόνας και το μέγεθος των αρχείων που
δημιουργούνται.
Όταν παίρνουμε μια φωτογραφία, το μέγεθος του αρχείου της εικόνας είναι τεράστιο σε
σχέση με άλλους τύπους αρχείων υπολογιστών, δεδομένου ότι κάθε pixel απαιτεί 24
bits (3 bytes) για να αποθηκεύσει τις πληροφορίες χρωμάτων. Όσο μεγαλώνει η
διακριτική ικανότητα, τόσο μεγαλώνει το μέγεθος του αρχείου. Ένα αρχείο μιας
εικόνας χαμηλής διακριτικής ικανότητας 1 megapixel είναι 3 megabytes, στα 3
megapixels ανεβαίνει στα 9 megabytes και στα 6 megapixels ανεβαίνει στα 18
megabytes. Τα αρχεία γίνονται πάρα πολύ μεγάλα για να αποθηκευτούν εύκολα, να
διαβιβασθούν και να επεξεργαστούν. Για να γίνουν τα αρχεία με τις εικόνες μικρότερα
και πιο εύχρηστα, χρησιμοποιείται μια διαδικασία που ονομάζεται συμπίεση.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
36
Κατά τη διάρκεια της συμπίεσης, τα δεδομένα που αναπαράγονται ή που δεν έχουν
καμία αξία, αποβάλλονται ή σώζονται με μικρότερη μορφή, μειώνοντας κατά πολύ το
μέγεθος του αρχείου. Για παράδειγμα, εάν μεγάλες περιοχές της εικόνας έχουν την ίδια
απόχρωση μπλε, χρειάζεται να σωθεί μόνο η αξία του ενός pixel μαζί με τις θέσεις των
άλλων pixels με το ίδιο χρώμα. Όταν έπειτα η εικόνα επεξεργάζεται ή εμφανίζεται, η
διαδικασία συμπίεσης αντιστρέφεται.
Υπάρχουν δύο μορφές συμπίεσης - χωρίς απώλειες και με απώλειες - και οι ιατρικές
εφαρμογές χρησιμοποιούν και τις δύο μορφές.
Συμπίεση χωρίς απώλειες. Η συμπίεση χωρίς απώλειες αποσυμπιέζει μια εικόνα και η
ποιότητά της ταιριάζει με την αρχική πηγή - τίποτα δεν χάνεται. Αν και η συμπίεση
χωρίς απώλειες μοιάζει ιδανική, δεν παρέχει πολλή συμπίεση και τα αρχεία
παραμένουν αρκετά μεγάλα. Για αυτόν τον λόγο, η συμπίεση χωρίς απώλειες
χρησιμοποιείται κυρίως σε περιπτώσεις όπου η λεπτομέρεια είναι εξαιρετικά
σημαντική.
Συμπίεση με απώλειες. Η συμπίεση με απώλειες υποβιβάζει σε ένα βαθμό τις εικόνες
και όσο περισσότερο συμπιέζονται, τόσο περισσότερο υποβιβάζονται. Σε πολλές
περιπτώσεις, όπως στέλνοντας εικόνες στο διαδίκτυο ή κάνοντας μικρές έως μεσαίου
μεγέθους εκτυπώσεις, η υποβάθμιση εικόνας δεν είναι εμφανής. Εντούτοις, εάν
μεγεθύνετε μια εικόνα αρκετά, η υποβάθμιση θα φανεί.
Μορφές ψηφιακών αρχείων
Όσον αφορά τις μορφές των αρχείων υπάρχει ένας αριθμός επιλογών. Υπάρχουν οι
εξής συνήθεις μορφές:
JPEG. Πήρε την ονομασία από το Joint Photographic Experts Group που προφέρεται
"jay-peg". Είναι η πιο δημοφιλής μορφή για τις φωτογραφικές εικόνες. Στην
πραγματικότητα, οι περισσότερες κάμερες σώζουν τις εικόνες με αυτή τη μορφή εκτός
εάν καθορισθεί άλλος τρόπος αποθήκευσης.
Μια εικόνα JPEG αποθηκεύεται χρησιμοποιώντας συμπίεση με απώλειες και μπορεί να
ορισθεί κάθε φορά ο επιθυμητός βαθμός συμπίεσης. Αυτό μας επιτρέπει την επιλογή
μεταξύ χαμηλότερης συμπίεσης και υψηλότερης ποιότητας εικόνας ή μεγαλύτερης
συμπίεσης και χαμηλότερης ποιότητας. Ο μόνος λόγος να επιλεγεί μεγαλύτερη
συμπίεση είναι επειδή αυτή δημιουργεί μικρότερο αρχείο και επομένως μπορούν να
αποθηκευθούν περισσότερες εικόνες και είναι ευκολότερο να σταλούν με ηλεκτρονικό
ταχυδρομείο ή στο διαδίκτυο.
Η συμπίεση JPEG εκτελείται σε τεμάχια (blocks) από pixels, οκτώ ανά πλευρά.
Μπορείτε να δείτε αυτά τα τεμάχια όταν χρησιμοποιείτε τα υψηλότερα επίπεδα
συμπίεσης ή όταν μεγεθύνετε πολύ την εικόνα.
Το JPEG 2000 είναι μια νέα έκδοση JPEG που ακόμα δεν έχει εφαρμοστεί ευρέως. Το
σύστημα αυτό χρησιμοποιεί κυματική συμπίεση (wavelet) αντί της παλαιής DCT
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
37
(Discrete Cosine Transformation) για να δώσει μια υψηλότερη συμπίεση (20%
καλύτερη) και καλύτερη ποιότητα εικόνας με λιγότερα ψεγάδια. Η κυματική
τεχνολογία επιτρέπει επίσης σε μια εικόνα να "κυλήσει". Μια εικόνα χαμηλής
διακριτικής ικανότητας εμφανίζεται γρήγορα και έπειτα συμπληρώνεται βαθμιαία με
περισσότερες λεπτομέρειες. Ως χρήστης, μπορείτε να αποφασίσετε πότε έχετε αρκετή
διακριτική ικανότητα για το σκοπό που θέλετε. Αυτό αναφέρεται ως "επίπεδο
πρόσβασης ενδιαφέροντος". Μπορείτε επίσης να αποθηκεύσετε μια εικόνα σε μια νέα
μορφή JPEG χωρίς απώλειες, χωρίς να χρειάζεται να αποθηκεύσετε σε μια μορφή χωρίς
απώλειες όπως το TIFF. H παλαιότερη διάταξη JPEG παρέχει καμία επιλογή για το πώς
εμφανίζονται τα χρώματα, έτσι οι εικόνες φαίνονται διαφορετικές σε διαφορετικά
συστήματα. Το JPEG 2000 περιλαμβάνει αυτό που ονομάζεται διαχείριση χρωμάτων,
έτσι τα χρώματα της εικόνας αποδίδονται με περισσότερη ακρίβεια.
Το TIFF (Tag Image File Format) έχει γίνει ευρέως αποδεκτό και υποστηρίζεται σαν
μορφή (format) εικόνας. Ορισμένες συσκευές αποθηκεύουν σε αυτή τη μορφή τις
εικόνες. Λόγω της δημοτικότητάς της, η μορφή έχει μετατραπεί σε TIFF/EP (Tag
Image File Format-Electronic Photography). Το TIFF/EP μπορεί να αποθηκευτεί σε
ασυμπίεστη μορφή ή χρησιμοποιώντας τη συμπίεση JPEG. Τα αρχεία εικόνων TIFF/EP
αποθηκεύονται συχνά σε μια μορφή "μόνο για ανάγνωση" προς αποφυγή τυχόν
απώλειας σημαντικών πληροφοριών που εμπεριέχονται μέσα στο αρχείο.
Το TIFF είναι μια δημοφιλής μορφή επειδή χρησιμοποιεί συμπίεση χωρίς απώλειες. Το
πρόβλημα είναι ότι η μορφή έχει τροποποιηθεί πάρα πολλές φορές ώστε υπάρχουν
τώρα 50 ή περισσότερες εκδοχές που δεν είναι όλες αναγνωρίσιμες από τα
προγράμματα.
Η μορφή CCD RAW αποθηκεύει τα δεδομένα άμεσα από τον αισθητήρα εικόνας χωρίς
πρώτα να τα επεξεργάζεται. Αυτά τα δεδομένα περιέχουν όλα όσα απαθανατίζονται από
τη φωτογραφική μηχανή. Εκτός από τα ψηφιακά ανεπεξέργαστα δεδομένα του
αισθητήρα, η μορφή RAW καταγράφει επίσης το χρώμα και άλλες πληροφορίες που
εφαρμόζονται κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας για να ενισχύσει την ακρίβεια του
χρώματος και άλλες πτυχές της ποιότητας εικόνας.
Εκτός από την ποιότητα εικόνας, τα αρχεία RAW έχουν και άλλα πλεονεκτήματα: Τα
αρχεία τους είναι περίπου 60% μικρότερα από τα ασυμπίεστα αρχεία TIFF με τον ίδιο
αριθμό pixels και o χρόνος επεξεργασίας είναι μικρότερος.
Το PNG (Portable Network Graphics) είναι μια μορφή αρχείων χωρίς απώλειες
σχεδιασμένη να αντικαταστήσει το GIF, το οποίο είναι μία μορφή αρχείου εικόνας που
εμπλέκεται σε νομικές αξιώσεις. Είναι μια παγκόσμια μορφή αναγνωρισμένη από την
κοινότητα του World Wide Web και υποστηρίζεται από όλους τους πρόσφατους web
browsers. Εδώ έγκειται η διαφορά του PNG από τις άλλες ευρέως διαδεδομένες
ψηφιακές μορφές εικόνων.
Οι εικόνες JPEG χρησιμοποιούν συμπίεση με απώλειες έτσι οι εικόνες χάνουν από την
ποιότητα κάθε φορά που αποθηκεύονται, κλείνουν και ξανανοίγουν. Οι εικόνες PNG
είναι χωρίς απώλειες έτσι διατηρούν την ποιότητά τους. Επειδή η συμπίεσή τους είναι
με απώλειες, οι εικόνες JPEG είναι συνήθως μικρότερες. Για αυτόν τον λόγο, αν και οι
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
38
PNG είναι μια καλή ενδιάμεση μορφή επειδή είναι χωρίς απώλειες, μπορεί να θελήσετε
να μετατρέψετε σε μικρότερη μορφή JPEG πριν τις στείλετε με ηλεκτρονικό
ταχυδρομείο ή στο διαδίκτυο.
Παραγωγή ιατρικής εικόνας
Θεωρείται χρήσιμο να αναφερθούν μερικά βασικά στοιχεία σχετικά με τον τρόπο που
παράγονται οι διάφορες ιατρικές εικόνες προκειμένου να καταστεί σαφής η εμπλοκή
των Η/Υ στην παραγωγή και επεξεργασία τους.
Ιατρική απεικόνιση και ηλεκτρομαγνητικό φάσμα
Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα έχει διάφορα τμήματα που έχουν μεγάλη χρησιμότητα
στην ιατρική απεικόνιση (Εικόνα 1). Οι ακτινοβολίες υψηλής ενέργειας (μικρού μήκους
κύματος π.χ. 0.1 έως 0.001 angstrom) είναι ικανές να διαπεράσουν και να
απορροφηθούν διαφορετικά (κυρίως με τη διασπορά ή τον ιονισμό των
αλληλεπιδράσεων) από τους ιστούς. Αυτές οι ακτινοβολίες δημιουργούνται είτε μέσω
ραδιενεργών διασπάσεων των ατόμων που εισάγονται στο σώμα (πυρηνική ιατρική)
είτε μέσω σωλήνων παραγωγής ακτίνων X που δημιουργούν τα ενεργειακά κύματά
τους βομβαρδίζοντας ένα στόχο βολφραμίου με ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας (~100
keV). Μετατρέποντας αυτά τα κύματα σε φως, παράγονται εικόνες, οι οποίες
αποτυπώνονται σε φιλμ ή εμφανίζονται σε μια οθόνη σωλήνα καθοδικών ακτίνων.
Σε μεγαλύτερα μήκη κύματος (ραδιοκύματα που δεν αλληλεπιδρούν με τους ιστούς με
ιονισμό και επομένως εγκυμονούν μια πολύ μικρότερη πιθανότητα βιολογικού
κινδύνου) βρίσκονται τα θεμέλια της απεικόνισης με μαγνητικό συντονισμό (MRI).
Εικόνα 1: Το εύρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος που χρησιμοποιείται στις
ιατρικές απεικονίσεις.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
39
Ιονίζουσες και μη-ιονίζουσες ακτινοβολίες
Η ιονίζουσα ακτινοβολία είναι ένα τμήμα του φάσματος ηλεκτρομαγνητικής
ακτινοβολίας που μπορεί να διαπεράσει και να διαβιβαστεί μέσω των ιστών, σε
αντίθεση με το φως το οποίο απορροφάται συνήθως στην επιφάνεια του δέρματος.
Ένας από τους κύριους τρόπους με τους οποίους η ιονίζουσα ακτινοβολία αλληλεπιδρά
με τους ιστούς είναι με την εξουδετέρωση των ηλεκτρονίων τα οποία χάνουν ενέργεια.
Η διαφορετική απορρόφηση που προκύπτει από το σώμα, μπορεί να αμαυρώσει ένα
φιλμ κασέτας που βρίσκεται απέναντι από την είσοδο της ακτινοβολίας. Αυτή η
διαφορική απορρόφηση επιτρέπει να δημιουργηθεί ένα "σκιαγράφημα του σώματος"
(π.χ. ένα φιλμ ακτίνας X) που αποτυπώνει οστά και μαλακούς ιστούς διαφόρου πάχους
ως διαβαθμίσεις φωτεινού και σκιερού.
Ακτινογραφικές κλίμακες
Το φιλμ δεν είναι πραγματικά ευαίσθητο στις ακτίνες Χ, αλλά είναι ευαίσθητο στο φως
που προέρχεται από τα φωτόνια που εκπέμπονται από τις ευαίσθητες οθόνες φθορισμού
ακτίνων Χ.
Μια έννοια συχνά δύσκολη να κατανοηθεί είναι ότι το "λευκό" ή το διαφανές μέρος
ενός φιλμ ακτίνων Χ ανιχνεύεται πίσω από τους ιστούς που απορροφούν τις
περισσότερες ακτίνες Χ που εισέρχονται στο σώμα σε αυτή την περιοχή, όπως τα οστά
του σώματος. Η απορρόφηση ακτίνων Χ εξαρτάται και από το πάχος του ιστού (μήκος
τροχιάς) που πρέπει να διαπεράσει ή/και από το ατομικό βάρος των σωμάτων. Οι ιστοί
υψηλού μοριακού βάρους (οστά, μοσχεύματα μετάλλων) ή τα μεγάλα μήκη τροχιάς
(ήπαρ, υπερβολικό λίπος) απορροφούν ή διασκορπίζουν τις ακτίνες Χ προτού
μπορέσουν να εξέλθουν από το σώμα καταλήγοντας σε μη εκτεθειμένα ή διαφανή μέρη
του φιλμ. Τα σκοτεινότερα, πιο μαύρα σημεία του φιλμ, βρίσκονται πίσω από λεπτούς
ιστούς ή ιστούς χαμηλής πυκνότητας (πχ. πνεύμονας) που επιτρέπουν σε ένα μεγάλο
μέρος της δέσμης των ακτίνων Χ να τους διαπεράσει χωρίς απορρόφηση.
Η τομογραφία είναι ένας "τεμαχισμός" του σώματος σε διάφορα τμήματα και σε
διάφορα επίπεδα. Όταν τα τμήματα της τομογραφίας εμφανιστούν στη σειρά ή
ενσωματωθούν μέσω ενός Η/Υ, επιτρέπουν την παρουσίαση και την κατανόηση της
τρισδιάστατης ανατομίας.
Οι τεχνικές ιατρικής απεικόνισης μπορούν χονδρικά να ομαδοποιηθούν σε εκείνες που
χρησιμοποιούν την ιονίζουσα ακτινοβολία και σ’ εκείνες που χρησιμοποιούν μη
ιονίζουσες ακτινοβολίες.
Η ομάδα των ιονιζουσών ακτινοβολιών αποτελείται από εκείνες τις εικόνες που
δημιουργούνται από τη χρήση ακτίνων X ή ακτίνων γάμμα. Καθώς η ιονίζουσα
ακτινοβολία προσπίπτει μέσα στο σώμα, απορροφάται από τους ιστούς ανάλογα με το
πάχος τους και την ατομική τους μάζα (π.χ. το ασβέστιο έχει μεγαλύτερο ατομικό
βάρος από το υδρογόνο που είναι ένα σημαντικό συστατικό του υδάτινου ιστού).
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
40
Οι τεχνικές μη ιονίζουσας ακτινοβολίας κυρίως χρησιμοποιούν είτε τα ακουστικά
κύματα (υπερήχους) για την απεικόνιση (όπως το ραντάρ) είτε τα ραδιοκύματα που
συνδυάζονται με μαγνήτες υψηλού πεδίου όπως στην περίπτωση της MRI.
Tομογραφία και Προβολή
Σύμφωνα με μιαν άλλη κατάταξη, οι ιατρικές εικόνες ανήκουν σε μια από τις δύο εξής
ομάδες τεχνικών απεικόνισης: Τομογραφικές τεχνικές ή τεχνικές προβολής.
Οι τεχνικές προβολής, όπως των φιλμ των ακτίνων X, είναι προβολές σε δύο διαστάσεις
του σώματος όπως η κλασική ακτινογραφία θώρακος. Οι διάφοροι ιστοί εμφανίζονται
σαν να επικαλύπτουν ο ένας τον άλλον και συχνά χρειάζονται πολλαπλές προβολές
(προσθιοπίσθια και πλάγια) για την οπτική κατανόηση.
Οι τομογραφικές εικόνες είναι λεπτές τομές (που παράγονται από τις ακτίνες X στην
περίπτωση της υπολογιστικής τομογραφίας, ή από τους υπέρηχους στην περίπτωση της
ηχω-καρδιογραφίας) και επιτρέπουν την παρουσίαση της ανατομίας με έναν πιο
κατανοητό τρόπο επειδή αποφεύγουν τη σύγχυση που προκαλεί η αλληλεπικάλυψη
δομών.
Υπολογιστική απεικόνιση αξονικής τομογραφίας (CT ή CAT)
Η υπολογιστική τομογραφία είναι μια ψηφιακή τεχνική των ακτίνων X. Όπως στις
ακτίνες X, οι τελικές εικόνες προκύπτουν από τη διαφορετική απορρόφηση των
ακτίνων X στον ιστό, ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα που στηρίζεται πρώτιστα στο
ατομικό βάρος (και επομένως στην πυκνότητα ηλεκτρονίων) των διάφορων ιστών. Η
τεχνική χρησιμοποιεί μια επακριβώς παράλληλη δεσμίδα ακτίνων X που ακτινοβολεί
ένα μέρος του σώματος. Το ποσό της ακτινοβολίας που προκύπτει σε κάθε γραμμή
προβολής μετά από τη διέλευση από το σώμα, συλλέγεται από φωτοπολλαπλασιαστές
και μετράται ψηφιακά. Λαμβάνοντας γρήγορα εικόνες από πολλές διαφορετικές
προβολές, οι οποίες επιτυγχάνονται με γρήγορη περιστροφή της γεννήτριας αυτής και
των ανιχνευτών γύρω από το σώμα. Μόλις συλλεχθούν αυτές οι τιμές μετάδοσης,
επεξεργάζονται ψηφιακά και προβάλλονται αντίστροφα με μαθηματικό τρόπο (από μια
τεχνική γνωστή ως μετατροπή Fourier) σε ένα πίνακα που αντιπροσωπεύει τη λεπτή
διαφοροποίηση των πυκνοτήτων του ιστού. Η χαρτογράφηση αυτής της πυκνότητας
γίνεται με βάση την κλίμακα Hounsfield, όπου το οστούν είναι + 1000 και ο αέρας είναι
-1000. Δεδομένου ότι η εικόνα είναι ψηφιακή και αντιπροσωπεύει μια τομή, μπορούν
να συγκεντρωθούν πολλαπλές τομές και έτσι ένας όγκος να εμφανίζεται ως
τρισδιάστατη δομή σε μια οθόνη ή σε φιλμ.
Τεχνικές πυρηνικής ιατρικής
Οι εικόνες πυρηνικής ιατρικής προκύπτουν από τους ενέσιμους ραδιενεργούς
ανιχνευτές που στη συνέχεια εκπέμπουν ακτινοβολία μέσα από τα όργανα του
σώματος. Οι ραδιενεργές ενώσεις σχεδιάζονται ώστε να συσσωρεύονται επιλεκτικά
στους συγκεκριμένους ιστούς. Για παράδειγμα, το σπινθηρογράφημα πνευμόνων που
χρησιμοποιείται στη διάγνωση της πνευμονικής εμβολής, προκύπτει από τεχνήτιο
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
41
συνδεδεμένο με μακροσυγκεντρωτική λευκωματίνη, το οποίο όταν ενίεται σε μια
φλέβα, εναποτίθεται σχετικά ομοιόμορφα σε όλα τα φυσιολογικά μικροαγγεία του
πνεύμονα. Αυτό δημιουργεί μια εικόνα αποκλειστικά των πνευμόνων. Τα πνευμονικά
αγγεία που φράζουν από την εμβολή θα εμφανιστούν στην εικόνα σαν περιοχές φτωχές
σε φωτόνια.
Πυρηνική καρδιολογία
Υπάρχουν διάφορες μορφές απεικόνισης της καρδιάς με ραδιοϊσότοπα που
περιλαμβάνουν τεχνικές απεικόνισης του μυοκαρδίου. Στην απεικόνιση του
μυοκαρδίου, ραδιοϊσότοπα όπως το θάλλιο 201 που είναι ανάλογο του καλίου,
συσσωρεύονται επιλεκτικά στο μυοκάρδιο. Επομένως, οι εμφραγματικές ή ισχαιμικές
περιοχές του μυοκαρδιακού τοιχώματος απεικονίζονται λιγότερο φωτεινές σε σύγκριση
με το φυσιολογικό μυοκάρδιο. Εκτός από το θάλλιο χρησιμοποιούνται και άλλα
ραδιονουκλεϊδια όπως το τεχνήτιο.
Η SPECT είναι μια τεχνική της Πυρηνικής Ιατρικής που χρησιμοποιεί πολλαπλές
ψηφιακές πυρηνικές εικόνες του μυοκαρδίου, επιτρέποντας τομογραφική
ανακατασκευή των επιμέρους τμημάτων. Η SPECT γ-camera είναι ένας μεγάλος
κρύσταλλος σπινθηρισμού που συνδέεται με πολλαπλούς φωτοπολλαπλασιαστές που
ανιχνεύουν την ακτινοβολία που προέρχεται από το σώμα. Η τεχνολογία της
τομογραφίας της SPECT προκύπτει τοποθετώντας την κεφαλή της γ-camera σε
διαφορετικές γωνίες γύρω από το σώμα συγκεντρώνοντας όσο πιο πολλές εικόνες των
180° σε συγκεκριμένα γωνίες.
Διοισοφαγική ηχωκαρδιογραφία
Η διοισοφαγική ηχωκαρδιογραφία εκτελείται χρησιμοποιώντας ένα μικροσκοπικό
μετατροπέα υπερήχων υψηλής συχνότητας (5 MHz) που τοποθετείται στην άκρη ενός
γαστροσκοπικού σωλήνα με διάμετρο περίπου 12mm. Χρησιμοποιώντας τοπική
αναισθησία και ένα ελαφρύ ηρεμιστικό, τα περισσότερα άτομα μπορούν να καταπιούν
το όργανο (καθετήρα) χωρίς δυσκολία. Επειδή ο μετατροπέας βρίσκεται στον κατώτερο
οισοφάγο σε άμεση στενή επαφή με το οπίσθιο τμήμα της καρδιάς, οι εικόνες είναι
θαυμάσιες, δεδομένου ότι δεν υπάρχει καμία παρέμβαση από τους ιστούς του
πνεύμονα.
MRI
Η απεικόνιση με εικόνες MRI εξαρτάται από τη βύθιση του σώματος σε ένα σταθερό,
ισχυρό μαγνητικό πεδίο, συνήθως μέχρι 1.5 Tesla (δηλ. 15.000 Gauss, για σύγκριση το
μαγνητικό πεδίο της γης είναι περίπου 0.5 Gauss).
Ορισμένα μοντέρνα μηχανήματα MRI ολόσωμης απεικόνισης (π.χ. αρκετά μεγάλη
διάμετρο ανοίγματος για να δεχτούν έναν ανθρώπινο θώρακα) λειτουργούν τώρα σε 4 ή
περισσότερα Tesla. Τα άτομα υδρογόνου κυριαρχούν στο νερό που αποτελεί περίπου
70% της μάζας του σώματος και έχουν μια διπολική ιδιότητα λόγω των
χαρακτηριστικών περιστροφών τους (spin). Αυτά τα περιστρεφόμενα άτομα
επηρεάζονται από το μαγνητικό πεδίο.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
42
Προκαλώντας με τη βοήθεια του μαγνήτη, τους ιστούς του σώματος σε μια πρόσθετη
κλίση (gradient) του μαγνητικού πεδίου για να προετοιμασθεί ένα συγκεκριμένο τμήμα
του σώματος για απεικόνιση και προσθέτοντας έναν συντονισμένο παλμό
ραδιοσυχνότητας, επιτρέπει τη διέγερση των πυρήνων υδρογόνου, που λόγω του
μαγνητικού περιβάλλοντός τους και της διέγερσής τους, αλλάζουν προσωρινά την
κατεύθυνση του καθαρού μαγνητικού άξονά τους. Αυτή η διέγερση μεταπίπτει γρήγορα
σε μια χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση, εκπέμποντας το μοναδικό σήμα
ραδιοσυχνότητας που μπορεί να ανιχνευθεί από μια εξωτερική σπείρα
ραδιοσυχνότητας. Από αυτά τα σήματα υπάρχουν μαθηματικές μέθοδοι υπολογισμού
εικόνων που παράγουν τις σχετικές με τους ιστούς εικόνες. Η σχετική φωτεινότητα των
μεμονωμένων σημείων στην απεικόνιση MRI ενός μέρους του σώματος παρέχει
πληροφορίες όχι μόνο για τη σχετική περιεκτικότητα σε υδρογόνο εκείνου του
στοιχείου όγκου (voxel), αλλά και μια μοναδική απεικόνιση του τοπικού μοριακού και
μαγνητικού περιβάλλοντος, μοναδικού στην ομάδα ατόμων υδρογόνου στα
συγκεκριμένα μοριακά και τοπικά μαγνητικά περιβάλλοντα.
Το αποκαλούμενο "λειτουργικό MRI" (functional) ανιχνεύει τις διαφορές μεταξύ του
κεκορεσμένου οξυγόνου και του ακόρεστου αίματος. Κατά συνέπεια μπορούν να
ανιχνευθούν οι διαδικασίες λειτουργίας του εγκεφάλου όπως η όραση, ο έλεγχος και η
ομιλία λόγω της τοπικής κατανάλωσης σε οξυγόνο όταν ενεργοποιείται.
Ανακατασκευή εικόνας
Η πιο σπουδαία εφαρμογή της ανακατασκευής εικόνας συναντάται στην αξονική
(υπολογιστική) τομογραφία. Αυτή η τεχνική που παράγει εικόνες διατομών του
σώματος με τη βοήθεια μίας στενής δέσμης ακτίνων Χ θα ήταν αδύνατη χωρίς τη
βοήθεια του Η/Υ.
Η στενή δέσμη των ακτίνων (στα σύγχρονα μηχανήματα μία ομάδα δεσμών από
ακτίνες Χ) εξασθενεί καθώς διέρχεται μέσα από τους διάφορους ιστούς του σώματος
και επομένως η ένταση των εξερχομένων ακτίνων εξαρτάται από τους συντελεστές
εξασθένησης όλων αυτών των ιστών (δέρμα, λίπος, μυς, ήπαρ, όγκοι, οστά κλπ.). Οι
μαθηματικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τους υπολογισμούς δεν πρόκειται να
αναφερθούν εδώ, όμως για να σχηματίσει κανείς μία ιδέα της πολυπλοκότητας των
υπολογισμών αρκεί να σκεφθεί ότι για να δημιουργηθεί μία εικόνα σε 64x64 pixels
πρέπει να λυθούν ταυτόχρονα εξισώσεις που προκύπτουν από 64x64 μετρήσεις
εξασθενίσεως της έντασης της ακτινοβολίας. Οι σύγχρονοι τομογράφοι χρησιμοποιούν
μία διαφορετική μαθηματική τεχνική που ονομάζεται «filtered back-projection». Αυτή
η μέθοδος απαιτεί επίσης χιλιάδες υπολογισμούς για κάθε εικόνα αλλά οι αλγόριθμοι
είναι πολύ αποτελεσματικοί και γρήγοροι.
Όταν ολοκληρωθεί η μαθηματική επεξεργασία, εμφανίζεται η απάντηση σαν ψηφιακή
εικόνα σε γραφική παράσταση με το επίπεδο του γκρίζου καθενός pixel ανάλογη της
εξασθένισης των ακτίνων Χ εξαιτίας του αντίστοιχου στοιχειώδους ιστού στην τομή
του σώματος. Ο τομογράφος μπορεί να διακρίνει 2000 επίπεδα συντελεστή
εξασθένισης, που είναι αρκετά περισσότερα από 100 επίπεδα της grayscale που μπορεί
να δει το ανθρώπινο μάτι. Αυτά τα επίπεδα εξασθένισης αριθμούνται από -1000 για τον
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
43
αέρα ως +1000 για τα οστά, με τους περισσότερους ιστούς όπως οι μυς και το ήπαρ
κοντά στο 0. Ο χειριστής του τομογράφου μπορεί να προσαρμόσει τα επίπεδα του γκρι
στην εικόνα της οθόνης έτσι ώστε να εμφανίζονται οι λεπτομέρειες. Έτσι π.χ. η
απεικόνιση των πνευμόνων απαιτεί επίπεδα από -300 έως -500 ενώ οι λεμφαδένες στο
υπογάστριο εμφανίζονται καθαρότερα σε εύρος από -50 έως +100.
Σε κάθε τομογράφο χρησιμοποιούνται ένας ή δύο Η/Υ για να εκτελέσουν τους
αλγόριθμους ανακατασκευής, να αποθηκεύσουν τις ψηφιακές εικόνες και να τις
παρουσιάσουν ανάλογα με την κλίμακα αμαυρώσεως που ζητείται. Ακόμη ο Η/Υ
μπορεί να απορρίπτει πλασματικές πληροφορίες που παράγονται κοντά σε
ανομοιογενείς ιστούς που συγγενεύουν (αέρας στο έντερο ή τα οστά με τον εγκέφαλο).
Παρόμοιες τεχνικές ανακατασκευής εικόνων χρησιμοποιούνται:
1. Στην τομογραφία εκπομπής (PET). Για να γίνει η εξέταση αυτή χορηγείται στον
ασθενή μία δόση ενός ραδιενεργού ισοτόπου σε κατάλληλη χημική μορφή ώστε
να συγκεντρώνεται σε εκείνο το όργανο του σώματος που θέλουμε να
απεικονισθεί. Οι εκπεμπόμενες ακτίνες-γ ανιχνεύονται έξω από το σώμα σε μία
σειρά από ανιχνευτές και οι μετρήσεις από αυτούς χρησιμοποιούνται για την
ανακατασκευή μίας εικόνας που προέρχεται από την ακτινοβολία που εκπέμπει
μία τομή του σώματος. Αυτή η τεχνική παρουσιάζει μεγαλύτερη ακτινοβολία
όταν εκπέμπονται ποζιτρόνια από τα αντίστοιχα ισότοπα που τα ελευθερώνουν.
2. Στην απεικόνιση με πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό. Η τομογραφία με
πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό (NMR), κατασκευάζει μία εικόνα των
συγκεντρώσεων του ατόμου του υδρογόνου στο σώμα.
3. Στην υπερηχοτομογραφία. Οι υπέρηχοι μπορεί να χρησιμοποιηθούν για να
απεικονίσουν τις εσωτερικές επιφάνειες μεταξύ των ιστών.
Οι δύο τελευταίες μέθοδοι παράγουν εικόνες χωρίς να εκθέτουν τον ασθενή σε
ιοντίζουσα ακτινοβολία. Τα μελλοντικά επιτεύγματα θα βασίζονται στην
ανακατασκευή των τρισδιάστατων εικόνων με τη βοήθεια της στερεοσκοπίας ή
ολογραφικών σχεδίων.
Επεξεργασία των εικόνων
Έχουν επινοηθεί αρκετά πολύπλοκες τεχνικές για την επεξεργασία των εικόνων με
σκοπό την βελτίωσή τους. Και εδώ βοήθησε πολύ η πείρα από την ενίσχυση των
εικόνων που λαμβάνονται από δορυφόρους ή διαστημόπλοια. Αυτές οι εικόνες
παίρνονται κάτω από άσχημες συνθήκες με ελάχιστο φωτισμό, περίεργες αντιθέσεις,
κηλιδώσεις και αρκετό θόρυβο που παρεμβάλλεται στη μεταφορά της εικόνας. Για
παράδειγμα επεξεργασίας εικόνων στην ιατρική θα εξετάσουμε τα σπινθηρογραφήματα
που παράγονται από τους τομογράφους και τις γ-κάμερες στην πυρηνική ιατρική. Η
ειδικότητα αυτή ήταν πιθανά η πρώτη που χρησιμοποίησε τεχνικές επεξεργασίες
εικόνας στα νοσοκομεία.
Στην Πυρηνική Ιατρική χορηγείται ένα ραδιοφάρμακο στον ασθενή με το όργανο που
θέλουμε να απεικονίσουμε. Αυτό συγκεντρώνεται στο όργανο που μας ενδιαφέρει (π.χ.
εγκέφαλος, πνεύμονες). Το ραδιοφάρμακο συνήθως ενίεται στον άρρωστο και έτσι
μέσω της κυκλοφορίας μεταφέρεται και συγκεντρώνεται στο όργανο. Ο χρόνος για την
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
44
απεικόνιση εκλέγεται όταν επιτυγχάνεται η μέγιστη συγκέντρωση στο όργανο. Ο
χρόνος για την απεικόνιση εκλέγεται όταν επιτυγχάνεται η μέγιστη συγκέντρωση στο
όργανο που στοχεύουμε. Χρησιμοποιούνται ραδιενεργά ισότοπα που εκπέμπουν
ακτίνες-γ, έτσι ώστε η ακτινοβολία του οργάνου μπορεί να ανιχνευθεί έξω από το σώμα
του ασθενή. Ο ανιχνευτής, συνήθως μία γ-κάμερα, κατασκευάζει μία εικόνα βασισμένη
στον αριθμό των ακτίνων που προσπίπτουν στον κρύσταλλό της από κάθε μέρος του
οργάνου συν τις ανεπιθύμητες ακτινοβολίες υποστρώματος (background) και την
ακτινοβολία σκεδάσεως (scatter).
Ο αριθμός των ακτίνων που ανιχνεύονται από την γ-κάμερα εξαρτάται από τη
συγκέντρωση της ραδιενέργειας στο όργανο που απεικονίζεται και από το χρόνο που
πέρασε από τη στιγμή της χορήγησης του φαρμάκου.
Γενικά, η ακρίβεια της τελικής εικόνας της ραδιενέργειας μέσα στο σώμα αυξάνεται με
τον αριθμό των ακτίνων που συλλαμβάνει ο ανιχνευτής. Δεν μπορούμε όμως να
αυξήσουμε τον αριθμό των κρούσεων απεριόριστα επειδή υπάρχει περιορισμός, τόσο
στο ποσό της ραδιενέργειας που μπορεί να χορηγηθεί με ασφάλεια στον ασθενή, όσο
και στη χρονική διάρκεια μέτρησης χωρίς να αλλάξει η εικόνα, επειδή υπάρχει
φυσιολογική ανακατανομή του ισοτόπου.
Έτσι π.χ. εάν μία εικόνα 100cm2 πρόκειται να αποτελεσθεί από 100.000 συνολικές
κρούσεις, θα είναι κατά μέσο όρο μόνο 100 κρούσεις/cm2 για να δώσουν πληροφορίες
για την τοπική συγκέντρωση της ραδιενέργειας. Τα λάθη στις μετρήσεις αυτές είναι της
τάξης του 10% και οφείλονται στην τυχαία φύση της ραδιενεργού ακτινοβολίας. Το
αποτέλεσμα θα είναι μία κακή εικόνα δεδομένου ότι για μία καλή διαγνωστική εικόνα
απαιτείται ανάλυση λίγων χιλιοστών.
Η ποιότητα της εικόνας ελαττώνεται επίσης εάν συλλεγεί από τον ανιχνευτή
ανεπιθύμητη ακτινοβολία. Πηγές τέτοιων ακτινοβολιών είναι:
•
•
•
Το φυσιολογικό background
Ακτινοβολία από το αίμα και τους άλλους υπερκείμενους ιστούς και
Ακτινοβολία από άλλα μέρη του σώματος που σκεδάζεται στο πεδίο που μας
ενδιαφέρει
Το σύστημα του ανιχνευτή μπορεί να εισάγει επίσης παραμορφώσεις και ηλεκτρονικό
θόρυβο.
Ο ανιχνευτής και τα κυκλώματά του είναι σχεδιασμένα για να ελαχιστοποιούν τα
αποτελέσματα αυτών των παραγόντων. Έτσι, ένας μολύβδινος κατευθυντής μπροστά
από τον ανιχνευτή ελαττώνει τόσο το background όσο και τη σκέδαση, ενώ παράλληλα
απαγορεύει στις ακτινοβολίες χαμηλότερης ενέργειας να φθάνουν στον ανιχνευτή.
Σε πολλές περιπτώσεις η εικόνα που λαμβάνεται χωρίς καμία απολύτως επεξεργασία
είναι επαρκής για τη διάγνωση, αλλά εάν αυτή η τελευταία εξαρτάται από την
ανίχνευση μίας μικρής «ψυχρής» ή «θερμής» περιοχής σε σχέση με την υπόλοιπη
εικόνα, τότε πρέπει η εικόνα να είναι όσο το δυνατόν περισσότερο καθαρή ώστε να
ανιχνεύονται αξιόπιστα αυτές οι πολύ μικρές διαφορές.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
45
Η εικόνα μίας γ-κάμερα καταχωρείται σε μία μήτρα αριθμών (π.χ. 256x256) ανάλογα
με τη ραδιενέργεια που ανιχνεύεται από κάθε «σημείο» του πεδίου ενδιαφέροντος.
Αυτοί οι αριθμοί μπορούν να αποθηκευτούν σε ψηφιακή μορφή και να καταγραφούν
για μετέπειτα επεξεργασία (off line). Εάν όμως τα δεδομένα δεν είναι πολλά τότε η
επεξεργασία μπορεί να γίνεται ταυτόχρονα με τη λήψη (on line). Είναι αυτονόητο ότι
όταν υπάρχουν πολλές εικόνες τότε τα δεδομένα κάθε μίας πρέπει να καταγράφονται
γρήγορα στο δίσκο ώστε να αφήνουν χώρο για τις κρούσεις της επόμενης εικόνας.
Η επεξεργασία των αποθηκευμένων ψηφιακών εικόνων μπορεί να γίνει σε πολλά
βήματα: Ο Η/Υ μας παρέχει τη δυνατότητα να αφαιρέσουμε από την εικόνα του
ασθενούς μία άλλη, σημείο προς σημείο. Έτσι προκύπτει μία άλλη που κάθε σημείο της
αποτελείται από τη διαφορά των αντίστοιχων σημείων των δύο προηγούμενων. Με τον
τρόπο αυτό παράγονται π.χ. οι εικόνες από δύο ραδιοϊσότοπα. Ακόμη λόγω της
ψηφιδοποίησης που γίνεται στην εικόνα, μπορούμε να αφαιρέσουμε ένα ποσοστό (π.χ.
30%) από κάθε σημείο της εικόνας. Έτσι μπορούμε π.χ. να αφαιρέσουμε την
ανεπιθύμητη ακτινοβολία υποστρώματος (background). Με τους τρόπους αυτούς
μπορούμε να επεξεργασθούμε εικόνες ενός οργάνου είτε παίρνοντας αργότερα μία
εικόνα όταν όλη η ραδιενέργεια έχει φύγει από την περιοχή του ενδιαφέροντος ή
νωρίτερα όταν η ραδιενέργεια βρίσκεται μόνο στο αίμα. Αλλιώς, η αφαίρεση μπορεί να
γίνει με την υπόθεση ότι η ραδιενέργεια στο όργανο είναι η ίδια με εκείνη έξω από την
περιοχή ενδιαφέροντος.
Οι τοπικές διακυμάνσεις της ραδιενέργειας μπορούν επίσης να εξομαλυνθούν. Αυτή η
εξομάλυνση (smoothing) επιτυγχάνεται θεωρώντας κάθε σημείο μαζί με τα 8 άλλα που
το περιτριγυρίζουν. Ο Η/Υ υπολογίζει το μέσο όρο των 9 τιμών και τον καταχωρεί σαν
τιμή στη θέση του κεντρικού σημείου. Η εξομάλυνση εικόνας είναι το αποτέλεσμα από
τέτοιες επαναλαμβανόμενες εξαγωγές μέσων όρων.
Πιο πολύτιμες τεχνικές επεξεργασίας της εικόνας βασίζονται στο μετασχηματισμό
Fourier και άλλες μαθηματικές μεθόδους. Στο μετασχηματισμό Fourier η κατανομή των
εντάσεων στο χώρο μετατρέπεται σε κατανομή συχνοτήτων σε αυτόν. Σε αυτόν το
«χώρο Fourier» ορισμένα πλασματικά στοιχεία όπως π.χ. ο θόρυβος μπορούν να
φύγουν με σωστή αφαίρεση (φιλτράρισμα) των στοιχείων συχνότητας που σχετίζονται
με την πηγή του σφάλματος. Ακόμη είναι δυνατόν να περιστρέφουμε την εικόνα ή να
την επεξεργαστούμε με άλλους τρόπους (π.χ. στη μετασχηματισμένη κατάσταση
Fourier και πριν τον αντίστροφο μετασχηματισμό να την αναδημιουργήσουμε σαν
πρότυπο πυκνότητας).
Ακολουθώντας αυτούς τους τρόπους επεξεργασίας η παρουσίαση της εικόνας μπορεί
να αλλάξει. Έτσι οι αριθμοί σε μία μήτρα μπορεί να αναπαρασταθούν με pixels των
οποίων η πυκνότητα ή οι χρωματικές διακυμάνσεις διαμορφώνονται σύμφωνα με την
αντίστοιχη ραδιενέργεια. Εναλλακτικά, με την κατάλληλη επεξεργασία, μπορούν να
χαραχθούν ισοϋψείς καμπύλες ραδιενέργειας και τα επίπεδα που ορίζονται με αυτόν
τον τρόπο να απεικονισθούν σε ομότιμες σκιές του γκρίζου ή με διαφορετικά χρώματα.
Τα επίπεδα του χρώματος ή το εύρος της grayscale μπορούν να διαφοροποιηθούν για να
δυναμώσουν την αντίθεση στις περιοχές ενδιαφέροντος.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
46
Μπορούν ακόμα να γίνουν μερικές επιπρόσθετες μορφές επεξεργασίας π.χ. σε
συμμετρικές εικόνες, το αριστερό μισό μπορεί να αφαιρεθεί από το αντίστοιχο δεξί και
έτσι να αποκαλυφθούν με σύγκριση οι τυχόν ασυμμετρίες που υπάρχουν.
Αναγνώριση και ανάλυση εικόνας
Από όλες τις ανθρώπινες αισθήσεις, ίσως η πιο εξελιγμένη, είναι η οπτική ικανότητα.
Το πλήρες εύρος της ικανότητάς μας για αναγνώριση και σύγκριση υποδειγμάτων είναι
πέρα από κάθε ικανότητα οποιουδήποτε υπολογιστή που έχει σχεδιαστεί μέχρι σήμερα.
Το μάτι μπορεί να διακρίνει το Α, α σαν το ίδιο γράμμα χειρόγραφο ή τυπωμένο χωρίς
κανένα πρόβλημα. Τέτοιες αλλαγές μεγέθους, στυλ και προσανατολισμού εντελώς
απλών υποδειγμάτων απαιτούν προγράμματα αναγνώρισης για τον Η/Υ με μεγάλη
πολυπλοκότητα, πολλά από αυτά βρίσκονται ακόμη σε πειραματικό στάδιο και γι’ αυτό
δεν θα αναπτυχθούν εδώ.
Μεταφορά εικόνας και πρωτόκολλα επικοινωνίας (DICOM, PACS)
Το πρωτόκολλο DICOM
Επειδή υπάρχουν πολλοί κατασκευαστές ιατρικού hardware και software με εφαρμογές
στην απεικόνιση, από τους οποίους ο καθένας χρησιμοποιούσε τα δικά του
πρωτόκολλα, σύντομα δημιουργήθηκε η ανάγκη δημιουργίας λύσεων για την
επικοινωνία μεταξύ των διαφόρων μηχανημάτων. Έτσι δημιουργήθηκε το πρωτόκολλο
DICOM.
Το αρχικόλεξο DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine), σημαίνει
ένα πρωτόκολλο που καλύπτει το σύνολο της ψηφιακής απεικόνισης και της μετάδοσης
της στην Ιατρική. Όπως φαίνεται και από τον παραπάνω ορισμό, το DICOM
δημιουργήθηκε για να καλύψει τις αντίστοιχες ανάγκες της ιατρικής κοινότητας.
Αναπτύχθηκε αρχικά στις ΗΠΑ (1983) από τη συνεργασία του American College of
Radiology (ACR) και της National Electronics Manufacturers Association (NEMA).
Σύμφωνα με τους δημιουργούς του, το DICOM Standard έχει σαν σκοπό να:
1. Προάγει την επικοινωνία και τη μεταφορά ψηφιακών εικόνων, ανεξάρτητα από τον
κατασκευαστή του μηχανήματος που τις παρήγαγε
2. Διευκολύνει την ανάπτυξη και εξάπλωση του συστήματος αρχειοθέτησης και
επικοινωνίας εικόνων (picture archiving and communication systems, PACS) και να
μπορεί επίσης να διασυνδεθεί και με άλλα συστήματα πληροφορικής του
νοσοκομείου
3. Επιτρέψει τη δημιουργία βάσεων δεδομένων διαγνωστικών πληροφοριών που να
είναι προσπελάσιμες από διαφορετικά συστήματα πληροφόρησης ανεξάρτητα από
τη γεωγραφική τους θέση
Η αρχική έκδοση του DICOM standard (version 1.0) δημοσιεύθηκε το 1985,
ακολούθησε η έκδοση 2.0 και το 1988 οι ACR-NEMA δημοσίευσαν το DICOM 3.0.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
47
Από τότε ακολούθησαν μέχρι σήμερα διάφορες βελτιώσεις και προσαρμογές και από το
2003 καταργήθηκε η αρίθμηση και πλέον καλείται DICOM σκέτο. Θα πρέπει να
τονισθεί ότι η σχεδίαση του DICOM επιτρέπει τη συνεχή εξέλιξη και αναβάθμισή του
έτσι ώστε σταδιακά να απορρίπτονται παρωχημένες παράγραφοι του standard και να
προστίθενται νέες που να ανταποκρίνονται στη νέα τεχνολογία.
Το σύστημα PACS
Το σύστημα αρχειοθέτησης και μετάδοσης εικόνων (Picture Archiving and
Communication System, PACS) είναι ένα σύστημα ηλεκτρονικών υπολογιστών που
είναι αρμόδιο για τη ψηφιακή αρχειοθέτηση, αποθήκευση, διαχείριση και τη διανομή
των ιατρικών εικόνων τόσο μεταξύ διαφορετικών τμημάτων ενός νοσοκομείου όσο και
μεταξύ διαφορετικών νοσοκομείων ή οργανισμών, ερευνητικών κέντρων κτλ. Το PACS
είναι ενσωματωμένο στις ψηφιακές συσκευές απόκτησης και προβολής εικόνας και
συχνά συσχετίζεται με άλλα ιατρικά συστήματα πληροφοριών, όπως το ακτινολογικό
σύστημα πληροφοριών (Radiology Information System, RIS) ή το νοσοκομειακό
σύστημα πληροφοριών (Hospital Information System, HIS).
Είναι προφανές ότι ένα σύστημα PACS διαφέρει σημαντικά σε μέγεθος ανάλογα με τις
ανάγκες που καλείται να καλύψει. Για παράδειγμα, ένα τμήμα πυρηνικής ιατρικής
μεσαίου μεγέθους «παράγει» μερικά gigabytes εικόνων το χρόνο, ενώ ένα τμήμα
ακτινολογίας και πάλι μεσαίου μεγέθους, με CT, MRI, ψηφιακό ακτινογράφο μπορεί να
παράγει μερικά terabytes το χρόνο. Τα τελευταία χρόνια, παρατηρείται μια δραματική
αύξηση στην κλινική χρήση του PACS με σκοπό να βελτιώσει τη φροντίδα του
ασθενούς. Να σημειωθεί ωστόσο ότι το PACS είναι ένα σύνθετο και δαπανηρό
σύστημα τόσο όσον αφορά την απόκτησή του όσο και την συντήρησή του.
Ιστορία και εξέλιξη του PACS
Το PACS πρωτοεμφανίζεται στα τέλη της δεκαετίας του ’80. Όπως είναι προφανές, τα
πρώτα PACS δεν έχουν καμία σχέση με τα σύγχρονα συστήματα. Πιο συγκεκριμένα, το
φιλμ μιας απεικόνισης ετοποθετείτο σε μια ειδική συσκευή όπου υπήρχε μια
βιντεοκάμερα. Η εικόνα μετατρεπόταν σε σήμα video και απεικονιζόταν σε μια απλή
οθόνη με ανάλυση 512 σειρών ανά πλαίσιο. Το σύστημα αυτό δεν γνώρισε μεγάλη
αποδοχή καθώς αντιμετώπιζε σημαντικά προβλήματα, όπως:
• Μικρή αποτελεσματικότητα
• Χαμηλή ανάλυση εικόνας
• Μεγάλο κόστος αποθήκευσης των εικόνων
• Μικρές ταχύτητες μετάδοσης του σήματος
• Περιορισμός στην απόσταση μετάδοσης του σήματος
Η μικρή αποτελεσματικότητα οφείλετο στο γεγονός ότι ήταν αναγκαία η χειρωνακτική
ρύθμιση ορισμένων παραμέτρων και διαδικασιών όπως πχ η τοποθέτηση του φιλμ στην
ειδική συσκευή, η εστίαση της κάμερας και η ρύθμιση της αντίθεσης της εικόνας. To
μεγάλο κόστος, οι μικρές ταχύτητες μετάδοσης και ο περιορισμός στην εμβέλεια του
σήματος οφείλονταν σε τεχνολογικά εμπόδια της εποχής εκείνης.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
48
Όμως, το σκηνικό αλλάζει δραματικά με την αλματώδη ανάπτυξη της ψηφιακής
τεχνολογίας. Πιο συγκεκριμένα, η αύξηση της αποδοχής των σύγχρονων συστημάτων
PACS οφείλεται στους παρακάτω παράγοντες:
1. Μετάβαση από τα αναλογικά συστήματα απεικόνισης στα ψηφιακά
2. Μείωση του κόστους των υπολογιστών
3. Βελτίωση των ψηφιακών επικοινωνιών, συμπεριλαμβανομένων των δικτύων και
των πρωτοκόλλων επικοινωνίας
4. Μειωμένο κόστος και αυξανόμενη ταχύτητα των ηλεκτρονικών συσκευών
αρχειοθέτησης
5. Προσπάθειες τυποποίησης και συμβατότητας των προτύπων απεικόνισης. Η πιο
αξιοσημείωτη είναι η εφαρμογή του DICOM που προαναφέρθηκε.
Τα βασικά μέρη ενός PACS
To PACS αποτελείται από διάφορα μέρη (Σχήμα 1).
•
Οι ψηφιακές συσκευές απόκτησης εικόνων μεταδίδουν εικόνες στο PACS
όπου αποθηκεύονται ή διανέμονται στο δίκτυο. Οι εικόνες αυτές περιλαμβάνουν
όλες τις ψηφιακές απεικονίσεις όπως η υπολογιστική τομογραφία (CT), η
μαγνητική τομογραφία (MRI), απεικονίσεις της πυρηνικής ιατρικής, η
υπερηχοτομογραφία (US), η ψηφιακή ακτινογραφία, η ψηφιακή αγγειογραφία
και η ψηφιακή μαστογραφία. Οι μη ψηφιακές απεικονίσεις όπως πχ η τυπική
ακτινογραφία με φιλμ, μπορούν να ενσωματωθούν στο PACS μόνο εάν γίνουν
ψηφιακές. Κάτι τέτοιο επιτυγχάνεται με τη βοήθεια ειδικών scanners. Παρόλα
αυτά, η μετατροπή των αναλογικών εικόνων σε ψηφιακές είναι μια επίπονη
διαδικασία και προκαλεί τη μείωση της ποιότητας της εικόνας λόγω της
απώλειας δεδομένων. Γι’ αυτό το λόγο, σε πολλά απεικονιστικά κέντρα, η
εγκατάσταση του PACS γίνεται παράλληλα με τη μετάβαση από την αναλογική
ακτινογραφία στην ψηφιακή. Η ψηφιακή αγγειογραφία και η ψηφιακή
μαστογραφία είναι απεικονιστικές μέθοδοι που αρχίζουν σταδιακά να
ενσωματώνονται στο PACS.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
49
Σχήμα 1
•
Το δίκτυο είναι επιφορτισμένο με τη μετάδοση των δεδομένων μεταξύ των
διάφορων μερών του PACS. Οι πιο συνηθισμένες τεχνολογίες δικτύων
παρουσιάζονται στον Πίνακα 1, όπου και αναφέρεται το εύρος ζώνης
(bandwidth) και οι ταχύτητες - χρόνοι μεταφοράς κάθε τεχνολογίας.
Πίνακας 1
Τεχνολογία
Εύρος ζώνης
Δικτύου
Modem
56 kbits/sec
T1
1.54 Mbits/sec
Ethernet
10 Mbits/sec
Fast Ethernet
100 Mbits/sec
ATM*
155 Mbits/sec
Gigabit Ethernet
1 Gbit/sec
*ATM = asynchronous transfer mode.
•
Χρόνοι μεταφοράς
Ακτινογραφία
CT θώρακος
θώρακος
20 min
2 ώρες
43 sec
4.3 min
6.7 sec
40 sec
0.7 sec
4 sec
2.6 sec
2.6 sec
0.4 sec
0.4 sec
Μερικές φορές επίσης, παρεμβάλλονται στο δίκτυο «ενδιάμεσοι υπολογιστές».
Oι υπολογιστές αυτοί είναι απαραίτητοι για να «μεταφράσουν» τις εικόνες που
αποκτήθηκαν από συσκευές απεικόνισης διαφορετικών κατασκευαστικών
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
50
εταιριών στην «κοινή γλώσσα» (πρότυπο ή format) του DICOM. Από την άλλη
μεριά όμως, επιβαρύνουν το κόστος, απαιτούν μεγαλύτερο φυσικό χώρο και
παρουσιάζουν πρόσθετα προβλήματα στη συντήρηση. Επομένως, θα ήταν
ιδανικό αν μπορούσαν να εξαλειφθούν. Αυτό βεβαίως προϋποθέτει την απόλυτη
συμβατότητα όλων των συσκευών με το πρότυπο DICOM ή με ένα άλλο
παρόμοιο πρότυπο. Ένας μεγάλος αριθμός συστημάτων RIS συνεχίζονται να
κατασκευάζονται έτσι ώστε να χρησιμοποιούνται ανεξάρτητα από το PACS.
Βασίζονται στο λεγόμενο Επίπεδο Υγείας 7 (Health Level 7, HL7), ένα πρότυπο
μετάδοσης των ιατρικών πληροφοριών που αναπτύχθηκε από την Εταιρία
Συστημάτων Πληροφοριών και Διαχείρισης Υγειονομικής Περίθαλψης
(Healthcare Information and Management Systems Society, HIMSS). Έτσι, για
να αποφευχθεί ο πλεονασμός και η αναντιστοιχία δεδομένων, τα περισσότερα
PACS στηρίζονται στα RIS ως αρχική πηγή πληροφοριών των ασθενών. Κατά
συνέπεια, το PACS δεν λειτουργεί αποτελεσματικά χωρίς μια καλή σύνδεση και
συμβατότητα με το RIS. Αυτή η σύνδεση γίνεται συχνά με τη βοήθεια ενός
ενδιάμεσου υπολογιστή, ο οποίος μεταφράζει τα δεδομένα από HL7 σε DICOM
ή αντίστροφα. Δυστυχώς, η συμβατότητα δεν είναι πάντα ιδανική και επομένως
είναι πιθανό να παρουσιαστούν προβλήματα όπως για παράδειγμα
αναντιστοιχία δεδομένων. Κατά συνέπεια, σε ορισμένες περιπτώσεις είναι
απαραίτητη η παράλληλη λειτουργία και των δύο συστημάτων, RIS και PACS.
Σήμερα, προσφέρονται από πολλούς προμηθευτές συστήματα PACS και RIS
που είναι συνεργάζονται αρμονικά μεταξύ τους.
•
Ο διακομιστής (server) της βάσης δεδομένων είναι ο "εγκέφαλος" του PACS.
Αποτελείται συνήθως από έναν κεντρικό υπολογιστή με πολλαπλούς
επεξεργαστές, από μια μεγάλη μνήμη τυχαίας προσπέλασης (random-access
memory, RAM) και από μια μνήμη cache. Ο διακομιστής είναι υπεύθυνος για
την επεξεργασία των πληροφοριών, των χαρακτηριστικών και της προέλευσης
της εικόνας. Μερικά συστήματα PACS περιέχουν δύο τέτοιους κεντρικούς
υπολογιστές με σκοπό να ελαχιστοποιήσουν τους χρόνους επεξεργασίας. Σε
άλλα λιγότερο διαδεδομένα PACS, η λειτουργία του διακομιστή μοιράζεται σε
πολλαπλούς υπολογιστές μικρότερων δυνατοτήτων.
•
Το σύστημα αρχειοθέτησης είναι ένα σημαντικό συστατικό του PACS και
είναι επιφορτισμένο με την ηλεκτρονική αρχειοθέτηση των δεδομένων μιας
εικόνας. Συνήθως αποτελείται από πολλαπλά στοιχεία, με σκοπό την
αποθήκευση των δεδομένων της εικόνας είτε βραχυπρόθεσμα (και που
επομένως ανακαλούνται σχετικά γρήγορα) είτε μακροπρόθεσμα (που
ανακαλούνται πιο αργά) είτε τέλος για τη δημιουργία ενός αντιγράφου. Ο
διαχωρισμός μεταξύ βραχυπρόθεσμης και μακροπρόθεσμης αρχειοθέτησης,
εξαρτάται πρώτιστα από τις οικονομικές δυνατότητες, δεδομένου ότι η
τεχνολογία που επιτρέπει την άμεση προσπέλαση εικόνων που αποκτήθηκαν
πρόσφατα είναι τόσο ακριβή που δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε
μακροπρόθεσμη βάση. Στο σύστημα PACS η αποθήκευση των εικόνων γίνεται
συνήθως με «ιεραρχικές» μεθόδους, όπου οι πιο πρόσφατες εικόνες είναι
διαθέσιμες σε σειρές μαγνητικών σκληρών δίσκων και υπάρχει συνεχής
μεταφορά των παλαιότερων εικόνων σε μικρότερης ταχύτητας αλλά
μεγαλύτερης χωρητικότητας μέσα αποθήκευσης, όπως οι οπτικοί δίσκοι και οι
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
51
μαγνητικές ταινίες. Εντούτοις, με τη γρήγορη πτώση του κόστους της
τεχνολογίας, ο παραπάνω διαχωρισμός μειώνεται διαρκώς.
•
Το σύστημα απεικόνισης (soft-copy) είναι το τελευταίο και το πιο εμφανές
στοιχείο ενός PACS. Το σύστημα αυτό παρέχει τη δυνατότητα διαχείρισης των
χαρακτηριστικών και των παραμέτρων μιας εικόνας από τον γιατρό.
Αποτελείται από δύο μέρη: Ένα λογισμικό και μια συσκευή. Σε επίπεδο
λογισμικού, παρέχονται διάφορες επιλογές όπως η αναζήτηση και ανάκτηση
μιας εικόνας, η παρουσίασή της και οι διάφορες δυνατότητες διαχείρισης της
εικόνας όπως ο ορισμός του «παραθύρου» και η μεγέθυνση. Σε επίπεδο
συσκευής, χρησιμοποιούνται δύο τεχνολογίες: Ο σωλήνας καθοδικών ακτίνων
(cathode-ray tube, CRT) και η οθόνη υγρών κρυστάλλων (liquid crystal display,
LCD). Το σύστημα απεικόνισης είναι ένα κρίσιμο στοιχείο ενός PACS και κατά
συνέπεια μπορεί να έχει επιπτώσεις στην αποδοχή και την αποδοτικότητά του.
Αν και ο όρος PACS ταυτίστηκε αρχικά με την έννοια της απουσίας φιλμ,
πολλές λειτουργίες του επιβάλλουν τη χρήση του φιλμ επειδή ενδεχομένως
μπορεί σε ένα νοσοκομείο να υπάρχει έλλειψη οθονών απεικόνισης ή επειδή δεν
μπορούν να ακολουθήσουν τη νέα τεχνολογία οι γιατροί. Υπάρχουν πλέον στην
αγορά διαθέσιμοι ψηφιακοί εκτυπωτές υψηλής ανάλυσης που χρησιμοποιούν τις
"υγρές" ή νεότερες "ξηρές" τεχνολογίες. Αν και το φιλμ παραμένει στις μέρες
μας απαραίτητο, θα πρέπει να γίνουν προσπάθειες να εξαλειφθεί, έτσι ώστε να
μειωθεί και το κόστος του συστήματος PACS.
•
Η σύνδεση του δικτύου του PACS με το διαδίκτυο παρέχει στους γιατρούς τη
δυνατότητα πρόσβασης από μακριά σε ιατρικές εικόνες και κλινικές
πληροφορίες ενός ασθενούς. Βεβαίως, όταν η πρόσβαση γίνεται από ένα
εσωτερικό δίκτυο, η ασφάλεια των δεδομένων είναι άριστη. Κάτι τέτοιο δεν
ισχύει για την πρόσβαση μέσω διαδικτύου όπου τίθεται θέμα ασφαλείας.
Επίσης, ένα άλλο πρόβλημα του διαδικτύου είναι ότι μπορεί να παρουσιαστεί
απώλεια δεδομένων και επομένως μείωση της ποιότητας της εικόνας κατά τη
συμπίεση και μεταφορά της.
Πλεονεκτήματα του PACS
Το βασικότερο πλεονέκτημα ενός συστήματος PACS είναι η αύξηση της
αποτελεσματικότητας και της παραγωγικότητας τόσο του απεικονιστικού τμήματος όσο
και των υπολοίπων κλινικών ενός ιατρικού κέντρου. Πιο συγκεκριμένα:
•
Μειώνεται ή και εξαλείφεται η απώλεια των εικόνων. Πολλά νοσοκομεία
αναφέρουν ότι το ποσοστό των χαμένων απεικονίσεων φτάνει και το 20%. Η
απώλεια μιας εικόνας προκαλεί σοβαρά πρακτικά προβλήματα. Καταρχήν,
χρειάζεται να επαναληφθεί η εξέταση κάτι που προφανώς δεν είναι επιθυμητό
και εύκολο. Επίσης, καθυστερεί η διάγνωση και η θεραπεία με ενδεχόμενες
κλινικές επιπτώσεις. Τέλος, δεν σπαταλάται χρόνος για την ανεύρεση των
χαμένων εικόνων από το προσωπικό. Διάφορες έρευνες αναφέρουν ότι η
απώλεια εικόνων μειώθηκε δραματικά με την εγκατάσταση του PACS.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
52
•
•
•
•
•
Υπάρχει η δυνατότητα απεικόνισης της εξέτασης από οποιοδήποτε τερματικό
του νοσοκομείου και οποιαδήποτε στιγμή. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν οι
κλινικοί γιατροί διαφορετικών ειδικοτήτων να έχουν πρόσβαση στις
απεικονίσεις και τις εξετάσεις ενός ασθενούς χωρίς να χρειάζεται να μεταβούν
στο απεικονιστικό τμήμα.
Μία σημαντική εξέλιξη του PACS, είναι η χρήση των κλασικών internet
browser και των υπολογιστών PC ως μέσωv απεικόνισης. Με αυτόν τον τρόπο
δεν είναι απαραίτητη η χρήση ειδικών απεικονιστικών συσκευών αλλά μπορεί ο
χρήστης ιατρός να συνδεθεί με έναν κοινό υπολογιστή που απλά διαθέτει με μια
σχετικά καλή οθόνη. Επίσης, η δυνατότητα απεικόνισης μιας εξέτασης σε
οποιοδήποτε τερματικό είτε εντός είτε εκτός νοσοκομείου έχει μεγάλη κλινική
σημασία. Για παράδειγμα, ο θεράπων γιατρός μπορεί να επικοινωνήσει με έναν
συνάδελφο ή έναν έμπειρο ακτινολόγο και να πάρει μια δεύτερη γνώμη.
Διευκολύνεται η ανάκληση των εξετάσεων. Οι εικόνες αποθηκεύονται
αυτόματα στη βάση των δεδομένων και μπορούν να ανακληθούν πολύ εύκολα
χρησιμοποιώντας διάφορα κριτήρια όπως το όνομα του ασθενούς, η ημερομηνία
εξέτασης, το όνομα του θεράποντος ιατρού, το είδος εξέτασης κτλ. Επίσης, η
αναθεώρηση ή η σύγκριση μιας εξέτασης με μια παλιότερη γίνεται εύκολα και
άμεσα.
Η απεικόνιση των ακτινοδιαγνωστικών εξετάσεων σε οθόνες υψηλής ανάλυσης
παρέχει την δυνατότητα στο χρήστη να μεταβάλλει τις παραμέτρους της οθόνης
έτσι ώστε να έχει το καλύτερο αποτέλεσμα. Για παράδειγμα, η σωστή ρύθμιση
της αντίθεσης, καθιστά πιο εμφανή τη διαφορά μεταξύ μαλακών μορίων και
οστών. Βεβαίως σημαντικότατο ρόλο σε αυτό παίζει ο ψηφιακός ανιχνευτής και
η επεξεργασία της εικόνας από το ακτινοδιαγνωστικό τμήμα καθώς οι
δυνατότητες μιας οθόνης απεικόνισης είναι σχετικά περιορισμένες.
Μείωση του κόστους. Η μείωση του κόστους μιας εξέτασης οφείλεται κατά
κύριο λόγο στην ψηφιακή απεικόνιση και μερικώς στο PACS. Με την εξέλιξη
της ψηφιακής τεχνολογίας, τα μέσα αποθήκευσης γίνονται όλο και φθηνότερα
ενώ το κόστος του φιλμ παραμένει σχετικά σταθερό. Επίσης, εξοικονομούνται
χρήματα από την κατάργηση των χημικών ουσιών που χρησιμοποιούν τα
εμφανιστήρια και συγχρόνως μειώνεται και το πλήθος των τεχνικών. Ο
συνδυασμός του PACS με την εφαρμογή του ηλεκτρονικού φακέλου του
ασθενούς μπορεί να επιφέρει περαιτέρω μείωση του κόστους και της
αποδοτικότητας του συστήματος. Πάντως, αξίζει να επισημανθεί ότι τα
οικονομικά οφέλη δεν είναι τόσο μεγάλα όσο αναμένεται από πρώτη ματιά,
καθώς είναι αναγκαία η ύπαρξη εξειδικευμένων τεχνικών για τη συντήρηση και
ομαλή λειτουργία του PACS.
Μειονεκτήματα του PACS
•
Υψηλό κόστος αγοράς και συντήρησης. Βεβαίως, πρέπει να επισημανθεί ότι η
βελτίωση της παραγωγικότητας και της φροντίδας του ασθενούς που προκύπτει
από την εγκατάσταση ενός PACS, δικαιολογεί απόλυτα τα έξοδα. Άλλωστε,
πολλές φορές τα νοσοκομεία προβαίνουν σε αγορές ακριβών διαγνωστικών
μηχανημάτων (πχ PET) μόνο και μόνο γιατί εικάζεται ότι θα βελτιωθεί το
επίπεδο υπηρεσιών και θα ωφεληθεί εν τέλει η κοινότητα. Στην περίπτωση του
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
53
PACS, τα πλεονεκτήματα στην ποιότητα της παρεχόμενης υγείας και στη
φροντίδα του ασθενούς είναι αναμφισβήτητα.
•
Αν και το PACS μπορεί να θεωρηθεί μια ώριμη τεχνολογία, είναι πιθανό να
παρουσιάσει προβλήματα στη λειτουργία του. Μια ενδεχόμενη δυσλειτουργία
του συστήματος αυτού, θα έχει σημαντικές επιπτώσεις σε ολόκληρο το
νοσοκομείο. Γι’ αυτό το λόγο είναι απαραίτητη η παρουσία ειδικών τεχνικών
που θα παρέχουν επί τόπου τεχνική υποστήριξη.
•
Το PACS απαιτεί από τους χρήστες του βασικές γνώσεις ηλεκτρονικών
υπολογιστών. Αν και αυτό δεν αποτελεί σημαντικό πρόβλημα για τους νέους
γιατρούς, μπορεί να δημιουργήσει σημαντικές δυσκολίες στους παλιότερους.
•
Θέμα ασφάλειας των πληροφοριών του ασθενούς. Το πρόβλημα της ασφάλειας
τίθεται ουσιαστικά στην περίπτωση της σύνδεσης του PACS με το διαδίκτυο.
Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, ένα εσωτερικό σύστημα δεν παρουσιάζει
προβλήματα ασφαλείας.
Συμπίεση δεδομένων
Μια τυπική ακτινογραφία θώρακος
Αξονική τομογραφία 120 εικόνων
SPECT Thallium 201 αιμάτωσης μυοκαρδίου
Υπερηχοτομογραφία 60 εικόνων
Καρδιακός Καθετηριασμός
Ψηφιακή Μαστογραφία
απαιτεί περίπου
”
”
”
”
”
”
”
”
”
”
20 MBy
64 MBy
1 MBy
16 MBy
450-3000 MBy
32-220 MBy
Εργαστήρια
Οι Η/Υ εμφανίστηκαν στα κλινικά εργαστήρια αρκετά χρόνια μετά την είσοδο του
αυτοματισμού. Πράγματι εδώ και καιρό, οι αυτόματοι αναλυτές στην Βιοχημεία, οι
αυτόματοι απαριθμητές στην αιματολογία και οι αυτόματοι μετρητές ραδιενέργειας στα
εργαστήρια ραδιοϊσοτόπων έχουν απαλλάξει μεγάλο μέρος από την εργασία ρουτίνας
και έχουν επομένως μειώσει τον φόρτο εργασίας του προσωπικού.
Σήμερα, οι βιοϊατρικές βιομηχανίες χρησιμοποιούν ευρύτατα μικροεπεξεργαστές για
την κατασκευή συσκευών και οργάνων, όπως για παράδειγμα οι αυτόματοι αναλυτές
αερίων του αίματος, οι αντλίες έγχυσης κλπ.
Σε πολλές βιοϊατρικές εφαρμογές υπάρχει η δυνατότητα χρησιμοποίησης είτε ενός
μικροεπεξεργαστή, είτε ενός μικροϋπολογιστή. Η πρώτη λύση έχει σαφώς περισσότερα
πλεονεκτήματα γιατί ο μικροεπεξεργαστής είναι κατά πολύ μικρότερος και φθηνότερος,
ενώ ο μικροϋπολογιστής, συνήθως υπολειτουργεί-χρησιμοποιείται μόνο ένα μέρος των
δυνατοτήτων του. Μία τέτοια περίπτωση, όπου ο μικροεπεξεργαστής αντικαθιστά τον
μικροϋπολογιστή είναι τα ειδικά TV-monitors σε συνδυασμό με συστήματα απόκτησης
πληροφοριών, τα οποία ελέγχονται από μικροεπεξεργαστές και πρωτοεμφανίστηκαν
στην αγορά πριν δέκα περίπου χρόνια.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
54
Αλλά και από αισθητική άποψη τα μηχανήματα γίνονται πιο αποδεκτά από το χρήστη
και τον ασθενή και αντιδρούν ευνοϊκότερα στην ψυχολογία τους. Τέλος, οι
μικροεπεξεργαστές εξασφαλίζουν ταχύτερο και αρτιότερο service. Στα πλεονεκτήματα
αυτά αντιπαρατάσσεται, προς το παρόν, ένα μειονέκτημα: το σχετικό υψηλό κόστος
των παραπάνω συσκευών.
Στα εργαστήρια οι υπολογιστές χρησιμοποιούνται κυρίως σε δύο τομείς: Ο ένας είναι η
διοίκηση και η ροή των δεδομένων και ο δεύτερος είναι η ανάπτυξη και η βελτίωση της
αυτόματης αναλύσεως.
Η εργασία ενός εργαστηρίου αρχίζει όταν λαμβάνεται μία παραγγελία από μία κλινική
για εξετάσεις. Σε ένα ολοκληρωμένο σύστημα, αυτή η απαίτηση εμφανίζεται στο
τερματικό ή στον εκτυπωτή του εργαστηρίου. Κατόπιν οργανώνεται το σχέδιο
εργασίας, ρυθμίζοντας το προσωπικό το οποίο κάνει τη συλλογή των δειγμάτων. Καθώς
φθάνουν οι εντολές, ο κωδικός του ασθενή εκτυπώνεται σε ετικέτες για όλα τα
δείγματα. Το σύστημα το οποίο χρησιμοποιείται ποικίλλει. Πολλοί χρησιμοποιούν
εκτύπωση κανονικών ονομάτων, άλλοι το σύστημα με barcode, δηλαδή κώδικα
γραμμών. Οι δοκιμαστικοί σωλήνες οι οποίοι πλέον έχουν τις ετικέτες και που
περιέχουν τα δείγματα θα πρέπει να ελεγχθούν σε αντιπαραβολή με τις εντολές των
εργαστηριακών εξετάσεων καθώς επιστρέφουν πίσω στο εργαστήριο. Ο υπολογιστής
μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προετοιμάσει ένα σχέδιο εργασίας αλλά θα πρέπει να
υπάρχει η δυνατότητα να δίνεται προτεραιότητα σε ορισμένα δείγματα που προέρχονται
π.χ. από επείγοντα περιστατικά.
Αφού έχει γίνει αυτή η αρχική εργασία, τα δείγματα ταξινομούνται σε ομάδες με
κατάλληλους ελέγχους. Σε κάθε σταθμό ελέγχου, οι κωδικοί των δειγμάτων θα πρέπει
να διαβαστούν και να καταχωρηθούν και τα δείγματα να προσαχθούν για ανάλυση.
Κάθε στιγμή το προσωπικό του εργαστηρίου μπορεί να ρωτήσει τον υπολογιστή για να
ανακαλύψει κατά πόσο ένα συγκεκριμένο δείγμα έχει επεξεργαστεί διαμέσου του
συστήματος. Όταν τελειώσει η ανάλυση, τα αποτελέσματα από τους αναλυτές
τροφοδοτούνται στη μνήμη του εργαστηριακού υπολογιστή έως ότου απαιτηθεί κάποια
εκτύπωση. Τα αποτελέσματα για κάθε ασθενή μπορούν να εκτυπωθούν ή να
απεικονισθούν σε μία VDU. Συνήθως ελέγχονται για συνέχεια, δηλαδή αν είναι πλήρη,
προτού αποσταλούν είτε σαν εκτυπωμένη σελίδα, ή διαμέσου των διαύλων του Η/Υ για
να συμπεριληφθούν στο φάκελο του ασθενή σε ένα αρχείο του κεντρικού υπολογιστή.
Η παρουσίαση των αποτελεσμάτων συνήθως περιλαμβάνει και τις φυσιολογικές τιμές
για σύγκριση με την τιμή που βρέθηκε από την εργαστηριακή ανάλυση και επίσης έναν
κατάλογο των προηγούμενων αποτελεσμάτων του ασθενούς έτσι ώστε να μπορούν να
παρακολουθούνται τα αποτελέσματα και η πρόοδος της θεραπείας. Τέλος, σε ένα
ολοκληρωμένο σύστημα νοσοκομείου, οι πληροφορίες μπορεί να είναι διαθέσιμες στο
τερματικό της προϊσταμένης της συγκεκριμένης κλινικής όπου νοσηλεύεται ο ασθενής,
αλλά τέτοια αποτελέσματα θα πρέπει να αναγράφονται σαν πληροφοριακά έως ότου
επαληθευθούν από τον αρμόδιο γιατρό.
Ο υπολογιστής του εργαστηρίου επίσης εκτυπώνει ημερήσιες αναλύσεις του αριθμού
των εξετάσεων που έχουν διεξαχθεί και μπορεί να καταγράφει τις μέσες τιμές οι οποίες
ελήφθησαν για δείγματα ασθενών και για κάθε εξέταση, έτσι ώστε να μπορούν να
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
55
βρεθούν με στατιστική μέθοδο τα πιθανά λάθη. Το σύστημα επίσης μπορεί να κρατάει
ένα αρχείο σε ένα φάκελο της κλινικής όλων των ασθενών στο νοσοκομείο με
πληροφορίες για τις εξετάσεις που εκτελούνται την κάθε στιγμή για αυτούς τους
ασθενείς π.χ. οι διαβητικοί απαιτούν μία τακτική σειρά αιμοληψιών για να βοηθηθεί η
ρύθμιση της θεραπείας. Ο Η/Υ εκτυπώνει έναν κατάλογο υπενθυμίζοντας κάθε μέρα
ποιοι είναι οι ασθενείς που χρειάζονται τέτοια δειγματοληψία.
Βιοχημεία
Σήμερα υπάρχουν αυτόματοι αναλυτές που μπορούν να κάνουν παράλληλα πολλές
βιοχημικές εξετάσεις την ώρα, μετρώντας ταυτόχρονα στάθμες ηλεκτρολυτών,
γλυκόζη, ουρία, κρεατινίνη κλπ. Οι αναλυτές χωρίζουν τα δείγματα, προσθέτουν
αντιδραστήρια, ανακατώνουν, διαλύουν, επωάζουν ή θερμαίνουν και μετρούν τα
αποτελέσματα των αντιδράσεων χρησιμοποιώντας φασματόμετρα, ροόμετρα,
νεφελόμετρα ή φλογοφωτόμετρα. Τα αποτελέσματα από κάθε κανάλι μετρήσεως
αναφέρονται στη συγκέντρωση μίας συγκεκριμένης παραμέτρου στο δείγμα. Οι
μετρήσεις εμφανίζονται σαν μία σειρά από κορυφές ή βυθίσματα σε ένα καταγραφικό
τάσεως από έναν φωτοευαίσθητο ανιχνευτή. Κάθε κορυφή αντιπροσωπεύει την
ανάγνωση είτε από ένα στοιχείο ελέγχου, ή από ένα κλινικό δείγμα. Σε αυτό το σημείο
οι μικροϋπολογιστές έχουν εισαχθεί:
ƒ
Για να αφαιρούν το θόρυβο από τα ηλεκτρικά σήματα
ƒ
Για να ελέγχουν τα σφάλματα μετρήσεων
ƒ
Για να ελέγχουν το σχήμα της κορυφής του σήματος για αρκετό μέγεθος
δειγματοληψίας. Τα μικρά δείγματα δίνουν στενές κορυφές οι οποίες δεν φθάνουν
μια τιμή εξισορροπήσεως
ƒ
Να ελέγχουν για δείγματα τα οποία λείπουν (ανακατωμένα δείγματα τα οποία
μπορούν να έχουν μπερδευτεί κλπ.). Ο υπολογιστής μπορεί να διορθώνει και να
προειδοποιεί για λάθη μετρήσεων π.χ. αλλαγές στη βαθμονόμηση κλπ. Τέλος όταν
έχουν γίνει όλα τα παραπάνω, ο αυτόματος αναλυτής μπορεί είτε να εκτυπώσει τα
αποτελέσματα δίπλα στον κάθε κωδικό αριθμό του δείγματος ή να κατευθύνει τα
αποτελέσματα με ψηφιακή μορφή στη μνήμη ενός υπολογιστή.
Αιματολογία
Η παραδοσιακή μέτρηση των ερυθροκυττάρων του αίματος χρησιμοποιώντας ένα
μικροσκόπιο και ένα αιμοκυττόμετρο έχει αντικατασταθεί από τον απαριθμητή Coulter.
Αυτό το όργανο μπορεί να είναι εφοδιασμένο με μια ψηφιακή έξοδο για κατευθείαν
σύνδεση με τα αρχεία ενός υπολογιστή. Μετά από κατάλληλη χρώση των κυττάρων οι
στάθμες του φωτός ή οι βαθμοί του φθορισμού ποικίλλουν ανάμεσα στους διάφορους
τύπους των κυττάρων που μετρώνται. Όπου η μέτρηση ακόμα διεξάγεται με
μικροσκόπιο και επίχρισμα αίματος, η διαφορική μέτρηση των λευκοκυττάρων μπορεί
να αυτοματοποιηθεί με τη χρήση μίας συσκευής με πολλά πλήκτρα. Ένα πάτημα σε ένα
πλήκτρο κατάλληλα κωδικοποιημένο, καταγράφει μέσα στον υπολογιστή ότι
παρατηρήθηκε ο αντίστοιχος τύπος κυττάρων. Εάν χρειάζεται σχόλια για την εμφάνιση
των κυττάρων τότε απαιτείται ένα τερματικό τύπου VDU με ένα κατάλληλο πρόγραμμα
με κατάλογο επιλογής για να εισέρχονται οι επιπρόσθετες πληροφορίες στο φάκελο του
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
56
ασθενή. Με τον ίδιο τρόπο, μπορεί επίσης να αυτοματοποιηθούν προσδιορισμοί των
αερίων του αίματος.
Ιστολογία και Κυτταρολογία
Αν και η περισσότερο κοπιαστική ρουτίνα είναι η προετοιμασία των ιστολογικών
τομών, τα παθολογοανατομικά δείγματα πρέπει στη συνέχεια να εξεταστούν από ένα
πεπειραμένο παθολογοανατόμο. Η διαδικασία αυτή μπορεί να απλοποιηθεί με τη
βοήθεια Η/Υ εάν ο παθολογοανατόμος καταγράφει τα ευρήματα συνήθως
χρησιμοποιώντας έναν σταθερό κώδικα π.χ. έναν κατάλογο με λέξεις-κλειδιά και
φράσεις οι οποίες χρησιμοποιούνται στην παθολογοανατομική διάγνωση σε συνδυασμό
με ένα πακέτο επεξεργασίας κειμένου. Ο χρήστης κάθεται στο μικροσκόπιο μαζί με ένα
φωτεινό στυλό (light pen). Πρώτα από όλα καταγράφει τον κωδικό του ασθενή από την
ετικέτα σε κάθε παρασκεύασμα και κατόπιν στέλνει τα σχόλιά του στον υπολογιστή
χρησιμοποιώντας το στυλό του barcode για να επιλέξει τις κατάλληλες λέξεις και
φράσεις από τον κατάλογο. Όπου ο κατάλογος των λέξεων είναι ανεπαρκής μπορεί να
προστεθεί ένα κωδικοποιημένο σχόλιο.
Υπολογιστές και Θεραπεία
Η χρήση των Η/Υ στη θεραπεία δεν είναι τόσο διαδεδομένη όπως π.χ. στη διάγνωση.
Παρόλα αυτά σήμερα οι Η/Υ εφαρμόζονται σε πολλούς θεραπευτικούς τομείς αλλά τις
περισσότερες φορές η χρήση τους δεν έχει γίνει ακόμα καθημερινή ρουτίνα. Υπάρχει
μία μεγάλη εξαίρεση και αυτό είναι η ακτινοθεραπεία όπου οι υπολογιστές
χρησιμοποιούνται από αρκετά χρόνια στη σχεδίαση της θεραπείας.
Σχεδίαση Ακτινοθεραπείας
Η βάση της ακτινοθεραπείας είναι ότι δέσμες από συγκεντρωμένη ακτινοβολία Χ ή
ακτίνες γ κατευθύνονται μέσα στο σώμα για να σκοτώσουν τα νεοπλασματικά κύτταρα.
Η ακτινοθεραπεία θα έχει καλύτερα αποτελέσματα όταν το καρκίνωμα δεχθεί μια
θεραπευτική δόση ακτινοβολίας, ενώ συγχρόνως οι υγιείς ιστοί που περιβάλλουν το
νεοπλασματικό υποστούν όσο το δυνατόν λιγότερες βλάβες. Οι βέλτιστες αυτές
συνθήκες ακτινοβόλησης επιτυγχάνονταν – όσο το δυνατόν – παλιότερα με τη χρήση
ειδικών πινάκων, οι οποίοι δίνουν την απορρόφηση των διαφόρων ακτινοβολιών μέσα
στο ανθρώπινο σώμα, μετά από κουραστικούς υπολογισμούς. Επειδή οι ακτίνες Χ
εξασθενούν κατά τη δίοδό τους από το ανθρώπινο σώμα, η δόση της ακτινοβολίας η
οποία αποδίδεται σε έναν ιστό εξασθενεί όσο αυτός βρίσκεται βαθύτερα μέσα στο
σώμα. Συνεπώς, για να δοθεί μία επαρκής δόση σε ένα βαθύ νεόπλασμα πρέπει να
δοθούν μεγαλύτερες δόσεις σε υπερκείμενους υγιείς ιστούς. Ο τρόπος για να
υπερπηδήσουμε αυτό το πρόβλημα είναι να χρησιμοποιήσουμε μία τεχνική
“διασταυρούμενων πυρών” σκοπεύοντας με διαδοχική σειρά και από διαφορετικές
κατευθύνσεις έτσι ώστε να υπάρχει ένα αθροιστικό αποτέλεσμα της δόσεως στο
νεόπλασμα. Σήμερα το σχεδιασμό αυτό έχουν αναλάβει οι Η/Υ. Ο σχεδιασμός της
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
57
βέλτιστης διευθέτησης της ακτινοβολίας σε μία θεραπεία πολλαπλών δεσμών
διεξάγεται σε μία εγκάρσια διατομή του σώματος του ασθενούς προσθέτοντας την
συνεισφορά της κάθε δέσμης τόσο στο νεόπλασμα όσο και στους παρακείμενους υγιείς
ιστούς.
Ο υπολογιστής πρέπει να έχει όλες τις αναγκαίες πληροφορίες για να υπολογίσει τη
δόση η οποία απονέμεται σε κάθε σημείο από δέσμες διαφορετικών διευθύνσεων.
Αυτές οι πληροφορίες ποικίλλουν ανάλογα με το μέγεθος και σχήμα της δέσμης
(στρογγυλό, τετράγωνο, ακανόνιστο) και με την ενέργεια της δέσμης σε ακτινοβολία Χ.
Η πλήρης κατανομή δόσεως η οποία παράγεται από μία δέσμη είναι γνωστή σαν
ισοδοσικές καμπύλες (isodose curves).
Ο χρήστης παίρνει το περίγραμμα του σώματος και τροφοδοτεί την εικόνα μέσα στον
υπολογιστή χρησιμοποιώντας έναν πίνακα ψηφιοποιήσεως (digitizing table).
Ουσιαστικά κινείται γύρω από τα περιγράμματα χρησιμοποιώντας έναν ειδικό δείκτη ο
οποίος είναι συνδεδεμένος με τον υπολογιστή και ο οποίος μετατρέπει τις διάφορες
γραμμές σε μία σειρά συντεταγμένων ή σημείων αναφοράς χάρτου. Περίπου 200 με
300 σημεία αρκούν για να ορίσουν το σχήμα ενός σώματος με επαρκή ακρίβεια. Το
περίγραμμα του νεοπλάσματος και οποιεσδήποτε άλλες περιοχές τροφοδοτούνται στον
υπολογιστή. Με τον συνηθισμένο τρόπο οι πληροφορίες αυτές εμφανίζονται σε μία
οθόνη σαν μία διατομή του σώματος και σε μερικά συστήματα μπορούν να προστεθούν
ανατομικές λεπτομέρειες. Ο χειριστής τώρα καλεί την πρώτη δέσμη ακτίνων Χ
προσδιορίζοντας το μέγεθος του πεδίου. Η δέσμη εμφανίζεται στην οθόνη σαν ένα
σχήμα Τ, η ράβδος του Τ δείχνοντας το πλάτος της δέσμης και κάθετο μέρος του Τ την
κατεύθυνση της δέσμης. Αυτή η απεικόνιση με τη μορφή Τ μπορεί κατόπιν να
κατευθυνθεί από τον χειριστή να πάρει μία κατάλληλη θέση και γωνία στην επιφάνεια
του περιγράμματος του σώματος. Ο χειριστής καλεί και τοποθετεί και άλλες δέσμες έως
ότου κρίνει ότι έχει επιτευχθεί ένα ικανοποιητικό σχέδιο. Ο υπολογιστής κατόπιν
καλείται να υπολογίσει την κατανομή των δόσεων που παρήγαγε αυτή τη διευθέτηση.
Όταν το πεδίο, υπολογισμένο πλέον, παρουσιάζεται στην οθόνη, ελέγχεται η
ομοιογένειά του και η πλήρης κάλυψη του πεδίου.
Ακόμη, η ακτινοθεραπεία μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας ραδιενεργές πηγές που
εμφυτεύονται μέσα σε κοιλότητες του σώματος και που εισέρχονται σαν βελόνες ή
σύρματα μέσα στον όγκο του ίδιου του νεοπλάσματος. Η μορφή των ραδιενεργών
πηγών που χρησιμοποιείται για να παρέχει μία ομοιόμορφη δόση σε ένα νεόπλασμα
γενικά υπολογίζεται από σταθερούς πίνακες, αλλά το θεραπευτικό σχήμα που
επιτυγχάνεται στην πράξη μπορεί να είναι διαφορετικό από το βασικό σχέδιο. Οι θέσεις
των ραδιενεργών πηγών μέσα στο σώμα μπορεί να υπολογισθούν δεδομένου ότι οι
ισχείς αυτών των πηγών είναι γνωστές, η πραγματική κατανομή των δόσεων μέσα στο
νεόπλασμα μπορεί να υπολογισθεί έτσι ώστε να αποσύρονται οι πηγές όταν έχει
επιτευχθεί η απαιτούμενη δόση.
Για να διεξαχθεί αυτός ο υπολογισμός, ο υπολογιστής πρέπει να τροφοδοτηθεί με τις χ,
ψ και z συντεταγμένες της θέσεως της κάθε πληγής, με λεπτομέρειες για την ισχύ των
πηγών και τις ενέργειες των ακτινοβολιών τις οποίες εκπέμπουν. Η κατανομή των
δόσεων μπορεί να υπολογισθεί και να σχεδιαστεί για οποιοδήποτε συγκεκριμένο
επίπεδο κοντά στις εμφυτευμένες πηγές.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
58
Θεραπεία με Φάρμακα
Σε πολλές κλινικές των ΗΠΑ – αλλά και στην Ευρώπη – ο ηλεκτρονικός υπολογιστής
ρυθμίζει και ελέγχει τις δοσολογίες των φαρμάκων τα οποία χορηγούνται στους
ασθενείς. Σε περιπτώσεις που χορηγούνται πολλά είδη φαρμάκων ταυτόχρονα, ο
υπολογιστής εξετάζει πλέον την περίπτωση ασυμβατότητας: πολλά φάρμακα δεν πρέπει
να χορηγούνται σε συνδυασμό με ορισμένα άλλα γιατί τότε προκαλούνται
ανεπιθύμητες αντιδράσεις και παρενέργειες. Σε όλες τις περιπτώσεις λαμβάνει υπόψη
τις ιδιαιτερότητες διαφόρων ασθενών (διαβητικοί, επιληπτικοί, αλλεργικοί κλπ.), όπως
για παράδειγμα την τυχόν υπερευαισθησία σε κάποιο συγκεκριμένο φάρμακο.
Στην Αναισθησιολογία και τη Μαιευτική, ο παράγοντας «ετοιμότητα» αριστοποιείται
με τη χρησιμοποίηση Η/Υ οι οποίοι καταγράφουν και αξιολογούν το πρωτόκολλο
αναισθησίας και επεξεργάζονται τις πληροφορίες που αφορούν τη μητέρα και το
νεογέννητο – λίγο πριν, κατά ή λίγο μετά τη γέννηση – με εκπληκτική ταχύτητα.
Σε όλες τις περιπτώσεις ο σκοπός της θεραπείας είναι να χορηγηθεί το φάρμακο σε μια
ορισμένη δοσολογία και από μία κατεύθυνση π.χ. από το στόμα, με ένεση κλπ., η οποία
θα έχει σαν αποτέλεσμα την ικανοποιητική συγκέντρωση του φαρμάκου στο αίμα ή σε
κάποιο ιστό-στόχο ώστε να έχει το απαιτούμενο θεραπευτικό αποτέλεσμα και να
ελαττώσει ταυτόχρονα τις παρενέργειες ή τις ανεπιθύμητες αντιδράσεις. Αλλά τα
φάρμακα δεν έχουν την ίδια επίδραση σε όλους τους ανθρώπους: Εάν σε δύο ασθενείς
δοθεί ένα φάρμακο στην ίδια δόση και με τον ίδιο τρόπο, μπορεί να δημιουργήσει
ελλιπή αποτελέσματα στον έναν και να δημιουργήσει υπεραντίδραση στον δεύτερο.
Γενικά, είναι παραδεκτό ότι οι στάθμες του φαρμάκου είναι σημαντικότερες απ’ ότι η
ποσότητα της χορηγούμενης δόσης. Δεν είναι ωστόσο πάντοτε πρακτικά εφαρμόσιμο ή
και λογικό να παρακολουθήσουμε σε κάθε ασθενή τις στάθμες ενός φαρμάκου στο αίμα
προκειμένου να κάνουμε τις κατάλληλες ρυθμίσεις στις δόσεις που χορηγούμε. Οι
υπολογιστές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να βοηθήσουν το σχεδιασμό μίας
παροχής φαρμάκων η οποία θα διατηρήσει τις στάθμες του αίματος μέσα στα
απαιτούμενα όρια. Ένα τέτοιο πρόγραμμα παρουσιάζει πολλούς βαθμούς δυσκολίας.
Για την ανάλυση ενός τέτοιου προβλήματος θα χρησιμοποιήσουμε κατ’ αρχή μία
τμηματική προσέγγιση η οποία θεωρεί το σώμα σα να ήταν μία σειρά δεξαμενές με
συγκοινωνούντα δοχεία. Στο πιο απλό μοντέλο έχουμε μόνο ένα τμήμα: τον όγκο του
αίματος ή το συνολικό όγκο υγρών και θεωρούμε το φάρμακο να είναι μια απλή
διάλυση μέσα στον όγκο αυτό. Εάν δώσουμε ένα φάρμακο με ένεση έτσι ώστε να
αναμιγνύεται γρήγορα, η συγκέντρωση θα φτάσει σε μία μέγιστη τιμή αμέσως μετά την
ένεση και θα πέσει καθώς το φάρμακο αποβάλλεται είτε π.χ. μέσω των νεφρών ή
υφίσταται μεταβολισμό σε κάποιο όργανο π.χ. το ήπαρ. Η αναλογία της πτώσεως της
συγκέντρωσης περιγράφεται από την εκθετική εξίσωση ελαττώσεως. Η συγκέντρωση
σε χρόνο t μετά την ένεση είναι C t = C max ⋅ e − k ⋅t όπου k είναι το άθροισμα των ρυθμών
της αποβολής και του μεταβολισμού. Οι ρυθμοί αποδομής έχουν σχέση με τους ημίσεις
χρόνους αποδομής (δηλαδή το χρόνο για να πέσει η συγκέντρωση στο μισό) και
προκύπτουν από τη σχέση Τ 12 ⋅ k = 0.693 . Οι υπολογισμοί για τις συγκεντρώσεις
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
59
αίματος μετά από μία σειρά ενώσεων μπορούν να διεξαχθούν απλώς χρησιμοποιώντας
αυτή την εξίσωση που μπορεί να κάνει ακόμη και ένας απλός υπολογιστής τσέπης.
Η εφαρμογή ενός τέτοιου μοντέλου, απαιτεί τη γνώση των σταθερών αποδομής και το
χρόνο ημισείας ζωής του φαρμάκου. Οι σταθερές αυτές ποικίλλουν από φάρμακο σε
φάρμακο και εξαρτώνται από άλλους παράγοντες όπως π.χ. το περιεχόμενο του
στομάχου ή την επίδραση του φαρμάκου στη νεφρική λειτουργία.
Σε περισσότερο σύνθετα μοντέλα, περιλαμβάνονται περισσότερα του ενός
διαμερίσματα, όπως ο χώρος του πλάσματος, τα περιεχόμενα του στομάχου, τα
περιεχόμενα του λεπτού εντέρου, η εναπόθεση στο δέρμα ή στους μυς, στο ήπαρ κλπ.
Γενικά η ροή του φαρμάκου από τμήμα σε τμήμα περιγράφεται από πρωτοβάθμιες
εξισώσεις αλλά όπου υπάρχουν μεταβολικές διαδικασίες και επομένως γίνεται
δέσμευση του φαρμάκου, προγραμματίζονται πιο περίπλοκες κινητικές. Αυτά τα πιο
προχωρημένα μαθηματικά μπορούν να παρέχουν καλύτερο μοντέλο της δράσης του
φαρμάκου στον οργανισμό. Έτσι, π.χ. στην ασπιρίνη, ο χρόνος ημισείας ζωής
αυξάνεται καθώς το φάρμακο συσσωρεύεται στο σώμα. Η αποθήκευση στο λιπώδη
ιστό είναι μία άλλη σπουδαία παράμετρος για μερικά φάρμακα τα οποία έχουν την
τάση να συγκεντρώνονται περισσότερο στο λίπος δεδομένου ότι ο ιστός κατόπιν
σχηματίζει ένα απόθεμα το οποίο απελευθερώνει το φάρμακο σιγά μέσα στην
κυκλοφορία.
Αρκετοί ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει υπολογιστές στη χημειοθεραπεία
χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο για να προβλέψουν το βέλτιστο σχέδιο θεραπείας για το
καθορισμένο φάρμακο.
Εντατική Παρακολούθηση
Στις μονάδες εντατικής παρακολούθησης χρησιμοποιούνται διάφορες συσκευές για να
ανιχνεύουν ή να προβλέπουν τις αλλαγές της πορείας της υγείας του ασθενούς. Η
χρήση των υπολογιστών στην ανάλυση και επεξεργασία διαφόρων φυσιολογικών
παραμέτρων έχει περιγραφεί σε προηγούμενα κεφάλαια. Εκεί αναφέρθηκε ότι συνεχείς
μετρήσεις όλων των βασικών λειτουργιών όπως π.χ. θερμοκρασία, παλμοί, ρυθμός
αναπνοής, πίεση αίματος, καρδιακή λειτουργία, λειτουργία πνευμόνων, απέκκριση
ούρων, βιοχημεία του αίματος κλπ μπορούν να μετατραπούν σε ηλεκτρικά σήματα
κατάλληλα για είσοδο σε κάποιον υπολογιστή. Μερικοί από τους μεταλλάκτες αυτούς
είναι ηλεκτρόδια ή αισθητήρες (σένσορες) των μεταβολών της πίεσης που
εφαρμόζονται στο δέρμα με αυτοκόλλητη ταινία. Άλλες μετρήσεις απαιτούν
φλεβοπαρακέντηση και καθετηριασμό των μεγάλων αγγείων του θώρακα ή της
καρδιάς. Αυτοί οι καθετήρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν όχι μόνο για
παρακολούθηση της πίεσης (παντού) και της ροής αλλά επίσης για την αυτόματη
δειγματοληψία αίματος και την έγχυση φαρμάκων. Γενικά, οι συγκριτικές μεταβολές
των παραμέτρων αυτών έχουν μεγαλύτερη διαγνωστική σημασία απ’ ότι οι απόλυτες
τιμές. Αυτές οι φυσιολογικές μεταβλητές μπορούν να μετατραπούν σε ηλεκτρικά
σήματα και κατόπιν με τη βοήθεια ενός αναλογικού σε ψηφιακό μετατροπέα (analog to
digital converter, ADC) σε ψηφιακά σήματα τα οποία μπορούν να δοθούν σε έναν
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
60
υπολογιστή για ανάλυση και αποθήκευση. Οι εφαρμογές των υπολογιστών σε μονάδες
εντατικής παρακολούθησης συμπεριλαμβάνουν τα ακόλουθα:
1) Κατανομή δεδομένων: οι μεταβλητές που μας ενδιαφέρουν λαμβάνονται και
παρουσιάζονται ταυτόχρονα στο monitor.
2) Υπολογισμός ουσιωδών παραμέτρων οι οποίες παράγονται από τις μετρούμενες
μεταβλητές π.χ. ο υπολογισμός των παλμών, το κλάσμα εξωθήσεως, η καρδιακή
παροχή κλπ. Είναι αυτονόητο ότι η επεξεργασία σημάτων στη μονάδα εντατικής
παρακολουθήσεως πρέπει να γίνεται on line, δηλαδή οι υπολογισμοί πρέπει να
γίνονται ταυτόχρονα και επομένως να συμβαδίζουν με την αναλογία με την οποία
φθάνουν τα δεδομένα. Έτσι π.χ. εάν ένα σήμα λαμβάνεται 100 φορές το
δευτερόλεπτο και ο υπολογιστής είναι δυνατόν να αποθηκεύσει κάθε τιμή σε ένα
μsec, μεσολαβεί αρκετός χρόνος για να διεξαχθούν υπολογισμοί πριν φτάσει η
επόμενη σειρά δεδομένων. Αυτή η γρήγορη ανάλυση είναι δυνατό να γίνει μόνο αν
όλες οι τιμές φυλάσσονται στην κεντρική μνήμη ταχείας προσπελάσεως του
υπολογιστή δηλαδή τη μνήμη RΑΜ.
3) Συνεχής σύγκριση των μεταβλητών με προεπιλεγμένες τιμές ώστε ο Η/Υ να
σημαίνει συναγερμό όταν υπερβαίνονται τα όρια ασφαλείας. Η επεξεργασία αυτή
του ορισμού του συναγερμού δεν είναι τόσο απλή όσο φαίνεται από πρώτη ματιά.
Για παράδειγμα, θα πρέπει να αποφεύγεται η πυροδότηση του συναγερμού από
τεχνικά ή ανθρώπινα λάθη (artifacts) όπως π.χ. ένα ηλεκτρόδιο που έχει ξεκολλήσει.
Οι λανθασμένοι συναγερμοί μπορεί να ελαχιστοποιηθούν εάν δύο σήματα
παρακολουθούνται ταυτόχρονα π.χ. οι καρδιακοί παλμοί και η αρτηριακή πίεση. Το
σήμα του συναγερμού προκύπτει μόνο όταν μεταβληθούν και οι δύο παράμετροι.
Σε μερικά συστήματα ο ασθενής χρησιμοποιείται σαν έλεγχος του εαυτού του. Όταν
ο ασθενής πρωτοσυνδέεται στο σύστημα, καταγράφονται και ελέγχονται οπτικά για
την κανονικότητά τους μία σειρά από καμπύλες πιέσεως ή
ηλεκτροκαρδιογραφήματα. Αυτές αποθηκεύονται στον υπολογιστή και
χρησιμοποιούνται σαν συγκριτικό στοιχείο για τις επόμενες κυματομορφές.
4) Την αυτόματη χορήγηση φαρμάκων κλπ. Η μέγιστη χρήση των υπολογιστών σε μία
μονάδα εντατικής παρακολούθησης είναι σε ένα σύστημα κλειστού ελέγχου όπου ο
υπολογιστής όχι μόνο παρακολουθεί την κατάσταση του ασθενούς, αλλά επίσης
είναι εφοδιασμένος με όργανα εγχύσεως για να διορθώσει οποιεσδήποτε αποκλίσεις
από τις κανονικές τιμές. Ένα παράδειγμα είναι η παρακολούθηση της αποβολής των
ούρων. Εάν πέσει κάτω από μία προκαθορισμένη τιμή, ο υπολογιστής θα
ενεργοποιήσει μία διουρητική ένεση για να αυξήσει την αποβολή.
Μοντέλα και Απομιμήσεις
Ο ύψιστος σκοπός πολλών επιστημών είναι να επιτευχθεί μία τέτοια κατανόηση του
φυσικού κόσμου έτσι ώστε να μπορούμε να κατασκευάζουμε πρώτα περιγραφικά και
κατόπιν λειτουργικά μοντέλα για κάθε φυσική διεργασία. Στην φυσική π.χ. προτάθηκαν
κατά καιρούς διάφορα μοντέλα της δομής του ατόμου και του πυρήνα, που το καθένα
τους μπορούσε να εξηγήσει μερικά από τα φαινόμενα της ατομικής φυσικής και να
προβλέψει μερικές νέες ιδιότητες που με τη σειρά τους θα μπορούσαν να
επιβεβαιωθούν με πειράματα. Στη βιολογία υπάρχουν μοντέλα αγωγιμότητας των
νεύρων, της δομής των μεμβρανών, της δόσης των γονιδίων και της συνθέσεως των
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
61
πρωτεϊνών. Τα μοντέλα αυτά συνεχώς αλλάζουν για να δώσουν καλύτερη προσέγγιση.
Καθώς τα μοντέλα αυτά γίνονται όλο και πιο πολύπλοκα η ανάγκη της χρησιμοποίησης
των Η/Υ για να διεξάγουν τους υπολογισμούς και να ελέγξουν αν τα πειραματικά
δεδομένα ταιριάζουν στις προβλέψεις του μοντέλου γίνεται όλο και πιο επιτακτική.
Πολλές από τις εφαρμογές των Η/Υ που συζητήθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια στην
επεξεργασία εικόνων, πυρηνική ιατρική και σχεδιασμό ραδιοθεραπείας έχουν γίνει
πεδία έρευνας για τους φυσικούς που εργάζονται στις βιολογικές και ιατρικές
επιστήμες. Η έρευνα και ανάπτυξη αυτών των πεδίων βρίσκεται ακόμη σε εξέλιξη.
Σύμφωνα με έναν αυστηρό ορισμό, κάθε προσομοίωση Η/Υ που χρησιμοποιεί τυχαίους
αριθμούς για να μορφώσει μία μεταβλητότητα μπορεί να θεωρηθεί σαν τεχνική Monte
Carlo. Η μέθοδος έχει αναπτυχθεί εκτεταμένα στη φυσική για να ανακαλύψει
θεωρητικά τη διείσδυση της ραδιενεργού ακτινοβολίας στους ιστούς του σώματος
(πνεύμονες, οστά κλπ.). Για να το αντιληφθούμε, θεωρούμε μία ακτίνα
μονοενεργειακών ηλεκτρονίων, που εισδύουν σε ομογενές υλικό. Για χαμηλής
ενέργειας ηλεκτρόνια, μπορεί να θεωρηθεί προσεγγιστικά ότι τα σωματίδια χάνουν
ενέργεια σε μια σειρά αλληλεπιδράσεων που υπακούν στους ακόλουθους κανόνες για
την τροχιά καθενός σωματιδίου:
1) Η πιθανότητα πραγματοποίησης μίας αλληλεπίδρασης εξαρτάται κατά τρόπο
που είναι αντιστρόφως ανάλογος προς την ενέργεια του σωματιδίου.
2) Η πιθανότητα ενεργειακής απώλειας, Q, σε κάθε αλληλεπίδραση εξαρτάται από
το 1 Q 2 .
Εξετάζοντας ένα σωματίδιο κάθε φορά, το πρόγραμμα Η/Υ επιλέγει έναν τυχαίο αριθμό
να αναπαριστά τη διανυσθείσα απόσταση έως την πρώτη αλληλεπίδραση (σύμφωνα με
τον κανόνα 1) και έναν άλλον τυχαίο αριθμό για να ανακαλύψει το μέγεθος της
ενεργειακής απώλειας (σύμφωνα με τον κανόνα 2). Το σωματίδιο εγκαταλείπει την
πρώτη αλληλεπίδραση ταξιδεύοντας προς νέα διεύθυνση με ελαττωμένη ενέργεια. Ο
Η/Υ επαναλαμβάνει τον κύκλο ξανά, επιλέγοντας νέους τυχαίους αριθμούς για την
επόμενη αλληλεπίδραση κλπ. Όταν η ενέργεια του σωματιδίου πέσει κάτω από ένα
σταθερό όριο, το πρόγραμμα σταματά και τυπώνει τις συντεταγμένες του δρόμου που
ακολούθησε το ηλεκτρόνιο μέσα στο υλικό.
Ανατομία
Η ανατομία μελετά και περιγράφει διάφορα όργανα στις τρεις διαστάσεις. Ωστόσο οι
τομές που γίνονται στα διάφορα παρασκευάσματα, είναι ουσιαστικά δισδιάστατες.
Έτσι, η ανακατασκευή της δομής ενός οργάνου στο χώρο από μία σειρά τομών σε
κανονικά διαστήματα είναι μία πολύ επίπονη εργασία. Στο σημείο αυτό οι Η/Υ
προσφέρουν πολύτιμη βοήθεια. Παράδειγμα είναι σε μία από τις ενδιαφέρουσες
μελέτες της μικρο-ανατομίας, η χαρτογράφηση των νευρικών οδών του εγκεφάλου.
Ο εγκέφαλος αποτελείται περίπου από 1010 νευρώνες. Μέσα σε αυτόν υπάρχουν πολλοί
τύποι κυττάρων που αλληλοσυνδέονται τόσο πολύπλοκα μεταξύ τους ώστε το
τηλεφωνικό δίκτυο μίας μεγαλουπόλεως να φαίνεται σαν ένα απλό κύκλωμα μπροστά
τους. Ο Η/Υ επιτρέπει την ανακατασκευή της διαδρομής στο χώρο, χρησιμοποιώντας
πολλαπλές επίπεδες εικόνες διατομών. Κάθε τομή ψηφιδοποιείται, όπως περιγράφηκε
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
62
σε προηγούμενα κεφάλαια και η πυκνότητα κάθε pixel τροφοδείται μέσα στον
υπολογιστή μαζί με τις συντεταγμένες του. Ο υπολογιστής κατόπιν μπορεί να επιλέξει
δεδομένα από τη διαδοχή των ψηφιακών εικόνων για να σχεδιάσει εικόνες της δομής σε
ορθογώνιες διατομές ή από άλλες γωνίες.
Βοηθήματα Αποκαταστάσεως
Οι Η/Υ έχουν χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση των κινήσεων του σώματος. Όταν ο
υπολογιστής εφοδιαστεί με πληροφορίες που προέρχονται από την καταγραφή (πχ σε
φιλμ) κινήσεων του ανθρώπου και από ανιχνευτές κινήσεως, τότε με το κατάλληλο
software, μπορεί και υπολογίζει τις επιταχύνσεις και περιστροφές των μελών και του
κορμού και ακολούθως τις συσχετίζει με τις πιέσεις και τις καταπονήσεις του σώματος
που δημιουργούνται κατά τη διάρκεια διαφόρων μορφών σωματικής δραστηριότητας.
Οι κοπώσεις διαφόρων τμημάτων του σώματος, κυρίως στα οστά, έχουν υπολογιστεί με
τη βοήθεια μίας τεχνικής γνωστής σαν ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων. Τόσο το
σχήμα όσο και η σύσταση των διαφόρων οστών είναι πολυσύνθετη με αποτέλεσμα οι
μηχανικές ιδιότητές τους να μην είναι ομοιογενείς αλλά να ποικίλλουν ακόμη και
μεταξύ διαφορετικών τμημάτων ενός οστού. Η ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων έχει
εφαρμοσθεί σε πολλούς τεχνικούς κλάδους και βασίζεται στον υπολογισμό των
μηχανικών ιδιοτήτων επιμέρους στοιχειωδών τμημάτων. Η εφαρμογή της αντίστοιχης
τεχνικής, θεωρεί ότι το οστούν αποτελείται από πολλούς κύβους και ακολούθως ο
υπολογιστής αθροίζει τη συμπεριφορά τους θεωρώντας μία σειρά τέτοιων στοιχείων
ταξινομημένων στο σχήμα ενός οστού. Οι υπολογισμοί μπορούν να επεκταθούν για να
προβλέψουν τα αποτελέσματα από μία ασυνήθιστη καταπόνηση.
Οι υπολογιστές μπορούν να βοηθήσουν στην κατασκευή και το σχεδιασμό διαφόρων
οργάνων. Έτσι έχουν επινοηθεί αρκετά βοηθήματα βασισμένα σε Η/Υ για ανάπηρους,
αν και κανένα από αυτά δεν έχει αναπτυχθεί σε βαθμό μαζικής παραγωγής. Έχουν γίνει
ακόμη προσπάθειες για την κατασκευή συστημάτων που μπορούν να σαρώνουν τα
έντυπα και να μετατρέπουν τις λέξεις σε σύμβολα Braj (βοήθημα για τυφλούς) και άλλα
συστήματα συνθέσεως ομιλίας που μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθούν για να
βοηθήσουν αυτούς που δεν έχουν φωνή. Όλες όμως οι προσπάθειες βρίσκονται ακόμη
σε πειραματικό ουσιαστικά στάδιο.
Γενετική
Μια άλλη ιατρική περιοχή, για την οποία ο Η/Υ είναι ίσως το βασικότερο μέσο
έρευνας, είναι η Γενετική. Με τη βοήθειά του σχηματίστηκαν τα γενεαλογικά δέντρα,
τα οποία περιλαμβάνουν πάνω από δέκα γενιές. Έτσι αποκαλύφθηκε ότι ορισμένες
σπάνιες κληρονομικές ασθένειες στις ΗΠΑ οφείλονται σε μετανάστες του 18ου αιώνα.
Με τη βοήθεια του ηλεκτρονικού υπολογιστή καθορίστηκε η θέση μεμονωμένων
γονιδίων (μονάδες κληρονομικότητας) μέσα στα χρωμοσώματα, έγιναν αναλύσεις
συχνότητας γονιδίων, μελετήθηκε η συχνότητα διαφόρων ασθενειών στην οικογένεια,
αναπτύχθηκε ο οικογενειακός προγραμματισμός κλπ. Σήμερα έχει πλέον δημιουργηθεί
ένα ιδιαίτερο γνωστικό πεδίο, η Βιοπληροφορική (Bioinformatics).
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
63
Λήψη Ιστορικού
Οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές έχουν χρησιμοποιηθεί και για τη λήψη του ιστορικού του
ασθενή. Σε αυτή την περίπτωση μεταξύ ασθενή και ηλεκτρονικού υπολογιστή γίνεται
ένας «προγραμματισμένος» διάλογος:
Ο ασθενής κάθεται μπροστά σε ένα πληκτρολόγιο και μπορεί να απαντά σε διάφορες
ερωτήσεις, οι οποίες εμφανίζονται σε μία οθόνη, πιέζοντας πλήκτρα που αναγράφουν
«ναι», «όχι», «δεν ξέρω», «δεν καταλαβαίνω» κλπ. Η επόμενη ερώτηση εξαρτάται από
το είδος της απάντησης, σύμφωνα με ένα συγκεκριμένο πρόγραμμα ερωτήσεων
ιστορικού. Οι ερωτήσεις είναι έτσι διατυπωμένες, ώστε ένας απόλυτα υγιής να μην
απαντά συνέχεια όχι, πράγμα που θα είχε σαν αποτέλεσμα να χαλαρώσει την προσοχή
του. Επιπλέον, μερικές ερωτήσεις επαναλαμβάνονται με διαφορετικό τρόπο έκφρασης
προκειμένου να ελέγχεται η αξιοπιστία των απαντήσεων. Βέβαια, ο διάλογος αυτός
μεταξύ ασθενή-Η/Υ, δεν αντικαθιστά τελείως τον κλασικό διάλογο ασθενή – γιατρού.
Όμως, για το σύγχρονο, πολυάσχολο γιατρό, είναι μεγάλο το κέρδος σε χρόνο και
προσπάθεια, όταν ο Η/Υ του παραδίδει ένα τυπωμένο κατάλογο με τις απαντήσεις του
ασθενή σε κρίσιμα, προσχεδιασμένα ερωτήματα. Η χρησιμοποίηση αυτού του
«αυτόματου» συστήματος λήψης του ιστορικού του ασθενή, προς το παρόν
περιορίζεται από το σχετικά υψηλό κόστος.
Οργάνωση Νοσοκομείων
Η αποθήκευση, η αξιολόγηση και η ταξινόμηση δεδομένων, σε συνδυασμό με την
ταχύτητα διανομής πληροφοριών, είναι μερικές από τις χαρακτηριστικές ικανότητες
του Η/Υ, καθιστώντας τους απόλυτα απαραίτητους για την επίλυση των προβλημάτων
οργάνωσης ενός Νοσοκομείου. Έτσι, η ηλεκτρονική επεξεργασία πληροφοριών είναι
ένας παράγοντας, ο οποίος ολοένα και περισσότερο λαμβάνεται υπόψη στο σχεδιασμό
νέων νοσοκομείων. Συγχρόνως, ο Η/Υ χρησιμοποιείται και σε «παλιά» νοσοκομεία, με
δεδομένη δηλαδή δομή, προκειμένου να αυξηθεί η απόδοσή τους. Η «εισαγωγή» του
γίνεται συνήθως ως εξής: Στην αρχή «αυτοματοποιούνται» ορισμένες συγκεκριμένες
περιοχές του νοσοκομείου, όπως είναι το εργαστήριο αιματολογίας ή η μονάδα
εντατικής θεραπείας. Αργότερα, όλες αυτές οι περιοχές συνδέονται μεταξύ τους με τη
χρησιμοποίηση ενός ευρύτερου συστήματος Η/Υ. Το σύστημα αυτό ονομάζεται
«σύστημα συνολικής πληροφόρησης νοσοκομείου» (Total hospital information
system). Ένα τέτοιο σύστημα εξυπηρετεί πολλά νοσοκομεία, συγχρόνως, σε
διαφορετικές πόλεις, Οι διοικητικές και οργανωτικές εργασίες ανατίθενται σε έναν
κεντρικό ηλεκτρονικό υπολογιστή, ο οποίος καταγράφει τις εισόδους των ασθενών στα
νοσοκομεία, διαθέτει τα κρεβάτια, αποφασίζει τις παραγγελίες φαρμάκων, καταστρώνει
τα προγράμματα εγχειρήσεων, αναφέρει τα αποτελέσματα των εργαστηριακών
αναλύσεων, «σχεδιάζει» ειδικές δίαιτες για όλους τις απαραίτητες λεπτομέρειες που
αφορούν ενδιαφέρουσες κλινικές περιπτώσεις.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
64
Για παράδειγμα, όταν ένας ασθενής εισέρχεται για νοσηλεία σε κάποιο από τα
νοσοκομεία, δίνει όλα τα απαραίτητα στοιχεία του, τα οποία καταχωρούνται στους
κεντρικούς Η/Υ με κάποιον κωδικό αριθμό. Τα αποτελέσματα των εξετάσεων ή
αναλύσεων που γίνονται σε αυτόν τον ασθενή καταχωρούνται στους ίδιους Η/Υ. Έτσι
οποιοδήποτε τμήμα ή κλινική μπορεί, οποτεδήποτε, καλώντας στο περιφερειακό του
τον κωδικό αριθμό του ασθενή, να έχει σε δευτερόλεπτα κάθε πληροφορία που
χρειάζεται γι’ αυτόν.
Για να γίνει περισσότερο κατανοητή η λειτουργία και η προσφορά του συστήματος
συνολικής πληροφόρησης νοσοκομείων, αναλύεται παρακάτω η ενδιαφέρουσα
«περίπτωση Leuven».
Το Leuven – σημερινή κατάσταση – είναι μία πανεπιστημιούπολη με 40.000 κατοίκους
και 20.000 φοιτητές. Έχει 5 νοσοκομεία με συνολική χωρητικότητα 2.200 κρεβάτια,
όπου εργάζονται 4.400 υπάλληλοι, από τους οποίους οι 530 είναι γιατροί.
Συγκεκριμένα, υπάρχουν δύο νοσοκομεία στο κέντρο της πόλης, ένα άλλο – με
παιδιατρική κλινική – σε απόσταση 1 χιλ. και δύο ακόμη, από τα οποία το ένα είναι
ψυχιατρική κλινική, σε απόσταση 6 χιλ. περίπου. Στα νοσοκομεία αυτά γίνονται κάθε
χρόνο, συνολικά, 4 εκατομμύρια εργαστηριακές αναλύσεις.
Στον διοικητικό και οργανωτικό τομέα, οι Η/Υ φροντίζουν για την τακτοποίηση
λογαριασμών, τις μισθοδοσίες, τη διακίνηση των υλικών και καταστρώνουν το πλάνο
συντήρησης και καθαριότητας. Στο νοσηλευτικό τομέα, οι Η/Υ πληροφορούνται την
εκάστοτε δόση φαρμάκων που χορηγούνται και έτσι εξακριβώνεται η ημερήσια
κατανάλωση φαρμάκων κάθε τμήματος και αποφασίζονται οι μελλοντικές παραγγελίες.
Συγχρόνως, με τους ημερήσιους αυτούς ελέγχους κατανάλωσης, αποφεύγονται οι
απώλειες φαρμάκων από τις αποθήκες των διαφόρων τμημάτων. Με αυτό τον τρόπο,
στο Leuven εξοικονομούνται κάθε χρόνο περίπου ένα εκατομμύριο ελβετικά φράγκα.
Το κόστος όλου του δικτύου Η/Υ ανέρχεται στο 2% του συνολικού προϋπολογισμού
των πέντε νοσοκομείων. Στο ποσοστό αυτό περιλαμβάνεται η εξόφληση των συσκευών
καθώς επίσης και οι αμοιβές των 39 ειδικών και χειριστών, τους οποίους απασχολεί το
σύστημα ηλεκτρονικής επεξεργασίας των νοσοκομείων.
Ιατρική Εκπαίδευση
Η χρησιμοποίηση ηλεκτρονικών υπολογιστών στην ιατρική εκπαίδευση είναι ένα
επίκαιρο θέμα. Λόγω της αλματώδους εξέλιξης της ιατρικής επιστήμης, γίνονται
προσπάθειες ώστε το πρόγραμμα ιατρικών σπουδών, το οποίο έχει ήδη παραφορτωμένο
να γίνει ακόμα πιο περιεκτικό. Συγχρόνως, γίνονται προσπάθειες να μειωθεί και να
βελτιστοποιηθεί ο απαραίτητος χρόνος για την εκπαίδευση των γιατρών. Το πρόβλημα
αυτό μπορεί να αντιμετωπισθεί μόνο με μία «εύστοχη αναδόμηση» του προγράμματος
σπουδών, σε συνδυασμό με την ορθολογική οργάνωση των διδακτικών μεθόδων. Σε
αυτό το σημείο η προσφορά του Η/Υ μπορεί να είναι τεράστια.
Η πιο διαδεδομένη εφαρμογή της μάθησης με τη βοήθεια υπολογιστή (Computer
Assisted Learning, CAL) είναι στον έλεγχο και την εξαγωγή αποτελεσμάτων
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
65
εξετάσεων. Οι ερωτήσεις είναι του τύπου πολλαπλών επιλογών (multiple choice). Η
μέθοδος αυτή πλεονεκτεί τόσο σε ότι αφορά την ταχύτητα λήψης των αποτελεσμάτων
αλλά ακόμη ο Η/Υ μπορεί να βρει τις ερωτήσεις που έχουν απαντηθεί ελλιπώς και
ακολούθως να βοηθήσει στη βελτίωση της διδασκαλίας των θεμάτων αυτών και το
σχεδιασμό του τρόπου παρουσίασής τους ώστε να γίνουν πιο κατανοητά.
Η δεύτερη εφαρμογή που ολοένα χρησιμοποιείται περισσότερο είναι για μάθηση «άνευ
διδασκάλου». Υπάρχουν πολυάριθμα συστήματα προγραμματισμένης εκπαίδευσης για
την θεωρητική και κλινική ιατρική. Ο σπουδαστής κάθεται μπροστά στο τερματικό και
«συζητά» με τον Η/Υ. Στο απλούστερο επίπεδο, η VDU μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν
βιβλίο, στο οποίο πατώντας ένα κουμπί ανακαλούμε από τη μνήμη του υπολογιστή το
επόμενο πακέτο πληροφοριών. Οι ερωτήσεις είναι τις περισσότερες φορές του τύπου
πολλαπλών επιλογών, δεδομένου ότι τα προβλήματα προγραμματισμού του υπολογιστή
για να ελέγχει ελεύθερα αναπτυγμένες απαντήσεις, είναι τεράστια. Όπου μπορούν να
χρησιμοποιηθούν γραφικές παραστάσεις, η «διδασκαλία» γίνεται πιο παραστατική.
Έτσι π.χ. στην ανατομία το διάγραμμα του σκελετού μπορεί να φανεί στην οθόνη και
μετά τα άλλα συστήματα να τον καλύπτουν, όπως πχ το νευρικό σύστημα, αρτηρίες,
φλέβες, μύες κλπ, ενώ είναι δυνατή η περιστροφή των διαγραμμάτων ώστε να
δείχνονται οι δομές από διαφορετικές οπτικές γωνίες. Ακόμη, με τη βοήθεια γραφικών
παραστάσεων, δίνεται παραστατικά η μοριακή δομή διαφόρων ενώσεων στη
διδασκαλία της βιοχημείας.
Η τελευταία λέξη στην εφαρμογή υπολογιστών για διδασκαλία είναι τα μοντέλα που
μιμούνται ανθρώπινες λειτουργίες και των οποίων οι αντιδράσεις ελέγχονται από
υπολογιστή. Ένα τέτοιο μοντέλο είναι το «Sim One» που κατασκευάστηκε για τη
διδασκαλία της αναισθησιολογίας. Καλύπτεται εξωτερικά από πλαστικό δέρμα που
μοιάζει καταπληκτικά με το ανθρώπινο στο χρώμα και την υφή. Είναι τοποθετημένο σε
χειρουργικό τραπέζι, με το αριστερό του χέρι σε έκταση, σαν ασθενής έτοιμος για
ενδοφλέβια ένεση. Στο δεξί του χέρι εφαρμόζεται ένα πιεσόμετρο και στο στήθος του
έχει τοποθετηθεί ένα στηθοσκόπιο. Το Sim One αναπνέει, έχει «καρδιά» που
δημιουργεί κροταφικούς και καρωτιδικούς παλμούς και πίεση αίματος που μπορεί να
μετρηθεί. Ανοίγει το στόμα του, ανοιγοκλείνει τα μάτια του και ανταποκρίνεται σε
τέσσερα ενδοφλεβίως ενέσιμα φάρμακα και δύο αέρια που χορηγούνται με μάσκα ή με
ενδοτραχειακό σωλήνα. Οι αναλογικές φυσιολογικές απαντήσεις στα όργανα και τις
μεθόδους θεραπείας, ανιχνεύονται, ελέγχονται και παριστάνονται κάτω από τον έλεγχο
ενός προγράμματος σε Η/Υ. Το Sim One μπορεί να αναισθητοποιηθεί και εξαιτίας
αυτού να παρουσιάσει υψηλή πίεση, αδύνατη αναπνοή και καρδιακές ανακοπές.
Ανάλογα με τα φάρμακα που του χορηγούνται με κατάλληλη αγωγή, ξαναποκτά ή όχι
«φυσιολογικές» λειτουργίες.
Μηχανές αναζήτησης και Ιατρική Βιβλιογραφία
Όπως συμβαίνει και με πολλές άλλες επιστημονικές περιοχές – και ιδιαίτερα με τις
φυσικές επιστήμες – έτσι και στην ιατρική, ο αριθμός των ιατρικών γνώσεων που
δημοσιεύονται συνεχώς αυξάνει. Το 1880 ο αριθμός των ιατρικών δημοσιευμάτων σε
παγκόσμια κλίμακα ήταν περίπου 20.000. Ο αριθμός αυτός τα τελευταία χρόνια
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
66
αυξάνει με τον εκπληκτικό ρυθμό των 300.000 δημοσιευμάτων τον χρόνο. Μόνο για τις
έρευνες του καρκίνου εκδίδονται κάθε χρόνο περίπου 20.000 εργασίες. Ένας
ερευνητής, ο οποίος διαβάζει κάθε μέρα – επί 365 ημέρες το χρόνο – 3 ώρες με μια
«μέση ταχύτητα ανάγνωσης» 15 λεπτά ανά ιατρικό άρθρο, μπορεί να αναγνώσει – όχι
να μελετήσει – μόνο 1/5 των νέων εργασιών που αφορούν τον καρκίνο. Εξάλλου,
μελέτες που έχουν γίνει, προβλέπουν ότι σε 10-20 χρόνια η ιατρική βιβλιογραφία θα
διπλασιαστεί.
Η μοναδική δυνατότητα αντιμετώπισης αυτής της «βιβλιογραφικής λαίλαπας», είναι η
ηλεκτρονική αποθήκευση και ανάκτηση πληροφοριών. Ειδικοί επιστήμονες
αποθηκεύουν την ιατρική βιβλιογραφία σε ηλεκτρονικούς υπολογιστές και τους
προγραμματίζουν να απαντούν σε σχετικές ερωτήσεις. Η πρώτη πρακτική εφαρμογή
είναι το σύστημα MEDLARS (Medical Literature Analysis and Retrieval System), το
οποίο από το 1964 λειτουργεί στην εθνική βιβλιοθήκη ιατρικής στο Bethesda των
ΗΠΑ. Κάθε χρόνο «προστίθενται» σε αυτό περίπου 250.000 νέες ιατρικές εργασίες.
Ένα παρόμοιο κέντρο πληροφοριών, το SABIR, είναι εγκατεστημένο στο γαλλικό
κέντρο ερευνών για τον καρκίνο (Villejuif) και στο αντίστοιχο γερμανικό (Heidelberg).
Το SABIR περιέχει μόνο τη βιβλιογραφία που αφορά τον καρκίνο και είναι
σχεδιασμένο να λειτουργεί σαν ένα διεθνές δίκτυο ανταλλαγής πληροφοριών. Τα
συστήματα αποθήκευσης και ανάκτησης πληροφοριών αποτελούν αυτή τη στιγμή τον
οικονομικότερο τρόπο πληροφόρησης των κλινικών και ερευνητικών γιατρών.
Σήμερα χρησιμοποιούνται διάφορες μηχανές αναζήτησης. Οι μηχανές αναζήτησης
(Search engines) είναι ειδικά προγράμματα που επιτρέπουν την αναζήτηση και την
ανάκτηση πληροφορίας από το Internet με βάση ελεύθερο κείμενο. Με τη χρήση απλών
λέξεων-κλειδιών, η Μηχανή Αναζήτησης ψάχνει σε μια βάση δεδομένων που περιέχει
αντίγραφα ιστοσελίδων και δημιουργεί μια λίστα από αυτές που συμπίπτουν ή
προσεγγίζουν περισσότερο τις λέξεις-κλειδιά που δόθηκαν για αναζήτηση από το
χρήστη.
Η εμφάνιση των αποτελεσμάτων ποικίλλει ανάλογα με τη μηχανή αναζήτησης που
χρησιμοποιείται. Ορισμένες προσφέρουν και ιεραρχικά οργανωμένους καταλόγους με
διευθύνσεις, και άλλες υπηρεσίες Να σημειωθεί ότι υπάρχει δυνατότητα παραβίασης
της σειράς εμφάνισης των αποτελεσμάτων, κάτι που οφείλεται στο χρηματικό ποσό που
πληρώνει ο ιδιοκτήτης του κάθε δικτυακού τόπου στην εταιρεία της Μηχανής
Αναζήτησης ειδικά για να τοποθετηθεί η ιστοσελίδα του σε καλύτερη σειρά στον
κατάλογο. Η πρόσβαση στις κυριότερες μηχανές εύρεσης γίνεται αυτόματα απο όλους
τους κύριους φυλλομετρητές (browsers) του Παγκόσμιου Ιστού. Μερικές από τις πιο
δημοφιλείς μηχανές αναζήτησης είναι οι ακόλουθες: Google, Alta Vista, Excite,
WebCrawler, Lycos, InfoSeek, Yahoo.
Είναι προφανές ότι επειδή οι βάσεις δεδομένων των μηχανών αναζήτησης διαφέρουν
μεταξύ τους, πολύ σπάνια η ίδια αναζήτηση σε δύο ή περισσότερες μηχανές
αναζήτησης θα αποφέρει τα ίδια ακριβώς αποτελέσματα. Για το λόγο αυτόν έχουν
δημιουργηθεί οι λεγόμενες μετα-μηχανές αναζήτησης (metasearch engines). Οι μηχανές
αυτές ψάχνουν ταυτόχρονα σε πολλές απλές μηχανές αναζήτησης και φιλτράρουν τα
αποτελέσματα με βάση τις παραμέτρους που θέτει ο χρήστης. Μερικές από τις πιο
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
67
δημοφιλείς Μεταμηχανές Αναζήτησης είναι οι ακόλουθες: Copernic, Dogpile,
MetaCrawler κ.α.
Οι τεχνικές επιτυχούς αναζήτησης μιας πληροφορίας με τη βοήθεια των μηχανών
αναζήτησης περιλαμβάνουν:
•
•
•
Τη μελέτη του τρόπου διατύπωσης των ερωτήσεων που δέχεται κάθε μηχανή
αναζήτησης
Την εισαγωγή των λέξεων –κλειδιών με όσο περισσότερο ακριβή τρόπο
Τη χρήση σύνθετης αναζήτησης (advanced search) με κριτήρια και τη βοήθεια
λογικών τελεστών.
Θα πρέπει να τονιστεί ότι η αξιολόγηση των ευρημάτων μιας αναζήτησης καθώς και ο
βαθμός αξιοπιστίας των πληροφοριών τους επαφίεται αποκλειστικά στο χρήστη.
Τέλος, σημειώνεται ότι με τη βοήθεια των μηχανών αναζήτησης, μπορούμε να
προσπελάσουμε ένα μικρό μόνο μέρος του συνολικού διαδικτύου, το λεγόμενο «ορατό»
Διαδίκτυο ενώ ένα μεγάλο μέρος του, το «Αόρατο Διαδίκτυο» (Invisible Web)
παραμένει απροσπέλαστο από αυτές.
Όπως προαναφέρθηκε, επειδή οι πληροφορίες που βρίσκονται στο Διαδίκτυο
χαρακτηρίζονται από γρήγορη προσπελασιμότητα, ταχύτατη δυνατότητα ενημέρωσης,
παγκόσμια εμβέλεια, δυνατότητα αλληλεπίδρασης με το χρήστη, τα τελευταία χρόνια
το Διαδίκτυο έχει αναγνωριστεί σαν μείζων τεχνολογικός φορέας της ανάπτυξης νέων
υπηρεσιών ιατρικής ενημέρωσης και εκπαίδευσης.
Υπάρχουν πολλές βιβλιογραφικές βάσεις που είναι διαθέσιμες για χρήση από γιατρούς.
Έτσι, σε αντίθεση με τα γενικά συστήματα βιβλιογραφικής υποστήριξης, έχουν
κατασκευαστεί και βιβλιογραφικές βάσεις δεδομένων που εστιάζονται στην Δημόσια
Υγεία και Πρόληψη. Το σύστημα CDC WONDER (του Center for Disease Control των
ΗΠΑ) παρέχει πρόσβαση σε πολλαπλές βάσεις δεδομένων σχετικές με Δημόσια Υγεία
που περιλαμβάνουν στοιχεία θνητότητας, θνησιμότητας, νοσηρότητας, μελέτες κόστους
αποτελεσματικότητας, και οδηγίες πρόληψης. Τα στοιχεία είναι οργανωμένα σαν
σύνολα αναφορών και κειμένων, αλλά μπορούν και να προσπελαστούν με ανίχνευση
ελεύθερου κειμένου. Η πρόσβαση στο CDC WONDER είναι ελεύθερη.
Μια χαρακτηριστική περίπτωση μηχανής αναζήτησης στην Ιατρική είναι η περίφημη
MEDLINE. H μηχανή αυτή (της Νational Library of Medicine, ΗΠΑ) είναι η πιο
διαδεδομένη διεθνής βάση βιβλιογραφικών δεδομένων στην ιατρική, και θεωρείται από
πολλούς ως το πιο επιτυχημένο σύστημα Ιατρικής Πληροφορικής μέχρι σήμερα. Στη
MEDLINE συμπεριλαμβάνονται τίτλοι και συνόψεις βιοϊατρικών άρθρων από
επιστημονικά περιοδικά από όλο τον κόσμο από το 1966 ως σήμερα. Αρχικά το
σύστημα ήταν διαθέσιμο μέσω δικτύου, αργότερα μέσω CD-ROMs και τώρα διατίθεται
δωρεάν μέσω του Διαδικτύου. Το σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ποικιλία
διασυνδέσεων χρήστη (βασισμένων σε πρότυπους όρους-κλειδιά, ανίχνευση ελεύθερου
κειμένου, αλλά και πιο περίπλοκους στατιστικούς μεθόδους τρόπους ανίχνευσης).
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
68
Ιατρική Έρευνα
Μία συγκεκριμένη εφαρμογή των υπολογιστών, η οποία κατά μεγάλο λόγο προέρχεται
από την έρευνα, είναι εκείνη της απομιμήσεως (simulation). Προτού εξετάσουμε μερικά
συγκεκριμένα παραδείγματα είναι χρήσιμο να αναφερθούμε σύντομα στις γενικές αρχές
της απομιμήσεως με τη βοήθεια των υπολογιστών.
Το ίδιο ισχύει και για την κατασκευή τεχνητών ομοιωμάτων διαφόρων τμημάτων του
ανθρώπινου σώματος, με σκοπό να καταλάβουμε καλύτερα πως λειτουργούν και πως
αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, καθώς επίσης και για την σύγκριση μαθηματικών
μοντέλων με τα αποτελέσματα των πειραμάτων σε ζώα.
Η Επιδημιολογία κατέχει μία εξέχουσα θέση στο χώρο της ιατρικής έρευνας.
Χαρακτηριστικό είναι το παράδειγμα των τριών μικρών πόλεων της Β. Αμερικής,
Framingham, Hagerstown και Tecumseh. Επί 20 ολόκληρα χρόνια, ειδικοί
παρακολουθούσαν τον τρόπο ζωής των κατοίκων των τριών αυτών πόλεων, οι οποίοι
κατά τακτά χρονικά διαστήματα περνούσαν από ιατρικό έλεγχο. Ένας ηλεκτρονικής
υπολογιστής επεξεργάστηκε όλες τις πληροφορίες που τελικά συγκεντρώθηκαν και με
βάση τα συμπεράσματα που αυτός έβγαλε, έγινε δυνατή η εξάλειψη επικίνδυνων
παραγόντων, οι οποίοι προκαλούσαν στους κατοίκους έμφραγμα του μυοκαρδίου και
στηθάγχη.
Διάγνωση με τη Βοήθεια του Η/Υ
Τα τελευταία 20 χρόνια έχει παρουσιασθεί ένα έντονο ενδιαφέρον στο να μελετηθεί το
πώς φθάνει στη διάγνωση ένας καλός γιατρός. Συνοπτικά η διαδικασία έχει ως εξής:
Πρώτα, ο γιατρός συλλέγει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες σχετικά με τον άρρωστο
και μετά ελέγχει την αξιοπιστία τους. Εάν χρειάζεται, συλλέγει περισσότερες
πληροφορίες ( πχ με εργαστηριακές εξετάσεις) και με αυτές βάζει τη διάγνωση με βάση
μία λογική ανάλυση. Δηλαδή σχηματίζει υποθέσεις και τις απορρίπτει όλες εκτός από
μία που αποτελεί την τελική διάγνωση. Προηγουμένως έχει συγκρίνει τις πληροφορίες
με εκείνες που έχει φυλάξει στο μυαλό του από προηγούμενα περιστατικά. Ύστερα,
ακολουθώντας μερικές γενικές αρχές, σίγουρα ένα μεγάλο ποσοστό κλινικής εμπειρίας
μαζί με μια ακαθόριστη ποσότητα έμπνευσης και, τέλος, πιθανά συζητώντας με
συναδέλφους του ή συμβουλευόμενος κάποια βοηθήματα, φθάνει στην τελική
διάγνωση.
Θα πρέπει εδώ να τονισθεί ότι τόσο στη λήψη διαγνωστικών αποφάσεων όσο και στην
εκτέλεση θεραπευτικών παρεμβάσεων υπάρχει ένα ποσοστό αβεβαιότητας. Πιο
συγκεκριμένα, στη μεγάλη πλειοψηφία των περιπτώσεων, τα ευρήματα (συμπτώματα,
αντικειμενικά σημεία, διαγνωστικές δοκιμασίες) των διαφόρων νοσημάτων σχετίζονται
στοχαστικά και όχι ντετερμινιστικά με τις αντίστοιχες νοσολογικές οντότητες κατά
τρόπον ώστε η διαπίστωση ενός ή περισσοτέρων ευρημάτων σε έναν/μία ασθενή να
αυξάνει ή να ελαττώνει την πίστη του ιατρού στην παρουσία καθεμιάς από τις πιθανές
νόσους στη λίστα της διαφορικής του διάγνωσης και σπάνια να επιτρέπει διάγνωση με
απόλυτη βεβαιότητα. Παρόμοια σε πολλές περιπτώσεις το αναμενόμενο αποτέλεσμα
θεραπευτικών παρεμβάσεων μπορεί να εκφραστεί μόνο πιθανολογικά (ως ποσοστό
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
69
ίασης, ποσοστό επιβίωσης μέσα σε μια πενταετία, μέσο χρόνο χωρίς υποτροπή, κ.ο.κ.),
χωρίς απόλυτες εγγυήσεις επιτυχίας. Για τη μελέτη και τον περιορισμό αυτής της
αβεβαιότητας έχει αναπτυχθεί ένα ολόκληρο θεωρητικό υπόβαθρο: Η Θεωρία Λήψης
Ιατρικών Αποφάσεων. Η θεωρία αυτή μελετά ορθολογιστικές, δομημένες και
αναλυτικές προσεγγίσεις στην ιατρική σκέψη και πράξη προκειμένου να αντιμετωπίσει
τα προβλήματα της αβεβαιότητας.
Ο Η/Υ δεν μπορεί να προγραμματιστεί για να έχει έμπνευση αλλά σίγουρα μπορεί να
συναγωνισθεί τον άνθρωπο στη λογική ανάλυση και να τον ξεπεράσει στο να φυλάσσει
και να ανακαλεί μεγάλες ποσότητες «κλινικής εμπειρίας» με τη μορφή ιστορικών
προηγουμένων ασθενών.
Αυτή είναι η αρχή της διάγνωσης με τη βοήθεια Η/Υ (Computer Assisted Diagnosis,
CAD) δηλ. η συλλογή επακριβών πληροφοριών τόσο σε υγιείς όσο και σε άλλους που
αποδεδειγμένα πάσχουν από κάποια συγκεκριμένη νόσο. Κάθε τέτοια συλλογή
πληροφοριών, είτε βρίσκεται αποθηκευμένη μέσα στο μυαλό του γιατρού είτε στη
μνήμη ενός Η/Υ αποτελεί μια βάση δεδομένων (data base).
Πώς μπορεί μία βάση δεδομένων να χρησιμεύσει ώστε να γίνεται η διάγνωση σε ένα
καινούργιο ασθενή; Για το σκοπό αυτό έχουν ήδη αναπτυχθεί πολλές τεχνικές και η
αναζήτηση καινούργιων ή η βελτίωση των παλιών είναι αντικείμενο έρευνας και
συζήτησης ακόμα και σήμερα. Ανεξάρτητα όμως από την τεχνική που ακολουθείται,
αυτό που τελικά γίνεται είναι η σύγκριση των συμπτωμάτων, των διαγνωστικών
σημείων, των εργαστηριακών εξετάσεων κάθε νέου ασθενούς με εκείνα που
περιέχονται ήδη στη βάση δεδομένων. Ο Η/Υ καλείται ακολούθως να λάβει αποφάσεις.
Το πρόβλημα της λήψης αποφάσεων (decision-making) μπορεί να χωρισθεί σε τέσσερις
κατηγορίες: 1) ορισμός του προβλήματος, 2) συλλογή δεδομένων, 3) ανάλυση
δεδομένων και 4) επιλογή της βέλτιστης απόφασης.
1) Ορισμός του προβλήματος: Υπάρχει σαφής διαφορά ανάμεσα στον ορισμό και τη
μέτρηση.
Ο ορισμός είναι η καταγραφή των κριτηρίων εκείνων που περιγράφουν μία
κατάσταση και μόνο αυτή. Αντίθετα, η μέτρηση είναι μία προσπάθεια να
προσεγγίσει κανείς έναν ορισμό ή καλύτερα να αναπαραστήσει κανείς τον ορισμό
με βάση τις πληροφορίες που διαθέτει. Η διαφορά ανάμεσα από τον ορισμό και τη
μέτρηση γεννούν την αβεβαιότητα. Στην Ιατρική, η αβεβαιότητα αυτή συμβαίνει
συχνά, γιατί σπάνια οι ιατρικές εξετάσεις παράγουν αρκετές πληροφορίες ώστε να
καταλήξει κανείς στον ορισμό της ασθένειας χωρίς να εκθέσει τον άρρωστο σε
σημαντικούς κινδύνους και έξοδα. Ακόμη, τις περισσότερες φορές, ο περιορισμένος
χρόνος που διατίθεται για διάγνωση ακριβώς λόγω της πορείας της νόσου ή των
επιπλοκών, επιβάλλει τη λήψη αποφάσεων πριν ολοκληρωθεί η λήψη αρκετών
πληροφοριών. Η λήψη αποφάσεων με τη βοήθεια Η/Υ επιτρέπει στο χρήστη να
συγκρίνει διάφορες μετρήσεις και να εφεύρει κανόνες για τη σωστή αξιολόγησή
τους. Π.χ. ας θεωρήσουμε τη διαφορά ανάμεσα στο ιστολογικό παρασκεύασμα ενός
καρκίνου και τη μέτρηση του καρκινοεμβρυϊκού αντιγόνου (CEA) στο αίμα. Στην
πρώτη περίπτωση, τα καρκινικά κύτταρα που φαίνονται στο παρασκεύασμα,
επιτρέπουν αναμφισβήτητα τη διάγνωση καρκίνου δεδομένου ότι έχει ικανοποιηθεί
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
70
ο ορισμός της νόσου, ενώ στη δεύτερη περίπτωση ο άρρωστος μπορεί και να μην
έχει καρκίνο δεδομένου, ότι υπάρχουν και άλλες καταστάσεις εκτός από τον
καρκίνο που παράγουν CEA. Έτσι το CEA είναι μία μέτρηση της παρουσίας του
καρκίνου.
2) Συλλογή στοιχείων:
Υπάρχει διαφορά ανάμεσα στα δεδομένα (data) και τις πληροφορίες (information).
Τα δεδομένα είναι οποιεσδήποτε παρατηρήσεις ενώ η πληροφορία είναι μια
παρατήρηση που μεταβάλλει τις πιθανότητες ενός προβλήματος. Τις περισσότερες
φορές δεν είναι γνωστό από πριν αν μία παρατήρηση θα είναι «δεδομένα» ή
«πληροφορία». Μπορεί π.χ. μία παρατήρηση που στην αρχή φαίνεται άχρηστη να
φανεί στο τέλος ότι ήταν πολύ σημαντική για τη λήψη αποφάσεων. Μεγάλο ρόλο
παίζει επίσης ο τρόπος συλλογής των στοιχείων: τμηματικά ή ταυτόχρονα. Αυτό
αποφασίζεται ανάλογα με τη μέθοδο ανάλυσης των δεδομένων. Οι δομημένες
αναλύσεις (structured ή categorical) συνήθως ορίζουν μία συγκεκριμένη σειρά για
την τμηματική συλλογή δεδομένων, ενώ οι πιθανολογικές αναλύσεις (probabilistic)
ορίζουν τις πληροφορίες που απαιτείται αλλά δεν υποδεικνύουν τον τρόπο
συλλογής τους. Σε κάθε περίπτωση, ο τρόπος συλλογής στοιχείων υπαγορεύεται
από τη σύγκριση του προσδοκόμενου κόστους και οφέλους. Γενικά, σε επείγουσες
περιπτώσεις και σε φθηνές εξετάσεις προτιμάται η ταυτόχρονη συλλογή στοιχείων
ενώ σε αφθονία χρόνου και ακριβές εξετάσεις προτιμάται η τμηματική συλλογή.
3) Ανάλυση δεδομένων: Δομημένη ή πιθανολογική αιτιολόγηση.
Οι αλγόριθμοι της λήψης αποφάσεων στην Ιατρική μπορούν να χωρισθούν σε
εκείνους με δομημένη προσέγγιση και σε εκείνους με πιθανολογική προσέγγιση ή
τέλος σε συνδυασμό και των δύο. Η δομημένη προσέγγιση θέτει μία σειρά από
κανόνες προκειμένου να βρεθεί η μεγαλύτερη σύμπτωση της κατάστασης που
μελετάται με έναν από τους προϋπάρχοντες ορισμούς. Αντίθετα, η πιθανολογική
προσέγγιση χρησιμοποιεί μία σειρά από κανόνες για να υπολογισθεί η πιθανότητα
που έχει ο καθένας από τους προϋπάρχοντες ορισμούς. Με άλλα λόγια, η δομημένη
προσέγγιση ψάχνει για την κύρια διάγνωση ενώ η πιθανολογική ερευνά κάνοντας
διαφορική διάγνωση.
Η δομημένη προσέγγιση δημιουργεί τα λεγόμενα «δέντρα αποφάσεων» (decision
trees). Κάθε κλάδος του δέντρου αποφάσεων έχει έναν κόμβο από όπου ξεκινούν
δύο ή περισσότεροι μικρότεροι κλάδοι. Κάθε κόμβος παριστά μία ερώτηση και από
την απάντηση που θα δοθεί εξαρτάται ποιον από τους μικρότερους κλάδους θα
ακολουθήσει η ροή του προγράμματος κλπ Σε αντίθεση με τον αλγόριθμο, τα
«δέντρα αποφάσεων» δείχνουν όλους τους πιθανούς κλάδους μετά από μία
ερώτηση. Το ποιος από όλους θα ακολουθηθεί, εξαρτάται από το χρήστη και την
ανάλυση αποφάσεων. Αφού επιλεγεί ένας κλάδος, όλοι οι υπόλοιποι
«υλοτομούνται». Το αποτέλεσμα είναι ακριβώς ένας αλγόριθμος που επιλύει το
πρόβλημα που αναλύθηκε.
Η δομημένη προσέγγιση αποδίδει πολύ καλά σε ασθένειες που είναι καλά
διαφοροποιημένες μεταξύ τους. Υπάρχουν ήδη πολύ αποτελεσματικά προγράμματα
που είναι δομημένα με τον τρόπο αυτόν όπως πχ για τη διάγνωση νεφρικής
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
71
ανεπάρκειας, λοιμώξεων του ανωτέρου και κατωτέρου αναπνευστικού,
θυρεοειδοπαθειών κλπ
Η πιθανολογική προσέγγιση είναι αρκετά διαφορετική. Δεν γίνεται προσπάθεια για
κατ’ ευθείαν κατάταξη της καταστάσεως που μας απασχολεί. Αντίθετα,
δημιουργείται μία σειρά πιθανών διαγνώσεων και υπολογίζονται οι πιθανότητες
καθεμιάς από αυτές κάθε φορά που εισέρχονται καινούργια δεδομένα. Εφαρμογές
τέτοιων προσεγγίσεων έχουν ήδη γίνει στη διάγνωση του συνδρόμου του Cushing,
θυρεοειδοπαθειών και συγγενών καρδιοπαθειών.
Και οι δύο προσεγγίσεις έχουν τουλάχιστον ένα κοινό πρόβλημα: Στα ιατρικά
διαγνωστικά προβλήματα συμμετέχουν πάρα πολλές παράμετροι και ακόμη
περισσότερες παραλλαγές τους. Το γεγονός αυτό καθιστά αφενός μεν στη δομημένη
προσέγγιση τα δέντρα αποφάσεων εξαιρετικά πολύπλοκα, αφετέρου δε χρειάζεται
να υπολογισθεί μεγάλος αριθμός παραμέτρων στην πιθανολογική προσέγγιση.
Ακόμη θα πρέπει να ληφθεί υπόψη το γεγονός ότι στην ιατρική οι διάφορες κλινικές
παράμετροι δεν είναι ανεξάρτητες αλλά συνδέονται μεταξύ τους. Για τους
παραπάνω λόγους, οι περισσότεροι αλγόριθμοι για τη λήψη αποφάσεων στην
Ιατρική γίνονται χρησιμοποιώντας συνδυασμούς των δύο προσεγγίσεων,
εκμεταλλευόμενοι την ντετερμινιστική φύση των δομημένων προσεγγίσεων και την
ευελιξία των πιθανολογικών. Κάτι τέτοιο γίνεται εξάλλου και στον άνθρωπο: ο
φοιτητής ή άπειρος γιατρός, αγνοώντας την πιθανολογική προσέγγιση, προσπαθεί
συνήθως να συλλέξει πληροφορίες βήμα προς βήμα μέχρι να φθάσει σε μία
δομημένη απόφαση. Αντίθετα, ο ειδικός αφού κάνει μία «χονδροειδή» δομημένη
απόφαση, προσεγγίζει μετά το πρόβλημα πιθανολογικά, διαλέγοντας τις
περισσότερο υποβοηθητικές πληροφορίες και αναθεωρώντας κάθε φορά την αρχική
του υπόθεση.
4) Επιλογή της βέλτιστης απόφασης. Η καλύτερη απόφαση δεν είναι πάντα η ίδια.
Εξαρτάται κάθε φορά από το συγκεκριμένο πρόβλημα. Καθώς εξαρτάται από τους
σκοπούς που έχουν τεθεί, η καλύτερη απόφαση είναι αυτή που έχει τη μεγαλύτερη
πιθανότητα να είναι σωστή και που έχει τη μεγαλύτερη τιμή σε κάποια
προκαθορισμένα κριτήρια.
Τα κριτήρια αυτά είναι γενικά τα εξής:
i)
οι κίνδυνοι ή οι επιπλοκές μίας διαγνωστικής εξετάσεως ή θεραπείας
συμπεριλαμβανομένου και του κινδύνου του θανάτου.
ii) Το κόστος σε χρήμα των εξετάσεων ή της θεραπείας.
iii) η διαγνωστική αξία μίας εξετάσεως δηλ. το ποσό των πληροφοριών που θα
προσκομίσει η εκτέλεση της εξέτασης για τη διαπίστωση της ασθένειας.
iv) τα χαρακτηριστικά του ασθενούς π.χ. το φύλο, ηλικία, κατάσταση υγείας κλπ
v) οι πιθανές απρόβλεπτες αλλαγές της πορείας του ασθενούς μετά από μία
ενέργεια που απαιτεί κάποιο χρόνο (π.χ. αν ο άρρωστος έχει μία νόσο και δεν
γίνει καμία ενέργεια μέσα σε κάποιο χρονικό διάστημα ο ασθενής μπορεί να
πεθάνει).
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
72
Το μοντέλο προγνωστικής αξίας
Η θεωρία της προγνωστικής αξίας (prognostic value theory) είναι μία χρήσιμη πρώτη
προσέγγιση της λήψης αποφάσεων στην Ιατρική.
Ιδανικά, η ταξινόμηση των ασθενών σε νόσους θα πρέπει να γίνεται με βάση τους
ορισμούς. Ωστόσο, για πολλούς προφανείς λόγους, τις περισσότερες φορές η
ταξινόμηση και η διάγνωση γίνεται με βάση τις μετρήσεις διαφόρων εξετάσεων. Η
ερμηνεία των μετρήσεων μπορεί να συσχετιστεί με τη νόσο, με την προϋπόθεση βέβαια
ότι η σχέση μεταξύ της κάθε εξετάσεως και της νόσου είναι εκ των προτέρων γνωστή.
Για να γίνει αυτό, θα πρέπει προηγουμένως η εξέταση να έχει γίνει σε ένα πληθυσμό
του οποίου η παρουσία ή όχι της συγκεκριμένης νόσου να είναι γνωστή. Το μοντέλο
προγνωστικής αξίας κάνει ακριβώς αυτό: Οργανώνει και ερμηνεύει τις πληροφορίες
μίας τέτοιας μελέτης. Οι παράμετροι του μοντέλου περιγράφουν τη σχέση μεταξύ της
εξετάσεως και της νόσου. Μία ιδανική εξέταση θα ήταν αυτή που θα χώριζε τους
ασθενείς σε δύο κατηγορίες: σε αυτούς που πάσχουν από τη νόσο και τους υγιείς.
Ωστόσο, τις περισσότερες φορές, κάτι τέτοιο δεν συμβαίνει και εδώ, με τη βοήθεια
στατιστικών μεθόδων, το μοντέλο προγνωστικής αξίας καθορίζει διάφορες
παραμέτρους όπως π.χ. τη διαχωριστική γραμμή μεταξύ θετικών και αρνητικών
(φυσιολογική τιμή ή operating point ή critical value), τη συσχέτιση μεταξύ ευαισθησίας
και ειδικότητας της εξετάσεως (Receiver Operating Characteristic) και βέβαια τη θετική
και αρνητική προγνωστική αξία όπου:
Θετική προγνωστική αξία =
και
Αρνητική προγνωστική αξία =
Αληθώς − θετικά
Αληθώς − θετικά + ψευδώς − θετικά
Αληθώς − Αρνητικά
Αληθώς − Αρνητικά + ψευδώς − Αρνητικά
Η ερμηνεία όλων αυτών των στατιστικών παραμέτρων ξεφεύγει από τους σκοπούς του
βιβλίου αυτού. Ωστόσο, θα πρέπει να υπομνησθεί ότι εάν μία εξέταση δεν προσφέρει
πραγματικά διαγνωστική βοήθεια (δηλ. όση και η τύχη) τότε το άθροισμα της
ευαισθησίας και της ειδικότητάς του είναι ίσο με τη μονάδα. Συνοπτικά, η διαδικασία
αξιολόγησης μεταξύ διαφόρων εξετάσεων έχει ως εξής:
1. Χαράσσονται οι ROC καμπύλες καθεμιάς
2. Υπολογίζονται και χαράσσονται τα όρια αξιοπιστίας των καμπυλών αυτών
3. Σύγκριση των καμπυλών μεταξύ τους
4. Εφαρμογή στατιστικών μεθόδων (z – statistic) σε οποιοδήποτε σημείο
ενδιαφέροντος προκειμένου να διευκρινισθεί αν η εξέταση είναι στατιστικά
διαφορετική από μία άλλη
Δυστυχώς οι παραπάνω μέθοδοι δεν λαμβάνουν υπόψη το κόστος και το
προσδοκώμενο όφελος από τις διάφορες εξετάσεις. Όφελος θεωρείται η σωστή
κατάταξη των ασθενών σε πάσχοντες και μη. Κόστος θεωρούνται τα λάθη κατατάξεως
δηλ. τα ψευδώς θετικά και τα ψευδώς αρνητικά. Οι μονάδες μετρήσεως του κόστους
και του οφέλους εξαρτώνται από το κλινικό πρόβλημα. Μπορεί να είναι σε χρήμα, σε
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
73
θανάτους, σε απώλειες ωρών εργασίας ή οτιδήποτε άλλο. Η επιλογή της μονάδας
γίνεται έτσι ώστε να αποτελεί το μείζονα σκοπό του προβλήματος. Μετά από αυτό,
υπολογίζεται το κόστος (ψευδώς θετικά και αληθώς αρνητικά). Στη συνέχεια, γίνεται η
ανάλυση κόστους – οφέλους (cost benefic analysis) που σκοπεύει να βρει τη
φυσιολογική εκείνη τιμή της εξετάσεως που μεγιστοποιεί την αναμενόμενη τιμή μίας
απόφασης. Η αναμενόμενη τιμή μίας απόφασης ορίζεται ως εξής:
Αναμενόμενη τιμή =
(όφελος ενός Α.Θ. αποτελέσματος) x (Πιθανότητα Α.Θ.) +
+ (όφελος ενός Α.Θ. αποτελέσματος) x (Πιθανότητα Α.Α.) -(κόστος ενός Ψ.Θ. αποτελέσματος) x (Πιθανότητα Ψ.Θ.) –
-(κόστος ενός Ψ.Α. αποτελέσματος) x (Πιθανότητα Ψ.Α.) –
-(κόστος διενέργειας της εξετάσεως).
Αυτονόητο είναι ότι προσπαθεί κανείς να βρει εκείνη την εξέταση που θα έχει τη
μεγαλύτερη δυνατή ευαισθησία, ειδικότητα και προγνωστική αξία. Αυτό όμως δεν έχει
πάντοτε δυνατό. Πρέπει λοιπόν να διαλέξει ανάμεσα στις τρεις αυτές παραμέτρους.
Γενικά, εάν η ασθένεια είναι σοβαρή αλλά ιάσιμη, τότε προτιμά κανείς την εξέταση που
έχει τη μεγαλύτερη ευαισθησία. Εάν τέλος, τόσο η ασθένεια όσο και ένα ψευδώς θετικό
αποτέλεσμα έχουν σοβαρές επιπτώσεις στην υγεία, τότε κανείς προτιμά την
προγνωστική αξία.
Θεωρία της πιθανολογικής προσέγγισης
Το μοντέλο προγνωστικής αξίας έχει ορισμένους περιορισμούς που κύρια
επικεντρώνονται στην αδυναμία διαχωρισμού μεταξύ θετικών και αρνητικών
παραμέτρων. Έτσι, όταν έχουμε να κάνουμε με πολυπαραγοντικές καταστάσεις,
χρησιμοποιείται ένα γενικότερο μοντέλο πιθανολογικής προσέγγισης, του οποίου το
μοντέλο προγνωστικής αξίας αποτελεί μία επιμέρους ειδική περίπτωση.
Ο σκοπός του μοντέλου αυτού είναι να υπολογίσει διάφορες πιθανότητες υπό συνθήκη
(conditional probabilities). Η πιθανότητα υπό συνθήκη ενός γεγονότος είναι η
πιθανότητα ότι το γεγονός θα συμβεί όταν ικανοποιηθεί μία ειδική συνθήκη. Αυτό στην
ιατρική διάγνωση σημαίνει ότι υφίσταται η κύρια διαγνωστική πιθανότητα να υπάρχει
μία συγκεκριμένη νόσος όταν προκύπτει θετικό εύρημα από μία δεδομένη (κλινική ή
εργαστηριακή) εξέταση. Έτσι π.χ. θεωρούμε την πιθανότητα να έχει ένας άρρωστος
ηπατίτιδα, όταν αυτός έχει αυξημένες τρανσαμινάσες. Η πιθανότητα υπό συνθήκη είναι
διαφορετική από τη συνηθισμένη πιθανότητα να έχει κάποιος ηπατίτιδα δεδομένου ότι
εδώ υπάρχει κάποια περισσότερη πληροφορία (αυξημένες τρανσαμινάσες).
Εάν θεωρήσουμε ότι P(D) είναι η πιθανότητα να υπάρχει νόσος, P(T) η πιθανότητα να
υπάρχει θετικό εύρημα στην εξέταση Τ και P(D/T) η πιθανότητα υπό συνθήκη να
συμβαίνει η νόσος D όταν είναι θετική η εξέταση Τ και P(T/D) η πιθανότητα υπό
συνθήκη να είναι θετική η εξέταση Τ όταν συμβαίνει η νόσος D τότε:
Ρ( D / Τ) =
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
Ρ (Τ / D ) × Ρ ( D )
Ρ(Τ)
74
Η εξίσωση αυτή είναι γνωστή σαν το θεώρημα του Bayes. (Ο ραβίνος Bayes έζησε τον
18ο αιώνα). Η P(D) αναφέρεται από πολλούς σαν «πιθανότητα από τα πριν» (prior
probability) και η P(D/T) σαν «πιθανότητα εκ των υστέρων» (posterior probability) της
νόσου D. Οι όροι «πριν» και «εκ των υστέρων» αναφέρονται ουσιαστικά στο χρόνο
συλλογής των πληροφοριών. P(D) είναι δηλαδή η πιθανότητα να έχει ένας άρρωστος τη
νόσο D χωρίς να τον έχουμε ακόμη δει, ενώ P(D/T) είναι η πιθανότητα της νόσου D
ξέροντας ότι ο άρρωστος έχει θετική την εξέταση Τ. Ουσιαστικά, η P(D/T) αντιστοιχεί
στη θετική προγνωστική αξία και η P(T/D) αντιστοιχεί στην ευαισθησία της εξέτασης.
Παράδειγμα εφαρμογής του θεωρήματος του Bayes
Έστω μία κλινική όπου παρακολουθούνται ασθενείς που πάσχουν από υποθετική νόσο
ενός οργάνου. Ας υποτεθεί ότι οι γιατροί εκεί βλέπουν 1000 περιπτώσεις και ότι
συμφωνούν γενικά ότι οι άρρωστοι μπορεί να διακριθούν, εκτός από τους
φυσιολογικούς, σε τρεις νοσολογικές οντότητες. Τα ιστορικά κλπ των 1000 αρρώστων
υπάρχουν στα αρχεία της κλινικής και έστω ότι περιέχουν πλήρεις πληροφορίες σχετικά
με την παρουσία ή όχι μίας λίστας συμπτωμάτων και βέβαια και την τελική διάγνωση.
Μία τέτοια βάση δεδομένων μπορεί να χρησιμοποιηθεί με απλή στατιστική και έτσι
μπορούμε να πάρουμε τις εξής πληροφορίες:
1. τη συχνότητα εμφάνισης της κάθε νόσου στο σύνολο των αρρώστων,
2. τη συχνότητα με την οποία κάθε μία παράμετρος παρουσιάσθηκε σε κάθε μία νόσο.
Ας υποθέσουμε ότι από τη βάση δεδομένων του παραδείγματός μας, πήραμε τα
παρακάτω αποτελέσματα:
Α. Υπερλειτουργία
Β. Φυσιολογική λειτουργία
Γ. Υπολειτουργία
Δ. Φλεγμονή
Συχνότητα
280/1000
320/1000
180/1000
120/1000
Πιθανότητα
0.28
0.32
0.18
0.12
Ας υποθέσουμε ότι μετρήθηκαν πέντε παράμετροι (συμπτώματα, κλινικά σημεία,
αποτελέσματα εξετάσεων)
1. Αϋπνία
2. Ομάδα αίματος
3. Πυρετός
4. Τριχόπτωση
5. Συγκέντρωση ορμόνης Α
και ας υποτεθεί ότι 210 από τους 280 ασθενείς με υπερλειτουργία παρουσίασαν το
σύμπτωμα 1. Άρα αυτό παρουσίαζε μία συχνότητα 0.75 για τη νόσο αυτή. Αν πάρουμε
όλες τις παραμέτρους τότε γίνεται ο ακόλουθος πίνακας κατανομών των συχνοτήτων:
1. Αϋπνία
2 Ομάδα αίματος
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
ΝΑΙ
ΟΧΙ
ΝΑΙ
ΥΠΕΡ
0.75
0.25
0.47
Κ.Φ.
0.20
0.80
0.03
ΥΠΟ
0.05
0.95
0.05
ΦΛΕΓΜ
0.50
0.50
0.04
75
ΟΧΙ
ΝΑΙ
ΟΧΙ
ΝΑΙ
ΟΧΙ
3. Πυρετός
4. Τριχόπτωση
5. Ορμόνη Α
Κάτω από 1μg/100ml
Πάνω από 1μg/100ml
0.53
0.90
0.10
0.34
0.66
0.05
0.95
0.97
0.15
0.85
0.36
0.64
0.15
0.85
0.95
0.10
0.90
0.35
0.65
0.88
0.12
0.96
0.15
0.85
0.36
0.64
0.02
0.98
Ένας τέτοιος πίνακας συχνοτήτων αποθηκεύεται στη μνήμη του Η/Υ για μελλοντική
χρήση.
Παρατηρώντας προσεκτικά τον πίνακα διαπιστώνεται ότι η παράμετρος Νο 4 δεν έχει
διαγνωστική σημασία δεδομένου ότι συμβαίνει περίπου στην ίδια συχνότητα σε όλες
τις νόσους (από 0.64 – 0.66). Μπορούμε ακόμα να παρατηρήσουμε ότι οι παράμετροι
Νο 2 και Νο 3 έχουν περίπου συγκρίσιμη συχνότητα και ότι η παρατήρηση της μίας
μόνο από τις δύο αυτές παραμέτρους μπορεί να αρκεί για τη διάγνωση.
Κάθε νέος ασθενής που παρουσιάζεται στο ιατρείο εξετάζεται, προκειμένου να
διαπιστωθεί η παρουσία ή απουσία των τριών πρώτων παραμέτρων και λαμβάνεται ένα
δείγμα αίματος για να μετρηθεί η παράμετρος Νο 5. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε ένα νέο
ασθενή, ο οποίος παρουσιάζει το σύμπτωμα Νο 1, δεν παρουσιάζει το σύμπτωμα Νο 2,
έχει τα συμπτώματα Νο 3 και Νο 4 και έχει συγκέντρωση ορμόνης 8 μg/100ml. Το
θεώρημα του Bayes βασίζεται στη σύγκριση των δεδομένων του ασθενούς με τη
συχνότητα συμπτωμάτων. Στη σύγκριση αυτή, οι διάφορες πιθανότητες που συνδέονται
με ένα δεδομένο πίνακα συμπτωμάτων πολλαπλασιάζονται μεταξύ τους.
Έτσι, π.χ. στον ασθενή του παραδείγματός μας η πιθανότητα της νόσου Α:
ΡΑ = 0.75 x 0.53 x 0.90 x 0.95 =
ΡB = 0.20 x 0.97 x 0.15 x 0.85 =
ΡΓ = 0.05 x 0.95 x 0.10 x 0.12 =
ΡΔ = 0.50 x 0.96 x 0.15 x 0.98 =
ΣΥΝΟΛΟ:
0.33994
0.02474
0.00057
0.07056
0.43573
Τα αποτελέσματα αυτά δίνουν τις ακόλουθες σχετικές πιθανότητες:
Για τη νόσο Α: 0.33994/0.43573 = 0.78
Για τη νόσο Β: 0.02474/0.43573 = 0.06
Για τη νόσο Γ: 0.00057/0.43573 = 0.001
Για τη νόσο Δ: 0.07076/0.43573 = 0.16
Από τους υπολογισμούς αυτούς καταλήγουμε ότι η διάγνωση με τη μεγαλύτερη
πιθανότητα να είναι σωστή η υπερλειτουργία των οργάνων και η αμέσως επόμενη η
φλεγμονή. Για να επιβεβαιωθεί η διάγνωση αυτή, χρειάζονται να συγκεντρωθούν
ακόμα περισσότερα στοιχεία.
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
76
Μερικά προγράμματα ζυγίζουν τις πιθανότητες ανάλογα με τη συχνότητα επίπτωσης
της νόσου στο γενικό πληθυσμό. Στο προηγούμενο παράδειγμά μας κάτι τέτοιο θα
μείωνε την πιθανότητα της φλεγμονής στο 0.08 και αύξανε την πιθανότητα της
υπερλειτουργίας στο 0.92. Άλλοι ερευνητές, θεωρούν ότι το να λαμβάνεται υπόψη ένας
τέτοιος παράγοντας μπορεί να αλλοιώσει τις πιθανότητες ορθής διάγνωσης αν το
ποσοστό των ασθενών που παρουσιάζουν μία συγκεκριμένη νόσο μεταβάλλεται με την
πάροδο του χρόνου.
Οι παραπάνω υπολογισμοί γίνονται προφανώς πολύ γρήγορα με τη βοήθεια ενός Η/Υ
που βέβαια περιέχει και πίνακες συχνοτήτων πολύ μεγαλύτερους από αυτόν του
παραδείγματός μας.
Υπολογισμός της αξίας της πληροφορίας
Εκτός από την απλή εφαρμογή του θεωρήματος του Bayes, η Θεωρία Λήψης Ιατρικών
Αποφάσεων έχει επιτρέψει την ανάπτυξη εξελιγμένων μεθόδων για την ενημέρωση και
προσαρμογή της παρούσας βέλτιστης απόφασης υπό το φως πολλαπλών νέων
στοιχείων, και αλγόριθμους και συστήματα σειριακής διαφορικής διάγνωσης που
καθοδηγούν στην επιλογή των καταλληλότερων εξετάσεων. Μια πολύ χρήσιμη τεχνική
είναι ο υπολογισμός της αξίας της πληροφορίας που απαντά στο ερώτημα του πόσο
κόστος (εκφρασμένο σε χρόνο, χρήματα, κίνδυνο επιπλοκής, κ.λπ.) θα έπρεπε να
διατίθεται να δώσει ο ιατρός προκειμένου να λάβει το αποτέλεσμα μιας επιπλέον
διαγνωστικής δοκιμασίας.
Βιβλιογραφία
1. Edward H. Shortliffe (Editor), Leslie E. Perreault (Editor), Gio Wiederhold
(Editor), Lawrence M. Fagan (Editor), Lawrence M. Fagan.Medical Informatics:
Computer Applications in Health Care and Biomedicine, Springer, 2003
2. Hsinchun Chen (Editor), Sherrilynne S. Fuller (Editor), Carol Friedman (Editor),
William Hersh (Editor) Medical Informatics : Knowledge Management and
Data Mining in Biomedicine (Integrated Series in Information Systems)
Springer, 2005
3. Pan American Health Organization (Corporate Author), International Medical
Informatics Association (Corporate Author), Marcelo C. Sosa-Iudicissa (Editor),
N. Oliveri (Editor), M. Sosa (Editor), C. Camboa (Editor) Internet, Telematics
and Health (Studies in Health Technology and Informatics, 36) Ios Pr Inc;
Bk&CD-Rom edition, 1997
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
77
4. Dirk Husmeier (Editor), Richard Dybowski (Editor), Stephen Roberts (Editor)
Probabilistic Modelling in Bioinformatics and Medical Informatics. Springer
2004
5. J.van Bemmel (Editor), M.A. Musen (Editor), Mark A. Musen. Handbook of
Medical Informatics Springer, 2002
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
78
Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής
79

28/7/2012 ΠΑΡΑΓΩΓΗ

κοινοτικού δικαίου ΙΙ

Καλειδοσκόπιο τεύχος 37

Παρουσιάσεις

Ιούλιος - Αύγουστος 2012

διακηρυξη 04/2013 εσπα

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΤΑΡΤΟ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΓΩΝΙΑΣ

daikin times

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

Πληροφορίες ανά διεύθυνση

PDF - Ελληνική Εταιρεία Αθηροσκλήρωσης

Η ΔΙΟΔΟΣ ΕΠΑΦΗΣ

Αθήνα 2013 - Εθνικό Κέντρο Τεκμηρίωσης και Πληροφόρησης για τα