Het potentieel
zien
zien
Hoe een team bij Google KI gebruikt om doktoren te helpen blindheid bij diabetici te voorkomen.
Google-onderzoekswetenschapper Varun Gulshan was op zoek naar een project dat aan een aantal criteria voldeed.
Voor dit project werd gebruikgemaakt van de achtergrond van Gulshan op het gebied van de ontwikkeling van AI-algoritmen (kunstmatige intelligentie) en werd zijn interesse in wetenschap en geneeskunde gestimuleerd. Daarnaast zou het project in ideale omstandigheden mensen helpen in India, het thuisland van Gulshan.
Hij stuurde een e-mail naar Phil Nelson, directeur van Google Accelerated Science (GAS), met de vraag of er een dergelijk project gepland was.
Een aantal weken later opende Gulshan een digitale schijf met daarop honderden geanonimiseerde netvliesscans van een ziekenhuis in India. Nelson dacht dat hij wel een project had voor Gulshan, maar wilde eerst het volgende weten: kan een AI-model leren welke van deze scans symptomen van een specifieke oorzaak van blindheid vertonen, een aandoening met de naam diabetische retinopathie?
"Dit sloot perfect aan op mijn kennis en vaardigheden", zegt Gulshan, die al eerder met AI heeft gewerkt om handgebaren te herkennen. "Toen ik deze scans bekeek, kon ik zien dat deep learning redelijk goed werkt", legt hij uit. "We konden dit echt gebruiken voor deze problemen."
Een groeiende zorg
India telt zeventig miljoen diabetici en het aantal gevallen van diabetische retinopathie neemt toe. De aandoening veroorzaakt beschadigingen in het netvlies die totale blindheid tot gevolg kunnen hebben. 18% van de diabetici in India heeft deze aandoening al. Wereldwijd lopen 415 miljoen diabetici risico op blindheid (met de meeste gevallen in de Verenigde Staten, China en India), wat de aandoening een wereldwijde zorg maakt.
van de zeventig miljoen diabetici in India heeft deze aandoening.
Maar het goede nieuws is dat definitief zichtverlies niet onvermijdelijk is. Voor degenen die in een vroeg stadium zijn gediagnosticeerd, blijken medicatie, therapiesessies, oefeningen en een gezond dieet zeer effectief om verdere schade te voorkomen.
De uitdagingen
Bewustzijn is een groot probleem als het om diabetische retinopathie gaat. Volgens dr. Rajiv Raman, oogchirurg bij het Sankara Nethralaya-oogziekenhuis in Chennai (India), nemen veel diabetici aan dat vroegtijdige symptomen van de aandoening slechts kleine problemen met het zicht zijn. Het Hindi kent geen woord voor 'netvlies', dus alleen al praten over de aandoening is een hele uitdaging. "We hebben een woord voor staar, voor glaucomen is een woord in het Hindi en Tamil, maar voor diabetische retinopathie bestaat geen vertaling in deze talen", legt dr. Raman uit.
Dr. Rajiv Raman, oogchirurg bij het Sankara Nethralaya
Chennai, India
Maar terwijl een oogheelkundige de aandoening kan uitleggen en kan aangeven hoe regelmatige controles de progressie in kaart brengen, ligt de echte uitdaging in ervoor zorgen dat risicopatiënten een netvliescontrole laten doen. In de buitengebieden waar ook ter wereld heeft het grote aantal mensen met diabetische retinopathie in een vergevorderd stadium vaker te maken met infrastructuur dan met geneeskunde. De reis van huis naar de dichtstbijzijnde specialist kan lang zijn en meerdere afspraken nakomen is vaak erg moeilijk.
"Veel van de patiënten uit buitengebieden hebben diabetische retinopathie in een gevorderd stadium, maar weten niet dat ze diabeet zijn."
Het is vaak onmogelijk voor arme patiënten waarvan anderen afhankelijk zijn om ook voor zichzelf te zorgen. In plaats daarvan gaan ze gewoon door tot de effecten van diabetische retinopathie te erg worden om nog te kunnen negeren en dan is het vaak te laat. "Veel van de patiënten uit buitengebieden hebben diabetische retinopathie in een gevorderd stadium, maar weten niet dat ze diabeet zijn", zegt dr. Sheila John, hoofd Teleoogheelkunde bij het Sankara Nethralaya. "Ze raken hun zicht kwijt. In sommige gevallen zijn ze al aan één oog blind en moeten we het andere oog redden."
Patiënten in de rij buiten het Sankara Nethralaya-oogziekenhuis
Chennai, India
Het team samenstellen
De grootste uitdaging voor een diagnose van diabetische retinopathie is echter het gigantische aantal gevallen. Er zijn alleen al in India zeventig miljoen diabetici die moeten worden gescreend en er is te weinig getraind medisch personeel om de netvliesscans te beoordelen.
We moeten [patiënten] vroegtijdig screenen, wanneer het zicht nog goed is.
Maar volgens dr. R. Kim, Chief Medical Officer bij het Aravind-oogheelkundig centrum in Madurai (India), is het gewoon niet haalbaar voor specialisten om praktijken te openen in buitengebieden waar slechts een handjevol patiënten woont. "We moeten ze vroegtijdig screenen, wanneer het zicht nog goed is. Hoe moeten we dat doen?" vraagt dr. Kim. "Het is namelijk menselijk niet mogelijk om zeventig miljoen mensen te screenen."
Als de kunstmatige intelligentie van Google de diagnose van diabetische retinopathie kan vergemakkelijken door netvliesscans nauwkeurig te interpreteren, kan mogelijk het gezichtsvermogen van miljoenen mensen worden gered.
De uitdaging lag in het maken van een gegevensset waarvan het AI-model kon leren. Deze taak omvatte een afzonderlijke toewijzing van scores en labels aan alle scans voor verschillende ernstniveaus. Voor de oplossing van dat probleem zou een groot team oogheelkundigen nodig zijn om een score te geven aan de scans die het AI-model moest gebruiken.
Maar het team had meer kwaliteitsgegevens nodig om het AI-model de nuances te leren om een netvliesscan echt goed te interpreteren.
Het model laten leren
Het team werd vanaf het begin bijgestaan door de oogheelkundigen van het Aravind en Sankara Nethralaya om de netvliesscans van een label te voorzien. Na een aantal maanden was het model getraind om belangrijke symptomen van diabetische retinopathie te identificeren, zoals schade aan zenuwweefsel, zwellingen en bloedingen. En dankzij een grotere gegevensset konden Gulshan en het team het model nog nauwkeuriger maken.
Dr. Jorge Cuadros werd vervolgens aan het project toegevoegd. Hij is hoofd van het Eye Picture Archive Communication System (EyePACS), een telemedisch netwerk dat patiënten in buitengebieden in de Verenigde Staten in contact brengt met oogheelkundigen, in het kader van scans voor diabetische retinopathie. Patiënten die via EyePACS werden gescreend, moesten echter nog steeds een aantal weken wachten voor een beoordeling en dr. Cuadros wilde graag een steentje bijdragen om snellere diagnoses mogelijk te maken.
De door EyePACS gedeelde gegevens omvatten een groot aantal verschillende patiënten en de hoeveelheid was honderd keer zo groot als de gegevens die het AI-team tegen die tijd had verzameld. Dat betekende dat er enorm veel gegevens moesten worden gelabeld, omdat elke scan meerdere keren moest worden bekeken om een zo objectief mogelijk ernstniveau toe te wijzen. "Het model leert welke beoordelingen altijd consistent zijn gedaan", zegt Dale Webster, software-engineer bij Google. "Het resultaat hiervan is een uitslag die iets minder vooringenomen is en iets robuuster."
Tot op heden hebben bijna honderd oogheelkundigen meer dan één miljoen beoordelingen voor het AI-model ingediend.
Hoe de AI werkt
Hoe het AI-model werkt (1/4)
Meer dan vijftig oogheelkundigen hebben handmatig meer dan een miljoen anonieme netvliesscans bestudeerd en aan elk het niveau van diabetische retinopathie toegewezen.
Hoe het AI-model werkt (2/4)
Elke scan wordt meerdere keren bekeken en krijgt handmatig een beoordeling op een schaal van 1 (geen symptomen van diabetische retinopathie aanwezig) tot 5 (extreme symptomen aanwezig).
Hoe het AI-model werkt (3/4)
De beoordeelde scans worden vervolgens gebruikt voor een herkenningsalgoritme. Door duizenden beoordeelde beelden in te zetten voor het algoritme, kan het algoritme de symptomen van diabetische retinopathie opsporen; net zoals een oogheelkundige dat zou doen.
Hoe het AI-model werkt (4/4)
Zodra het algoritme is getraind, kan het worden gebruikt om een apparaat met de naam ARDA (Automated Retinal Disease Assessment, automatische assessment met betrekking tot netvliesaandoeningen) aan te sturen. Via de ARDA kan een gebruiker een netvliesscan uploaden om deze meteen te laten analyseren op diabetische retinopathie.
Van model tot apparaat
Voor alle teamleden was het idee dat ze dit model konden omzetten naar een daadwerkelijk ARDA-apparaat (Automated Retinal Disease Assessment, automatische assessment met betrekking tot netvliesaandoeningen) de primaire reden waarom ze bij het project betrokken wilden zijn.
De sleutel tot die transformatie werd gevormd door een ander Google-teamlid, Lily Peng. Peng is arts en wordt net als de rest van het oogheelkundige team gedreven door de mogelijkheid een echte impact op de medische wereld te hebben.
"Ik zag dat we veel goede ideeën hadden. Heel veel beloften", zegt ze. "Maar waarom stranden die vaak voordat ze patiënten bereiken?"
Lily Peng, Google
Peng zag voor zich dat de ARDA kon worden ingezet in een klinische omgeving, maar om daar te komen, waren allerlei onderzoeken en goedkeuringen vereist. Het team heeft zich daarom op twee doelen gericht: een klinisch onderzoek uitvoeren om de ARDA in de praktijk te testen en een paper schrijven over de onderzoeksresultaten voor het Journal of the American Medical Association (JAMA).
"We wilden dit via het JAMA doen, omdat het JAMA de focus op geneeskunde legt", aldus Nelson. "We wilden niet alleen laten zien dat we dit konden: we wilden onszelf op de kaart zetten onder artsen."
Een ander onderdeel bij het op de kaart zetten van het ARDA-apparaat was een presentatie van hun werk aan de Food and Drug Administration (FDA). Samen met Nelson gaf Peng een prachtige presentatie over de voordelen van AI. Peng was een belangrijk voorstander en vertaler binnen de verschillende community's die hielpen de ARDA te realiseren.
"Ze spreekt alle talen", zegt Gulshan, "dus ze kon met ons praten en de technische uitdagingen van onze werkzaamheden begrijpen, maar ze begreep ook wat de artsen zeiden en wat belangrijk is als het om impact gaat. Lily zette dat om in iets wat we nu in een kliniek zouden kunnen gebruiken."
Een nieuw soort thermometer
Niemand in het Google-team had ervaring met het maken van een medisch apparaat. Daarom schakelde het team Verily in, een op de gezondheidszorg gericht Alphabet-bedrijf (Alphabet is ook eigenaar van Google), om de regelgevende en klinische onderdelen aan te sturen die vereist zijn voor goedkeuring van de ARDA-technologie als medisch apparaat.
Verily is geaccepteerd voor het onlangs aangekondigde pilotprogramma van de FDA voor certificering vooraf. Het bedrijf is samen met acht andere bedrijven uit honderden aanmeldingen geselecteerd voor dit programma en gebruikt zijn kennis om de ARDA-werkzaamheden te begeleiden tijdens klinische onderzoeken in India. Gulshan doet hetzelfde: hij is weer naar India verhuisd om artsen en verpleegkundigen te helpen het apparaat te gebruiken.
Een betere blik
Nadat patiënten een optometrist hebben bezocht, worden ze allemaal onderzocht door een oogheelkundige van het Sankara Nethralaya. Als de oogheelkundige mogelijke oogschade ziet, wordt er een netvliesscan gemaakt.
"Goedkeuring van de officiële instanties is belangrijk", zegt Peng, "maar het is nog belangrijker dat de artsen die met ons samenwerken vertrouwen hebben in wat ze doen en zich op hun gemak voelen wanneer ze de software gebruiken. En zo gaat het dus niet alleen om veiligheid en effectiviteit, maar ook of dit een nuttige oplossing voor ze is."
In een recent klinisch onderzoek werd de ARDA ingezet om de scans van drieduizend diabetespatiënten van twee ziekenhuizen in India te beoordelen. Deze beoordelingen werden vergeleken met de bevindingen van artsen en die vergelijking bevestigde wat het onderzoek in 2016 in JAMA liet zien: het model presteerde op hetzelfde niveau als de bestaande artsen die patiënten screenen.
Dr. Rajiv Raman controleert een netvliesscan op tekenen van diabetische retinopathie.
Chennai, India
Voor dr. Cuadros is het belangrijkste voordeel van de ARDA wiskunde. Hij geeft aan dat het percentage mensen met diabetische retinopathie in de Verenigde Staten daalt: een indicatie dat de preventieve behandeling werkt. Maar omdat het percentage diabetici stijgt, blijft het totale aantal patiënten met diabetische retinopathie hetzelfde. Het aantal mensen dat moet worden gescreend, neemt toe, terwijl de vraag naar behandelingsexpertise hetzelfde blijft.
En oogheelkundigen voelen de nood.
"Ik moet eigenlijk elke dag 3000 patiënten screenen, wat onmogelijk is", zegt dr. Raman. "Je hebt dus echt extra hulp nodig. De ARDA is mijn extra hulp."
Dr. Rajiv Raman, oogheelkundige
In dergelijke situaties is de toevoeging van expertise aan primaire zorg een enorm voordeel. "Als de ARDA in de artsenpraktijk kan worden gebruikt, zou dit een enorm verschil maken, omdat je dan meer patiënten kunt screenen", zegt dr. Kim. "De oogheelkundige kan zich dan focussen op de behandeling van patiënten met retinopathie."
Dr. Raman stelt zich een apparaat voor dat net zo gebruikelijk is als een thermometer of zelfs een glucosemeter, een diagnostisch hulpmiddel dat diabetici al gebruiken om hun bloedsuiker te meten. "Mijn taak is niet om te screenen op diabetische retinopathie", legt hij uit. "Mijn taak is laserbehandelingen, injecties en ingrepen uitvoeren om patiënten te helpen hun blindheid te verminderen."
Maar het maakt niet uit wat de diagnose is: ze zijn het er allemaal mee eens dat bewustzijn van essentieel belang is voor de gezondheid. De diagnose diabetische retinopathie kan zelfs tot betere resultaten leiden. "Als je een netvliesaandoening vroegtijdig ontdekt wanneer er geen behandeling nodig is, is dat nog steeds een mogelijkheid voor de patiënt om in te zien dat diabetes het lichaam begint aan te tasten", zegt. dr. Cuadros. "Hopelijk is dat een motivatie voor die patiënten om hun bloedsuiker beter in de gaten te houden."
Een diagnostisch voordeel
Er worden meer onderzoeken gedaan, waaronder doorlopende klinische onderzoeken in India. Dit is de eerste keer dat er screenings op dit niveau worden uitgevoerd. En de teams van Google en Verily zijn optimistisch over de mogelijkheden die zich ook buiten diabetische retinopathie voordoen. "Sinds het JAMA-artikel hebben we nog meer vooruitgang geboekt", aldus Nelson. "We hebben onlangs een paper gepubliceerd in Nature Biomedical Engineering waarin we laten zien dat we via een netvliesscan niet alleen verschillende risico's voor het hart- en vaatstelsel kunnen voorspellen, maar ook het risico op een groot incident binnen dit stelsel."
Op een dag is het vaststellen van ernstige aandoeningen misschien net zo makkelijk als het opnemen van de temperatuur of het controleren van de bloeddruk. Maar op de korte termijn kunnen miljoenen diabetici hun zicht behouden dankzij een AI-algoritme dat artsen helpt snel diabetische retinopathie op te sporen.
