Для наиболее успешного выбора тактики лечения пациента необходимо учитывать множество факторов: особенности течения заболевания, сопутствующие заболевания, конституционные, генетические факторы и т.д. Помимо этого специалист должен иметь представление обо всех особенностях применения современных методов лечения, как хирургических, так и консервативных. Обычно, с годами в течение работы, накапливая опыт и знания из своей практики, литературы и опыта других специалистов, врач формирует свой алгоритм лечения пациентов в каждом отдельном клиническом случае. Главным ограничением для специалиста при обработке большого объема данных является время [1].
Вследствие этого возникает ряд последовательных ошибок, приводящих к неблагоприятным последствиям. Так, например, ежегодно в США смертность от неправильно поставленного диагноза и тактики лечения среди госпитализированных пациентов составляет около 80 000 человек [2].
Развитие современных технологий, таких как искусственный интеллект (ИИ), позволяет мимикрировать под когнитивные функции человека, сокращая время для обработки больших объемов данных и позволяя использовать точное прогнозирование для персонализированного лечения пациента [3].
Эти преимущества дали возможность для широкого применения ИИ в медицине и других сферах [4–7]. Термин искусственный интеллект можно отнести к области компьютерных наук, впервые его ввел ученый, специалист в области компьютерных технологий John McCarthy в 1956 году [8]. Под термином ИИ подразумевается применение автоматизированного или компьютерного моделирования поведения человека для решения сложных задач [9].
Обзор проведен на основе данных об использовании искусственного интеллекта в медицине, опубликованных в базах PubMed (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/), Научной электронной библиотеки eLibrary.ru (https://elibrary.ru/) и веб-сайтах профессиональных ассоциаций. В данном обзоре особое внимание уделено исследованиям о применении ИИ в урологии. Поиск в базах осуществлялся по следующим ключевым словам: машинное обучение (machine learning), искусственный интеллект (artificial intelligence), нейронные сети (neural networks). Были найдены данные с 1976 по 2022 гг. Из них были исключены короткие сообщения, тезисы и неактуальные данные. После чего, исходя из последовательности изложения материал в рукописи и импактфакторов, было отобрано 43 источника для цитирования.
Существуют три подхода к ИИ: символизм (основанный на «символическом» (человекочитаемом) методе, такой как IBM Watson на начальном этапе разработки), коннекционизм (на основе таких методов, как глубокое обучение или искусственная нейронная сеть) и Байесовский (на основе теоремы Байеса) [6].
Машинное обучение (МО) – это набор методов, которые автоматически обнаруживают шаблоны, заданные ранее в представленных данных, а затем используют их для прогнозирования. МО – это класс методов искусственного интеллекта.
В работах A. Newell и H.A. Simon разработана так называемая парадигма символьной обработки информации. Авторы выдвинули гипотезу о физической символьной системе, в соответствии с которой человеческое мышление представляет собой некоторую систему, оперирующую с материальными символами, отображающими действительность [10].
Символизм стал одним из самых используемых методов ИИ в медицине, получив широкое распространение в медицинской визуализации [11–16]. В урологии применение методов ИИ позволило добиться высоких результатов диагностики и прогнозирования рака предстательной железы [16]. Первые данные были продемонстрированы в 1994 году P. Snow и соавт. о возможности применения ИИ при прогнозировании результатов биопсии у мужчин с аномалиями уровня простатспецифического антигена (ПСА), а также для определения исхода лечения после радикальной простатэктомии [17].
В современных исследованиях T.H. Nguyen и соавт. достигли 97% точности при диагностике рака предстательной железы на основе оцифрованных гистологических исследований, а в работах A. Algohary и соавт. алгоритмы машинного обучения позволили увеличить точность диагноза на 33-80% при отрицательных результатах биопсии, выполненной под контролем магнитно-резонансной томографии (МРТ) и на 30–60% – при положительных результатах биопсии [18-19].
С целью оптимизации лечения мочекаменной болезни J. Jendeberg и соавт. применили нейронную сеть, которая дифференцировала камни дистального отдела мочеточника от флеболитов. Данные ИИ и специалистов сравнивались для оценки эффективности разработанного алгоритма. Всего был исследован 341 пациент, которые были поделены на три группы: с камнем в дистальном отделе мочеточника, с флеболитом глубоких вен таза, либо и тем и другим. Точность диагностики составила 94%, 90% и 92% соответственно. Средняя точность диагностики врачом-рентгенологом составляла 86% [20].
A. Parakh и соавт. применили в своей работе искусственную нейронную сеть (ИНС) глубокого обучения с каскадным классификатором. На первом этапе изображение вручную сегментировалось на участки тела, корректировалась ось изображения и оттенки серого кодировались в многооконный формат RGB. Затем ИНС-1, анализируя изображения, определяла участки снимка, отображающие мочевые пути. На последнем этапе ИНС2 выявляла на определенных участках изображения конкрементов (рис. 1). Изображения делились не только по наличию или отсутствию конкрементов мочевых путей (почки, мочеточника или мочевого пузыря), но и по объему каменной нагрузки. Выборка пациентов составила 435 пациентов, всем пациентам проводилось компьютерная томография, затем пациенты были поделены на 2 группы с камнями (229 пациентов) и без (206). Точность диагностики составила 95% [21].
Рассматривая альтернативный метод ИИ, такой как коннекционизм, необходимо отметить особенности его применения в медицине и нереализованный потенциал вместе с его недостатками. Коннекционизм состоит в предположении, что когнитивные функции, такие как мышление, могут быть описаны сетями взаимосвязанных элементов, составляющих нейронную сеть. Каждая ИНС содержит три слоя: задача первого «входного» слоя – обработать информацию. Следующий слой «скрытый» (их может быть довольно большое количество). Их задача – та, ради которой строилась нейронная сеть: анализ. И задача «выходного» слоя – представить информацию в конечном виде. Каждый узел – это искусственный нейрон, или элементарный процессор (рис. 2) [22].
Построение нейронной сети включает в себя процесс обучения, т.е. применение данных для «тренировочного набора». В процессе «тренировки» связи между отдельными узлами изменяются, на последующем этапе с новыми данными проверяется, насколько успешно обучилась ИНС [23].
Ш.Х. Ганцев и соавт. предложили ИИ для прогнозирования результатов лечения рака мочевого пузыря, используя клинические и морфологические данные, а также учитывая уже проведенное раннее лечение пациента [25].
В исследовании О.И. Аполихина и соавт. было предложено использование ИИ для расчета индивидуального риска сердечно-сосудистых заболеваний у пациентов с эректильной дисфункцией. Точность прогноза составила 80,3% [26].
Нейронные сети в урологии получили свое распространение не только в области методов визуализации, онкоурологии и андрологии, но и для прогностической модели в лечении мочекаменной болезни (МКБ).
В работе С.А. Голованова и соавт. была разработана модель машинного обучения, позволяющая диагностировать химический состав камня in vivo по результатам метаболических показателей мочи и крови пациентов с МКБ. Точность прогнозирования составила 99,5–100% [27].
Для прогнозирования полного устранения камней (stone free) после перкутанной нефролитотрипсии A. Aminsharifi и соавт. разработали ИИ на основе данных 254 пациентов, позволяющий определять наличие или отсутствие резидуальных камней с точностью до 82,8 %. В работе применялись не только такие данные как размер конкремента или аномалии развития верхних мочевыводящих путей, но и уровень гемоглобина, индекс массы тела (ИМТ), локализация конкрементов (в чашечно-лоханочной системе (ЧЛС)) и т.д. с целью расчета послеоперационных осложнений [24].
M.Y. Yang и соавт применили ИНС для прогностической модели «stone free rate» при использовании ретроградной интраренальной хирургии, исследовав данные 201 пациента. В работе при построении модели они учитывали множество факторов, такие как возраст пациента, ИМТ, количество, размер и плотность конкрементов и наличие или отсутствие гидронефроза. В исследовании было создано две прогностические модели, общая точность, специфичность и чувствительность моделей составила 76% [28].
I. Seckiner и соавт. разработали нейросеть с учетом совокупности характеристик конкремента, анатомии почек и конституции человека для определения эффективности дистанционной нефролитотрипсии и добились точности в 99% [29].
А.Г. Коцарь и соавт разработали математическую модель прогнозирования рецидива МКБ, которая продемонстрировала специфичность и чувствительность 98 и 89 % соответственно [30]. Также Ф.П. Капсаргиным и соавт. был разработан ИИ, определяющий наиболее оптимальную хирургическую тактику лечения МКБ, при этом ошибка ИИ составила около 9 % (в работе были использованы методы консервативной терапии, дистанционной литотрипсии (ДЛТ), перкутанной нефролитотрипсии, контактной уретеролитотрипсии, открытых операций) [31].
Одна из наиболее крупных работ с применением ИНС была представлена А.В. Ершовым и соавт. В работе было исследовано 625 пациентов с МКБ. Предметом исследования было определение эффективности нейросетевых алгоритмов с целью прогноза развития послеоперационных осложнений при хирургическом лечении нефролитиаза. Пациенты были поделены на группы по расположению конкрементов в ЧЛС, по наличию или отсутствию обструкции пиелоуретрального сегмента, по структурным изменениям мочевых путей (таких как добавочный нижнеполярный сосуд, нефроптоз, удвоение почки и т.д.), по бактериурии, наличию или отсутствию кист почек, цистита или хронического пиелонефрита в анамнезе и т.д. Также при построении нейронной сети учитывались данные сопутствующих заболеваний, такие как заболевания легких, сахарный диабет или ожирение. При диагностике всем пациентам выполнялось ультразвуковое исследование (УЗИ) мочевыделительной системы, и 500 пациентам потребовалось выполнение мультиспиральной компьютерной томографии (МСКТ). Пациенты, которым выполнили сеансы ДЛТ, составили 297 человек, применение перкутанной нефролитотрипсии потребовалось для 266 человек, 62 пациентам была выполнена традиционная любмотомия. На основе этих данных была разработана нейронная сеть, в дальнейшем была продемонстрирована целесообразность применения разработанной методики в практике врача-уролога [32].
Важно отметить, что ИНС работает только в том случае, если применяется достаточное количество входных данных. Возможность обучения на основе адекватных размеров выборки и непредвзятые наборы для обучения, были признаны наиболее решающими факторами в разработке рабочей модели ИИ [33–34].
Основываясь на систематическом обзоре 22 работ, I. Balki и соавт. делают неутешительные выводы о частом пренебрежении учеными расчета объема выборки в зависимости от применяемых ими алгоритмов и конечных целей исследований. Данная проблема не имеет на сегодняшний день точной практической рекомендации по решению, но полное пренебрежение планирования объема исследований делает эксперименты не рентабельными и даже опасными для медицинского сообщества [36].
В недавней большой статье Ассоциации радиологов Канады также описывается влияние размера данных на эффективность модели, и подчеркнута важность разработки надежных, клинически проверенных моделей для медицинских учреждений [37].
В обзорной статье А.А. Прановича и соавт. представлены исследования, которые, по заключениям авторов, в большинстве случаев не применимы в практике, поскольку используют упрощенные модели МО и обладают малой выборкой данных для обучения. Модели, использовавшие многослойную искусственную нейронную сеть, показали более перспективные результаты [38].
Использование «big data» (больших данных) является ограничением применения технологии для создания МО при разработке ИИ для редких заболеваний. Помимо этого, в отличие от проспективных клинических исследований (в которых испытуемые обычно набираются выборочно, в соответствии с критериями включениями и особенностями клинической ситуации), данные, используемые для разработки алгоритма глубокого обучения, часто приходится собирать из разных источников, либо значительно уменьшать размер выборки, создавая ИИ на основе недостаточного количества входных данных [39].
Еще одной значительной проблемой является «преувеличение» преимущества ИИ над диагностикой, проведенной специалистами. В статье 2013 года E.A. Rafferty и соавт. продемонстрированы результаты исследования на базе 5 крупных медицинских центров, которые показали улучшение точности диагностики рака молочной железы с применением МО, в сравнении с диагностикой, выполненной врачами [40]. Дополнительные методы исследования (такие как томосинтез), заложенные в алгоритм программы и ранее недоступные для специалистов ввиду непокрытия их страховыми компаниями, были сразу введены в практику, что позволило включить их в медицинскую страховку при диагностике рака молочной железы в США. Тем не менее, крупномасштабное исследование, разработанное E.A. Rafferty и соавт. и сравнивающее точность системы ИИ с эффективностью диагностики 101 рентгенолога, не подтвердило преимущество ИИ над специалистами при наличии одинакового количества методов исследований [41].
Соответственно, при сравнении ИИ с работой врачей, необходимо учитывать «идеальные» условия входных данных для алгоритма, которые часто отличаются от клинической практики и возможностей стационарной работы. В публикациях S.M. McKinney и соавт. был представлен алгоритм, который по точности превзошел всех специалистов, с которыми было выполнено сравнение. Затем были представлены данные, где специалисты работали с применением ИИ, что не только увеличило эффективность, но и снизило затраченное время диагностики для врачей на 88% [42].
ИИ применяется во всех областях медицины, на всех этапах диагностики, лечения и прогнозирования отдаленных последствий. В урологии МО все еще инструмент для исследований, не применяемый в ежедневной клинической практике. Это может быть связано как с отсутствием потенциально применимых алгоритмов в работе, так и с высокой стоимостью использования или сложностями введения методов в практику. Одним из главных направлений будущих исследований ИИ в урологии может стать разработка алгоритмов, помогающих специалистам не только диагностировать и лечить персонализировано пациента, но и рассчитать стоимость лечения пациентов (данные которых, могут быть применены в дальнейшем при расчетах страховыми компаниями) [43–45].
Недостаточный объем данных при создании большинства нейросетей приводит к тому, что при использовании алгоритма в клинической работе точность оказывается ниже оценки специалиста, поэтому применение ИИ в ежедневной практике лечащего врача, все еще остается в прогнозах по данным публикуемой литературы.
Необходимо разработать полноценный и удобный в работе инструмент для специалиста, который будет подходить и применяться не только в исследовательской деятельности и «идеальных» условиях при разработке ИИ, но и в стационарах разной степени оснащенности. Это позволит сократить время, затрачиваемое врачом, на создание индивидуального алгоритма лечения.
Важной задачей в оптимизации лечения урологических заболеваний должны стать объединение предыдущего опыта разработки ИИ и создание достоверной, применимой на практике модели, помогающей в клинической работе уролога.
Прикрепленный файл | Размер |
---|---|
Скачать статью | 1007.88 кб |