Российские ученые научили нейросеть выявлять COVID-19 по снимкам компьютерной томографии

Во время бушующей пандемии важная каждая секунда. Для такой разработки потребовалось создать специальный алгоритм и обучить систему на 10 000 снимках. Новую технологию, которая спасет миллионы жизней, разработал заведующий кафедрой Новосибирского государственного университета информатики и управления (НГУЭУ) Сергей Терещенко.

Пандемия неизвестного вируса

Новый коронавирус, впервые появившийся в Китае, быстро привлек внимание ученых всего мира.

Эпидемиологи провели полевые исследования, чтобы выяснить, как появился новый вирус. Они проводили опросы среди населения и в медицинских учреждениях и собирали образцы из носа и горла для лабораторных анализов. Эти исследования показали им, кто был инфицирован, когда они заболели и где они были непосредственно перед тем, как заболеть. Используя эту информацию, эпидемиологи определили, что вирус, возможно, пришел от животного, проданного на рынке. Новый вирус оказался коронавирусом, а коронавирусы вызывают тяжелый острый респираторный синдром. Болезнь, вызванная вирусом, была названа COVID-19.

Промедление в диагностике, которые обернулось смертями

В начале первой волны коронавируса уникальной разработки российских ученых еще не было. Сейчас она спасает тысячи жизней, но первым заболевшим в Румынии в самом начале пандемии коронавируса не повезло. Всего за несколько дней скончалось семь человек: им не успели поставить нужный диагноз, тесты прошли с опозданием, врачи не смогли сохранить им жизнь.

Как позже объяснили власти, их случаи не соответствовали «старым критериям для проверки».

Конечно, после такого инцидента румынское правительство расширило критерии для диагностики COVID-19. Однако у тех семи граждан, умерших первыми, болезнь обнаружили только после нескольких дней ожидания. Что тогда, в начале пандемии, что сейчас, когда человечество не понимает, какая волна коронавируса бушует — первая, вторая, третья… Лечения заболевания нет. Своевременный диагноз для тех погибших помог бы не только спасти жизнь семерых человек. Промедление с тестами не позволило выявить и изолировать круг контактных лиц пациентов и уменьшить риск заражения. Сколько людей тогда передали инфекцию окружающим – остается неизвестным до сих пор.

Первая смерть была зафиксирована в городе Филиаши у пациента, который вернулся из Франции. Тогда эта страна не входила в зону риска, группу опасных стран, где уже бушевала пандемия. 15 марта врачи из отделения неотложной помощи запросили тест на COVID-19, но получили отказ властей, потому что пациент не соответствовал определенным критериям.

Прошло целых 48 часов, и по настоянию врачей пациента все же проверили. На следующий день результат теста оказался положительным. Однако что-то делать уже было поздно. Еще через четыре дня пациент скончался. По предварительным оценкам, путешественник из Франции успел заразить медперсонал, как минимум 23 медикам из Филиаши пришлось находиться в изоляции. И это в марте, когда количество зараженных росло в геометрической прогрессии. Кроме того, что врачи порой были бессильны, не зная, как помочь больным, многим приходилось работать в «красной зоне» неделями.

Только последнего, седьмого умершего диагностировали через контакт с инфицированным человеком. Это 65-летний пациент, которого госпитализировали в ту же палату, что и умершего 74-летнего мужчину, о котором шла речь выше. Предполагают, что он заразился от соседа, и если диагноз был бы установлен ранее, заражения можно было бы избежать.

Если бы у врачей на старте точечных заражений в разных странах была возможность быстро диагностировать COVID-19 и изолировать заразившихся пациентов от дальнейших контактов, возможно, миру удалось бы спасти и обезопасить в разы больше людей.

COVID-19 и пневмония. Путаница между двумя заболеваниями

У большинства людей, заболевших COVID-19, наблюдаются легкие или умеренные симптомы, такие как кашель, жар и одышка. Но у некоторых развивается тяжелая пневмония в обоих легких. Пневмония COVID-19 — серьезное заболевание, которое может быть смертельным. Сама по себе, пневмония — это легочная инфекция, которая вызывает воспаление крошечных воздушных мешочков внутри ваших легких. Они могут наполняться таким количеством жидкости и гноя, что становится трудно дышать. У пациента может наблюдаться сильная одышка, кашель, жар, боль в груди, озноб или утомляемость.

Получить пневмонию можно и в качестве осложнения вирусных инфекций, таких как COVID-19 или грипп, или даже простуды.

Что такое пневмония, инфицированная новым коронавирусом?

Заболевание, связанное с новым коронавирусом, первоначально называлось пневмонией, инфицированной новым коронавирусом (NCIP). Всемирная организация здравоохранения переименовала его в COVID-19, что является сокращением от коронавирусной болезни 2019.

Около 15% случаев COVID-19 становятся тяжелыми. Это означает, что людям может потребоваться лечение кислородом в больнице. Около 5% страдают критическими инфекциями и нуждаются в аппарате искусственной вентиляции легких.

Новый коронавирус вызывает сильное воспаление в легких. Он повреждает клетки и ткани, выстилающие воздушные мешочки в легких. В этих мешочках кислород, которым вы дышите, перерабатывается и доставляется в кровь. Повреждение приводит к разрыву ткани и закупорке легких. Стенки мешочков могут утолщаться, что затрудняет дыхание. В тяжелых случаях требуется госпитализация, одним из осложнений становится пневмония: у человека развивается продуктивный кашель, появляется одышка, лихорадка, утомляемость и боль в груди.

Различие между пневмонией и COVID-19 обычно определяется клинически. Если пациенту с COVID-19 становится хуже с новой лихорадкой, ухудшением дыхания и визуализацией на рентгеновском снимке или компьютерной томографии, следует заподозрить пневмонию или другое осложнение. Проблема заключается в том, что по одним только симптомам очень тяжело отличить обычную пневмонию от коронавирусной легочной недостаточности.

На изображениях бактериальная пневмония и вирусная инфекция выглядят по-разному. Однако просмотр вручную медработниками каждого снимка каждого больного занимает очень много времени и ресурсов. А их попросту нет у врачей и пациентов, когда речь идет о пандемии.

Как врачам в борьбе с пандемией поможет новая нейросеть?

Врачам по снимкам необходимо определить, есть ли в легких какие-то патологические изменения. Если пневмония есть, надо определить ее природу, поскольку болезнь, вызванная COVID-19, немного отличается от пневмонии, вызванной другими факторами. Для решения этой задачи авторы исследования решили использовать метод компьютерного зрения: ученые создали искусственную нейросеть – набор алгоритмов, который работает по принципу сетей нервных клеток в живых организмах.

Искусственная нейронная сеть – компьютерная программа, работающая по принципу человеческого мозга: она прогоняет входные данные через систему «нейронов» — более простых программ, взаимодействующих между собой, после чего выдаёт некий результат вычислений на основе этого взаимодействия, плюс опыта и ошибок прошлых запусков программы.

“Нейроны” получают информацию (в данном случае, в виде КТ-снимка) и обрабатывает ее. То есть, в нейроны сети поступают данные о том, как выглядят легкие больного COVID-19, раз за разом, и каждый снимок немного, но отличается друг от друга. В итоге искусственные нейроны “запоминают”, как выглядит болезнь (это и называется обучением нейросети). Когда в нейросеть загружается КТ-снимок предполагаемого больного, она распознает болезнь – благодаря обучению система теперь знает, как выглядят пораженные коронавирусной пневмонией легкие.

Обучившись на большом наборе данных, такая нейросеть может выполнять разные задачи – например, распознавать рентгеновские или КТ-снимки почти на уровне человека.

Для тренировки нейросети ученые использовали данные из открытого доступа. Это, прежде всего, данные Рентгенологического общества США. Часть данных исследователи собрали по новосибирским клиническим больницам. Всего снимков в тренировочном наборе данных было больше 10 тыс.

Кроме того, в обучении нейросети участвовали врачи: они предоставили разработчикам карту признаков, по которым определяют коронавирусную инфекцию. После обучения нейросеть определяла следы COVID-19 с точностью в 91%.