Ученые разработали искусственный интеллект, способный диагностировать бессудорожную эпилепсию на долговременных записях ЭЭГ
Группа исследователей, в которую вошли ученые из 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入, НМХЦ имени Н. И. Пирогова, Университета Иннополис, БФУ имени Иммануила Канта и сотрудники научно-производственной компании «Иммерсмед», создала программу для диагностики бессудорожных эпилептических припадков по результатам электроэнцефалографии (ЭЭГ). Впервые в мире для решения этой задачи применили теорию экстремальных значений, с помощью которой описывают экстремальные события — эпидемии, торнадо или крупные пожары. Точность работы алгоритма, который уже проходит доклинические испытания, составила 80 %.
Результаты исследования опубликованы в?журнале Scientific Reports.
Эпилептические приступы возникают из-за внезапного электрического разряда в?нейронах головного мозга?— их?почти невозможно предсказать заранее. Припадки не?всегда сопровождаются судорогами, и?у?одного и?того?же больного приступы могут отличаться между собой. Именно поэтому своевременная диагностика эпилепсии необходима и?может предотвратить негативные последствия для пациента.
Существует гипотеза, что эпилептические приступы можно рассматривать как экстремальное явление в?живых системах. То?есть с?математической точки зрения они сравнимы с?такими экстремальными событиями, как тропические ливни или волны-убийцы в?океане, которые тоже невозможно спрогнозировать.
Александр Храмов, ведущий научный сотрудник 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 (кафедра теоретической кибернетики), руководитель Лаборатории нейронауки и?когнитивных технологий Университета Иннополис и?главный научный сотрудник Балтийского центра нейротехнологий и?искусственного интеллекта БФУ имени Канта
Ранее ученым удалось подтвердить эту гипотезу: они изучили динамику возникновения припадков у?крыс, проанализировали распределение формирования эпилептических приступов по?данным электрокортикограмм специальных линий крыс с?генетической предрасположенностью к?эпилепсии, а?также изучили спектральные шумовые характеристики электроэнцефалограмм пациентов с?эпилепсией.
В?результате исследователи смогли найти признаки, которые позволяют отнести эпилептические припадки к?разряду экстремальных явлений. В?первую очередь это усиление шума на?ЭЭГ перед эпилептическим разрядом, а?также специфические распределения энергии электрической активности мозга.
Вывод ученых открыл возможность применения в?диагностике эпилепсии математических методов, а?именно?— теории экстремальных значений. Она описывает определенные режимы поведения сложных систем, для которых характерны резкие и?масштабные изменения. С?ее?помощью математики определяют вероятность возникновения таких экстремальных событий, как торнадо, крупные пожары, энергетические блэкауты и?даже побочные эффекты приема лекарств.
Исследователи из?188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 совместно с?учеными Национального медико-хирургического центра имени Н.?И.?Пирогова, Университета Иннополис и?БФУ имени Иммануила Канта и?разработчики компании ?Иммерсмед? впервые в?мире воспользовались этой теорией для создания искусственного интеллекта, способного помочь врачам в?поиске эпилептической активности на?электроэнцефалограмме, ведь именно с?проверки результатов ЭЭГ обычно начинается диагностика эпилепсии.
Электроэнцефалографию зачастую проводят несколько дней. Затем врач самостоятельно без какой-либо помощи компьютера анализирует длинные записи ЭЭГ, что занимает несколько часов. С?помощью нового алгоритма мы?рассчитываем сократить это время до?5–10?минут.
Александр Храмов, ведущий научный сотрудник 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 (кафедра теоретической кибернетики), руководитель Лаборатории нейронауки и?когнитивных технологий Университета Иннополис и?главный научный сотрудник Балтийского центра нейротехнологий и?искусственного интеллекта БФУ имени Канта
Как рассказал ученый, создать универсальный искусственный интеллект, способный распознавать эпилептическую активность мозга на?ЭЭГ, до?сих пор не?удавалось. Причины этому?— небольшая длительность приступов по?сравнению с??нормальной? активностью, а?также тот факт, что в?целом активность мозга каждого человека весьма индивидуальна. Вот почему вместо традиционного контролируемого машинного обучения, когда нейросеть учится на?основе готовой размеченной базы данных (например, результатов ЭЭГ с?обозначенными участками нестандартной мозговой активности), исследователи использовали неконтролируемое, то?есть предоставили алгоритму большой неразмеченный массив и?поручили ему искать любые отклонения от?нормы.
Полученную программу протестировали на?результатах ЭЭГ 83?пациентов НМХЦ имени Н.?И.?Пирогова. Чтобы проверить правильность оценки, результаты сравнивали с?электроэнцефалограммами, на?которых эпилептические приступы были заранее отмечены эпилептологом. В?итоге доводы алгоритма совпали с?отметками врача в?80?% случаев. На?втором этапе ученые исключили из?эксперимента 23?записи ЭЭГ, которые были сделаны недостаточно качественно (помехи могли возникнуть из-за неточной установки электродов), и?достоверность выводов искусственного интеллекта составила уже 100?%.
В?работе приняли участие исследователи Национального медико-хирургического центра имени Н.?И.?Пирогова, Санкт-Петербургского государственного университета (кафедра теоретической кибернетики), лаборатории нейронаук и?когнитивных технологий Университета Иннополис, Балтийского центра искусственного интеллекта и?нейротехнологий Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта, а?также сотрудники компании ?Иммерсмед?.
Исследование было выполнено в?рамках государственного задания Минобрнауки России (FZWM-2020-0013), поддержано грантом 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 (ID?91924061).
Как рассказал соавтор исследования Олег Карпов, академик РАН, генеральный директор НМХЦ имени Н.?И.?Пирогова, уникальность разработанного учеными алгоритма заключается в?том, что он?размечает данные каждого пациента по?отдельности и?автоматически учитывает его индивидуальные особенности: ?Поскольку алгоритм основан на?обнаруженном явлении экстремальности разрядов в?нейронной сети мозга, он?прозрачен, то?есть все выводы системы будут понятны врачу-эпилептологу?.
Сейчас нейросеть проходит доклинические испытания в?НМХЦ имени Н.?И.?Пирогова, однако в?планах ученых ее?усовершенствовать. ?Следующим этапом станет создание гибридной системы?— алгоритма, в?котором неконтролируемое и?контролируемое обучение будут сочетаться. Также мы?планируем разобраться, почему у?23?человек нейросеть не?обнаружила эпилептической активности: если дело в?плохом качестве записи, то?мы?хотим окончательно в?этом убедиться,?— отмечает Александр Храмов. —?В?результате рассчитываем поднять точность работы алгоритма как минимум до?95?%?.