Болезнь Паркинсона: диагностику проводит искусственный интеллект
Максимально простой и точный способ выявить нейродегенеративное заболевание
Задачу ранней диагностики болезни Паркинсона поставили перед собой ученые Сколковского института науки и технологий (Сколтех). Видеокамера, несколько упражнений и машинное обучение — вот составные части системы, способной детектировать болезнь, определять ее стадию и отслеживать динамику развития с точностью до 95%.
Фото: Getty Images
Идея проекта возникла у профессора Сколтеха, кандидата технических наук Андрея Сомова в 2017 году, когда он познакомился с нейрохирургом, заведующим нейрохирургическим отделением стационара Федерального медицинского биофизического центра (ФМБЦ) им. А. И. Бурназяна ФМБА России, кандидатом медицинских наук Максимом Сергеевичем Семеновым. Опытный нейрохирург, человек с пытливым умом, Семенов давно интересовался проблемой диагностики болезни Паркинсона, которую нельзя вылечить, но можно эффективно затормозить, если выявить на ранних стадиях. Он предложил Андрею Сомову объединить усилия и разработать систему диагностики с использованием искусственного интеллекта. Об идее узнала Екатерина Витальевна Бриль, невролог, кандидат медицинских наук, руководитель Федерального неврологического центра экстрапирамидных заболеваний (группа двигательных нарушений, возникающих в результате повреждения некоторых структур головного мозга.— «Ъ-Наука») и психического здоровья ФМБЦ им. А. И. Бурназяна, которая совместно с коллегой — кандидатом медицинских наук неврологом Ольгой Сергеевной Зимняковой активно поддержала группу ученых и создала все условия для сотрудничества. Так возникла команда единомышленников, ядром которой стала научная группа Центра сквозного проектирования Сколтеха под руководством Андрея Сомова. «Сегодня диагностика болезни Паркинсона во всем мире строится на опыте врача,— объясняет ученый.— Мы хотели вместе с медиками создать объективный инструмент для детектирования болезни. Сделать систему второго мнения, помогающую врачам».
Схема «домашней» диагностической системы
Как и любую другую, болезнь Паркинсона важно выявить именно на ранней стадии: благодаря своевременному лечению пациент может снизить риск развития тяжелых форм недуга и в целом повысить качество жизни. Но есть и экономическое обоснование. «На терапию пациента, у которого болезнь Паркинсона обнаружена на первой стадии, государство потратит около 700 тыс. руб. до конца его жизни, а при выявлении на поздних стадиях цифра вырастет до 2,5 млн»,— говорит Андрей Сомов.
Чем опасна болезнь Паркинсона
Болезнь Паркинсона относится к числу нейродегенеративных расстройств. Это означает прогрессирующую гибель нервных клеток (нейродегенерация), вызывающую большой набор неврологических симптомов, главным образом деменцию и нарушение двигательной активности. Болезнь неизлечима, но существующими методами можно замедлить ее развитие. Среди нейродегенеративных заболеваний болезнь Паркинсона по распространенности в мире стоит на втором месте после болезни Альцгеймера. В России ежегодно выявляется только от 2 до 16 новых случаев на 100 тыс. населения, при этом средняя выявляемость заболевания в мире достигает 180 человек на 100 тыс. населения. В итоге, по различным оценкам, в России проводят лечение от 250 тыс. до 300 тыс. человек на поздних стадиях заболевания, когда симптомы проявляются максимально ярко, а эффективность медикаментозного лечения очень низкая даже при больших дозировках. По данным ученых Сколтеха, синдромальный диагноз (когда симптомы описаны, а причина не установлена) «паркинсонизм» правильно поставлен неврологами поликлиник примерно 3/4 обратившихся больных (48,6% — гиподиагностика, 39% — гипердиагностика, 20% вызвали затруднение у врача в амбулаторном звене). Впрочем, международный опыт диагностики болезни Паркинсона тоже далек от идеала: как пишут испанские медики в Lancet Neurology, клинико-анатомический анализ образцов, хранящихся в банках головного мозга Великобритании и Канады, показал, что болезнь Паркинсона была неправильно диагностирована в 25% случаев. Диагностические ошибки приводят к неправильному планированию терапии и лекарственных закупок, а пациентам приходится принимать сильнодействующие препараты с целым рядом серьезных побочных действий. Понятно, что своевременная и правильная диагностика может решить значительную часть проблем, замедлить прогрессирование болезни и улучшить качество жизни больных.
Специалисты приняли решение разработать максимально простую в использовании, одинаково удобную для врачей и пациентов высокоточную систему, чтобы неврологи или даже терапевты могли проводить диагностику на местах, в районных поликлиниках и амбулаториях, в том числе в ходе диспансеризации. По задумке, тестирование должно занимать не больше пяти минут, позволяя с высокой точностью диагностировать не только болезнь Паркинсона, но и ряд других заболеваний, похожих по симптоматике, в том числе эссенциальный тремор и дистонию.
Виноваты бактерии из кишечника?
Ученые из Университета Суррея обнаружили, что почти 30% видов бактерий, живущих в кишечнике человека, у пациентов с болезнью Паркинсона иные, нежели у здоровых людей. Кстати, запор — один из надежных симптомов болезни Паркинсона. В исследовании участвовало 490 человек с болезнью Паркинсона и 234 неврологически здоровых человека. Каждый предоставил образец стула и информацию о себе. Один из примеров — бактерия Bifidobacterium dentium, в некоторых случаях она вызывает абсцессы головного мозга. Так вот: содержание этой бактерии в кишечнике у людей с болезнью Паркинсона было всемеро выше, чем у здоровых людей. Обратная ситуация — с Roseburia intestinalis: эта бактерия, живущая в здоровом толстом кишечнике, обнаруживается у людей с Паркинсоном в 7,5 раза реже. И вообще, доля патогенных и условно-патогенных бактерий у больных с Паркинсоном заметно больше, чем у здоровых. Пока нельзя сказать, меняется ли бактериальный состав после того, как человек заболевает Паркинсоном, или же изменения в бактериальном населении кишечника ведут к болезни Паркинсона.
За дело берется ИИ
Научная группа, которую возглавляет Андрей Сомов, занимается применением сенсорных технологий, в том числе видеокамер с использованием методов машинного обучения, которые решают различные задачи детектирования, классификации и т. д. Эти технологии идеально подошли для диагностики болезни Паркинсона. Вначале ученые вместе с медиками разработали 15 упражнений, каждое из которых выполняется за 40 секунд. Делать упражнения пригласили здоровых и больных. Движения фиксировали при помощи датчиков, установленных на запястьях, и видеокамерой. «Мы использовали специальную библиотеку, которая на полученных изображениях отмечала ключевые точки, например там, где находятся плечи, локоть, кисть, колени и т. д.,— говорит Андрей Сомов.— После мы проанализировали движения этих точек и выявили определенные отклонения, будь то тремор, замирания и другие процессы. Полученные данные мы размечали вместе с неврологами. То есть говорили нашей системе: этот пациент здоров, у этого болезнь Паркинсона, условно говоря, в третьей стадии, а у следующего, например, эссенциальный тремор. Таким образом нейросеть тренировалась запоминать, кто здоровый, а кто больной, и на какой стадии находится болезнь. На приеме у врача натренированная нейросеть сможет с 95-процентной вероятностью определять болезнь и ее стадию».
Различия в показаниях здоровых и больных пациентов (Здоровый пациент)
Когда нейросеть была обучена, число упражнений сократили до пяти. «Мы посмотрели, какую точность детектирования дает каждое упражнение, проанализировали признаки, наиболее важные при анализе действий пациента, и пришли к выводу, что пять ключевых упражнений позволят определять болезнь с той же точностью, что и пятнадцать,— отмечает Андрей Сомов.— Это позволит сократить время тестирования, ведь на прием одного пациента у невролога отводится всего 22 минуты».
Различия в показаниях здоровых и больных пациентов (Пациент c БП 2-ой стадии)
В дальнейшем получать данные о своем состоянии сможет и сам пациент. Ученые планируют выпустить приложение для смартфона. Достаточно выполнить упражнения перед камерой смартфона, полностью попадая в кадр, и система поставит диагноз. Ту же информацию можно получить при помощи браслетов с встроенными датчиками движения. Человек делает упражнения, датчики фиксируют движения, и система передает врачу готовую аналитику, а пациенту могут быть даны соответствующие рекомендации.
Различия в показаниях здоровых и больных пациентов (Пациент c дистонией)
Диагностика идет в массы
Прототип уже прошел тестирование в ФМБЦ им. А. И. Бурназяна. Инноваторы из Сколтеха ставят своей целью помочь пациентам, у которых нет возможности обратиться в специализированные лечебные учреждения, а также тем, у кого симптомы болезни Паркинсона, возможно, еще не заметны. Поэтому они договорились об испытаниях в одной из городских поликлиник Москвы (ГП №2 ДЗМ), где есть кабинет невролога и пациенты не только регулярно обращаются со своими жалобами, но и проходят диспансеризацию. Андрей Сомов уверен, что в таких условиях, кроме прочего, удастся провести масштабное пилотное исследование системы и с технической, и с алгоритмической точек зрения, и понять, удобно ли медицинским работникам и пациентам ею пользоваться.
Характерные кривые при болезни Паркинсона
В планах ученых — оснастить системой всех неврологов Москвы, а затем и других регионов России. «В перспективе мы снабдим все поликлиники, даже в глубинке, где не хватает специалистов, и поможем наибольшему числу пациентов»,— уверен Сомов. Есть идея установить систему в психоневрологических диспансерах, в павильонах «Здоровье», которые все лето открыты в парках Москвы, в помещениях, где работают кружки для пожилых, в центрах «Мои документы», чтобы люди могли пройти тест, пока ждут очереди. «Я видел в одном из центров "Мои документы" и в бизнес-центрах Москвы кресла для мобильной ЭКГ-диагностики,— продолжает руководитель научной группы.— Обработанные данные в виде PDF-документа отправляются человеку на электронную почту, там же даются базовые рекомендации, стоит обратиться к врачу или нет. Такие системы не могут ставить диагноз, но могут предупредить человека и рекомендовать обратиться к специалисту».
Другие способы ранней диагностики Паркинсона
О разработке устройства, способного с точностью более 85% диагностировать болезнь Паркинсона на ранних стадиях по дыханию человека во сне, сообщил Массачусетский технологический институт (США) в журнале Nature Medicine. Устройство представляет собой нейронную сеть, способную не только улавливать самые первые, незаметные признаки болезни, но и определять стадии заболевания, а также следить за его развитием в динамике. Данные поступают в систему через специальный пояс или при помощи прибора, который посылает радиосигнал, анализирует, как он отражается от окружающих предметов, вычленяет дыхание человека и передает полученный ответ в нейросеть, которая определяет наличие болезни. Алгоритм протестировали на 7687 добровольцах, в том числе на 757 пациентах с болезнью Паркинсона. Связь между болезнью Паркинсона и дыханием отмечал еще ее первооткрыватель Джеймс Паркинсон в 1817 году, пишут исследователи. Дальнейшее изучение выявило дегенерацию зон мозга, контролирующих дыхание, а также ослабление функции дыхательной мышцы и нарушение дыхания во время сна. Известно также, что респираторные симптомы проявляются задолго до двигательных расстройств. Это и навело ученых на мысль, что особенности дыхания могут стать надежным маркером для оценки риска развития болезни Паркинсона.
Российские ученые из Высшей школы экономики и Института биологии развития имени Н. К. Кольцова РАН в научном журнале Molecular Neurobiology описали свой метод диагностики болезни Паркинсона по крови. Они изучили маркеры в крови пациентов на ранней стадии болезни и участников контрольной группы, а затем смоделировали на мышах досимптомную стадию и болезнь с клиническими проявлениями. Потом сравнили результаты и выявили три маркера, одинаковых для симптомного и бессимптомного течения болезни. Именно эти маркеры позволят диагностировать болезнь Паркинсона на ранней стадии, пока двигательные симптомы еще не проявились, делают вывод исследователи.
Еще один интересный аспект — работа с фармацевтическими компаниями: система может помочь объективно оценивать эффективность препаратов и выявлять побочные эффекты. «Наша система, способная работать 24/7, может отследить малейшие изменения в состоянии пациента, на основании которых фармкомпании смогут корректировать состав имеющихся лекарств»,— указывает Андрей Сомов.
Результаты исследований ученых и врачей опубликованы в ведущих международных научных журналах, зарегистрированы три патента, связанных с разработкой системы, и в ближайшее время предстоит регистрация «изделия» в Росздравнадзоре. «Все это стоит денег,— говорит Андрей,— и мы сейчас из ученых-инноваторов превращаемся в стартаперов, которые привлекают средства, чтобы прототип можно было довести до конечного продукта, готового к масштабному внедрению. Наша миссия — как можно быстрее помочь специалистам и всем пациентам, которые с нетерпением ждут нашу систему. Мы не можем их подвести».