Взгляд
в будущее
в будущее
Как специалисты Google используют искусственный интеллект, чтобы помочь врачам в профилактике слепоты у больных диабетом.
Исследователь из команды Google Гульшан Варун хотел поучаствовать в проекте, который соответствовал бы определенным критериям.
Во-первых, Гульшан рассчитывал применить в работе над ним свой опыт по созданию алгоритмов искусственного интеллекта. Во-вторых, проект должен был быть связан с наукой и медициной. И наконец, мечтой Гульшана было принести пользу жителям его родной страны – Индии.
Гульшан написал руководителю команды Google Accelerated Science (GAS) Филу Нельсону и спросил, не работают ли его коллеги над подходящим проектом.
Спустя несколько недель разработчик получил носитель информации с сотнями анонимных снимков сетчатки, которые были сделаны в одной из индийских больниц. Нельсон был готов подключить претендента к проекту, но сначала хотел узнать, можно ли научить разработанную Гульшаном модель искусственного интеллекта выявлять снимки, на которых есть признаки диабетической ретинопатии – заболевания, которое является причиной слепоты.
"Это был идеальный для меня проект, – отмечает Гульшан, который участвовал в разработках решения на основе искусственного интеллекта, которое предназначено для распознавания жестов. – Глядя на полученные снимки, я подумал, что для решения поставленной задачи должен подойти метод глубинного обучения".
Актуальная проблема
Поскольку от диабета страдают 70 млн жителей Индии, диабетическая ретинопатия представляет в этой стране все более серьезную угрозу. Это заболевание приводит к патологическим изменениям внутренней стороны сетчатки, которые могут вызвать полную потерю зрения. Оно встречается у 18 % больных диабетом в Индии и является глобальной проблемой, поскольку уже 415 млн диабетиков по всему миру рискуют своим зрением (наибольшее их число приходится на США, Китай и Индию).
из 70 млн больных диабетом в Индии страдают от диабетической ретинопатии.
Однако предотвратить полную потерю зрения вполне возможно. Если своевременно диагностировать заболевание, дальнейшее снижение зрительных функций можно остановить благодаря специальным лекарствам, процедурам, упражнениям и здоровому питанию.
Сложности
Важная проблема, связанная с диабетической ретинопатией, – недостаточная информированность пациентов. По словам доктора Раджива Рамана, специалиста по хирургии сетчатки из Глазной больницы Санкара Нетралайя, Ченнаи (Индия), многие больные диабетом воспринимают ранние признаки заболевания лишь как незначительные проблемы со зрением. Поскольку в хинди нет слова, обозначающего сетчатку, с пациентом сложно даже обсуждать этот вопрос. "Как в хинди, так и в тамильском языке есть слова, которые обозначают катаракту и глаукому. Что касается диабетической ретинопатии, то таких слов в этих языках нет", – отмечает доктор Раман.
Доктор Раджив Раман, специалист по хирургии сетчатки глаза в Глазной больнице Санкара Нетралайя
Ченнаи, Индия
Офтальмолог может рассказать о диабетической ретинопатии и о важности регулярных осмотров для ее контроля, но основная сложность заключается в том, чтобы организовать обследование сетчатки глаз у пациентов из группы риска. Высокая распространенность заболевания на поздней стадии среди сельских жителей по всему миру в большей степени связана с проблемами инфраструктуры, чем медицины. Для того чтобы просто обратиться к врачу, некоторым больным приходится преодолевать значительные расстояния, а попасть на прием к нескольким специалистам зачастую очень сложно.
"Многие сельские жители, которые страдают от диабетической ретинопатии на поздней стадии, даже не знают, что у них диабет".
Зачастую пациенты, которые находятся за чертой бедности и обеспечивают других членов семьи, не успевают позаботиться о себе. Они просто не обращают внимания на признаки диабетической ретинопатии, пока проблемы не становятся слишком серьезными. В результате многим из них уже ничем помочь нельзя. "Многие сельские жители, которые страдают от диабетической ретинопатии на поздней стадии, даже не знают, что у них диабет, – отмечает доктор Шейла Джон, заведующая отделением телеофтальмологии в Глазной больнице Санкара Нетралайя. – Их зрение непрерывно ухудшается. У некоторых пациентов уже не видит один глаз, [и] мы должны спасать второй".
Пациенты рядом с Глазной больницей Санкара Нетралайя
Ченнаи, Индия
Как собрать команду
Главная проблема диагностики диабетической ретинопатии – огромное количество пациентов. В одной лишь Индии от диабета страдают 70 млн человек. Всех этих людей нужно обследовать, а для этого не хватает квалифицированных специалистов.
Выявлять заболевание нужно на ранних этапах, пока зрение [пациентов] не испортилось
По словам доктора Р. Кима, главного врача Глазной больницы Аравинд в Мадурае (Индия), открывать частную практику в малонаселенной сельской местности крайне затруднительно. "Выявлять заболевание нужно на ранних этапах, пока зрение не испортилось, но как это организовать? – задается вопросом доктор Ким. – Обследовать 70 млн пациентов – это выше человеческих сил".
Требовалось научить решения Google, основанные на искусственном интеллекте, точно анализировать снимки сетчатки глаз пациентов. Это позволило бы упростить диагностику диабетической ретинопатии и, возможно, спасти зрение миллионам людей.
Сложность заключалась в создании набора данных, который должен был быть использован при обучении модели. Для этого требовалось оценить все снимки на предмет уровня тяжести заболевания и соответствующим образом пометить их. Чтобы решить эту задачу, большой команде офтальмологов потребовалось проставить оценки на снимках, которые позднее демонстрировались модели во время обучения.
Однако для того, чтобы система могла по-настоящему разбираться в нюансах изображений сетчатки, требовались более точные данные.
Обучение модели
На первых порах оценивать снимки команде помогали офтальмологи из Глазных больниц Аравинд и Санкара Нетралайя. Спустя несколько месяцев модель удалось научить распознавать ключевые маркеры диабетической ретинопатии, такие как поражения нервных тканей, отеки и кровотечения. Гульшан был уверен, что модель сможет стать ещё точнее, если набор данных будет больше.
На этом этапе к работе над проектом подключился доктор Хорхе Куадрос, руководитель команды EyePACS (Eye Picture Archive Communication System, система архивации и передачи и изображений глаз). Вместе со своими коллегами он внедряет решение, позволяющее пациентам из сельских районов США обращаться к офтальмологам для обследования на предмет диабетической ретинопатии. Однако пациенты, проходящие обследование с помощью EyePACS, по-прежнему вынуждены неделями ждать оценки тяжести заболевания на основе анализа снимков. Поэтому доктор Куадрос охотно принял участие в создании системы, способной ускорить диагностику.
В системе EyePACS было собрано в сто раз больше данных, чем удалось получить на тот момент разработчикам ARDA. Требовалось выполнить огромный объем работы по оценке изображений, поскольку каждый снимок изучается несколько раз, чтобы снизить влияние человеческого фактора. "Модель запоминает согласованные решения специалистов, – отмечает инженер компании Google Дейл Уэбстер. – Благодаря этому мы получаем более беспристрастные и надежные оценки".
На сегодняшний день около 100 офтальмологов поставили более 1 млн оценок для обучения модели искусственного интеллекта.
Как работает искусственный интеллект
Как работает модель искусственного интеллекта (1/4)
Более 50 офтальмологов изучили свыше 1 млн анонимных снимков сетчатки глаз и оценили уровень тяжести диабетической ретинопатии на каждом из них.
Как работает модель искусственного интеллекта (2/4)
Каждый снимок проверяется несколько раз и вручную оценивается по шкале от 1 до 5, где 1 означает, что признаков диабетической ретинопатии не обнаружено, а 5 – что таких признаков чрезвычайно много.
Как работает модель искусственного интеллекта (3/4)
Снимки, помеченные в соответствии со степенью тяжести заболевания, обрабатываются алгоритмом, который осуществляет распознавание. Если таких снимков будут тысячи, модель научится распознавать признаки диабетической ретинопатии так же уверенно, как врач-офтальмолог.
Как работает модель искусственного интеллекта (4/4)
Обученную модель можно использовать в устройстве для автоматизированной диагностики заболеваний сетчатки (ARDA). Оно обрабатывает загруженный в него снимок сетчатки глаза пациента и моментально предоставляет результаты анализа на предмет диабетической ретинопатии.
От модели к устройству
При работе над проектом все участники команды стремились к одной цели – создать на основе модели искусственного интеллекта устройство, способное автоматически диагностировать заболевания сетчатки (Automated Retinal Disease Assessment, ARDA).
Ключевую роль в достижении этой цели играла ещё одна сотрудница Google – Лили Пенг. Она получила медицинское образование и, как и остальные участвующие в проекте офтальмологи, стремилась найти решение, позволяющее эффективнее помогать пациентам.
Я видела, что у нас было много интересных, перспективных идей. Почему же некоторые из них так и не удалось реализовать?
Лили Пенг, Google
Лили считала, что устройство ARDA подходит для использования в медицинских учреждениях, но для этого требовалось провести обязательные исследования, а также получить одобрение регулирующих органов. В связи с этим ее команде нужно было решить две задачи: провести клинические исследования, тем самым опробовав устройство ARDA на настоящих пациентах, и описать результаты этой работы в статье для журнала Американской медицинской ассоциации (Journal of the American Medical Association, JAMA).
"Мы выбрали именно этот журнал, поскольку он связан с медицинской практикой, – отмечает Нельсон. – Нашей задачей было не просто описать возможности устройства, а привлечь к нему внимание врачей".
Кроме того, чтобы обратить внимание общественности на устройство ARDA, команда представила результаты своей работы сотрудникам Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (Food and Drug Administration, FDA). При поддержке Нельсона Лили подробно и доходчиво рассказала им о преимуществах решений, использующих искусственный интеллект. Эта энергичная женщина смогла вызвать интерес к проекту у представителей различных организаций и сообществ, от которых зависело внедрение ARDA в медицинскую практику, и организовать взаимодействие между ними.
"Лили может найти общий язык с кем угодно, – рассказывает Варун. – Ей было достаточно пообщаться с нами, чтобы разобраться в технических аспектах нашей работы. Точно так же она получила нужные сведения от врачей и поняла, к каким результатам нужно стремиться. Затем Лили систематизировала собранную информацию и с ее помощью создала устройство, которое можно использовать в больницах".
Просто, как термометр
Поскольку сотрудники Google никогда прежде не участвовали в работе над медицинским оборудованием, они обратились в компанию Verily, которая занимается исследованиями в области здравоохранения и наряду с Google принадлежит холдингу Alphabet. Участники команды хотели узнать, какие законодательные и клинические требования им необходимо соблюсти, чтобы устройство ARDA было одобрено как медицинский прибор.
Компания Verily вошла в число девяти организаций, выбранных FDA из нескольких сотен претендентов для участия в пилотной программе предварительной сертификации ПО. Опираясь на свой опыт работы в отрасли, компания Verily содействует проведению клинических испытаний ARDA в Индии. Специалистам Verily помогает Гульшан Варун, который вернулся в Индию, чтобы обучать медицинский персонал работе с устройством.
Тщательный осмотр
Каждого пациента Глазной больницы Санкара Нетрайя после приема у оптометриста осматривает офтальмолог. Если пациент подвержен риску развития глазных заболеваний, он проходит сканирование сетчатки.
"Получить одобрение регулирующих органов очень важно, – отмечает Лили, – но ещё важнее помочь в освоении нового ПО врачам, которые с нами работают. Нас интересует не только безопасность и эффективность этого решения, но и то, принесет ли оно им пользу".
В рамках недавних клинических испытаний устройство ARDA использовалось для анализа снимков глазного дна у 3000 больных диабетом в двух индийских больницах. Сравнение оценок, полученных с помощью устройства, и врачебных заключений подтвердило результаты исследования 2016 года, изложенные в статье для журнала Американской медицинской ассоциации. Модель ставила такие же диагнозы, что и врачи, которые осматривали пациентов.
Доктор Раджив Раман проверяет, есть ли на снимке сетчатки глаза пациента признаки диабетической ретинопатии
Ченнаи, Индия
По словам доктора Куадрос, главное преимущество устройства ARDA можно оценить с помощью простых подсчетов. Поскольку доля больных диабетической ретинопатией в США снижается, значит профилактические меры приносят результаты. В то же время распространенность диабета растет, поэтому общее число пациентов с диабетической ретинопатией остается неизменным. Количество людей, нуждающихся в обследовании, увеличивается, тогда как требования к опыту медицинских работников остаются прежними.
Это создает офтальмологам немало проблем.
Мне нужно было бы бы принимать по 3000 пациентов в день, но это невозможно, – говорит доктор Раман. – Это значит, что мне нужна чья-то помощь, и я получил ее благодаря решению ARDA.
Доктор Раджив Раман, врач-офтальмолог
В этих условиях новое решение от разработчиков из Google становится для врачей первичного звена существенным подспорьем. "Если устройство ARDA подходит для терапевтов, оно очень поможет им в работе, ведь они смогут ставить диагнозы большему количеству пациентов, – объясняет доктор Ким. – В этом случае офтальмолог сможет сосредоточиться на работе с больными ретинопатией".
Доктор Раман мечтает об устройстве, которое применялось бы так же широко, как обычный термометр или хотя бы глюкометр (диагностический прибор для измерения уровня сахара в крови у диабетиков). "В мои обязанности входят не обследования на предмет диабетической ретинопатии, а работа со средствами лазерной терапии, инъекции, проведение хирургических операций и помощь пациентам в борьбе с потерей зрения", – отмечает он.
Однако в каком направлении бы ни развивалась диагностика, решающее значение для здравоохранения имеет своевременное обнаружение заболевания. В случае диабетической ретинопатии это обычно обеспечивает высокую эффективность лечения. "Если обнаружить поражение сетчатки на ранней стадии, пациенту даже не требуется терапия, – отмечает доктор Куадрос. – Мы сообщаем ему о том, что диабет начинает влиять на его организм. Хочется надеяться, что больной после этого начнет тщательнее следить за уровнем сахара в крови".
Прорыв в диагностике
В планах разработчиков – целая программа исследований, которая включает текущие клинические испытания в Индии. Впервые обследования с использованием устройства ARDA будут проводиться на таком уровне. Участники проекта из компаний Google и Verily уверены, что возможности их разработки не ограничиваются выявлением диабетической ретинопатии. "С момента [публикации нашей статьи в журнале Американской медицинской ассоциации] мы продвинулись ещё дальше, – поясняет Нельсон. – Недавно мы опубликовали нашу новую работу в журнале Nature Biomedical Engineering и рассказали в ней, что на основании снимка сетчатки глаза можно выявить не только возможные проблемы с сердечно-сосудистой системой, но и определить риск возникновения серьезных сердечно-сосудистых заболеваний".
Возможно, в будущем диагностировать тяжелые болезни будет так же просто, как измерить температуру или давление. А в ближайшие годы миллионы больных диабетом смогут сохранить зрение благодаря технологии, которая основана на модели искусственного интеллекта и позволяет своевременно выявлять диабетическую ретинопатию.
