Как открытие 19 века может революционизировать диагностику COVID-19

Звучит просто, но для лечения человека, у которого вы подозреваете наличие COVID, необходимо подтвердить, что он действительно инфицирован коронавирусом.

В Великобритании это легко принять как должное - у нас был надежный метод диагностики инфицированных пациентов, широко доступный с самого начала пандемии. Это позволило быстро начать лечение и уход за людьми, спасая жизни.

Основной метод определения наличия у человека COVID называется тестированием полимеразной цепной реакции с обратной транскрипцией - или RT-PCR. Этот процесс позволяет определить, присутствует ли генетический материал коронавируса в образце, взятом у человека, обычно при взятии мазка из носа или горла.

Такое тестирование обычно проводится в лаборатории, и необходимые ресурсы означают, что его проведение в масштабах страны представляет собой серьезную проблему.

Страны с высоким уровнем дохода смогли расширить масштабы тестирования на COVID с большими затратами, но в некоторых странах с низким и средним уровнем дохода - таких как Пакистан, Шри-Ланка, Индия и многие африканские страны - медицинский персонал не смог провести большое количество тестов на COVID из-за нехватки ресурсов. Это является особой проблемой в отдаленных районах.

Кроме того, ПЦР-тестирование не очень быстрое. Обычно оно занимает около двух часов, а если требуется дополнительное время для доставки образца в подходящую лабораторию, то и больше.

Во многих случаях подтверждение наличия у человека вируса должно происходить гораздо быстрее. Если у человека тяжелая форма COVID, лечение действительно необходимо начинать немедленно. Быстрая диагностика заболевания потенциально может спасти жизнь.

Поэтому наша группа исследовала возможность быстрой и надежной альтернативы ПЦР-тестированию с помощью общедоступного больничного оборудования, а именно аппаратов, имеющихся в отделении рентгенографии.

COVID обнаруживается при сканировании грудной клетки
Методы визуализации грудной клетки - такие как компьютерная томография (КТ) или рентген - могут быть проанализированы радиологами для поиска визуальных маркеров инфекции COVID.

Исследования, проведенные на ранних этапах пандемии, показали, что на снимках рентгенографии грудной клетки пациентов с вирусом проявляются аномалии, что привело к тому, что Всемирная организация здравоохранения рекомендовала использовать рентгенографию для диагностики COVID, когда невозможно провести ПЦР-тест, особенно для тяжелых пациентов.

Но и здесь существует узкое место в ресурсах. Использование рентгеновских снимков и компьютерных томограмм для диагностики требует от рентгенологов тщательной расшифровки снимков грудной клетки, поскольку визуальные признаки COVID трудно определить. Поэтому мы создали программу искусственного интеллекта, которая будет делать это вместо нас, чтобы ускорить диагностику и позволить рентгенологам заниматься своими делами.

В основе программы лежит так называемая глубокая конволюционная нейронная сеть - тип алгоритма, обычно используемый для анализа изображений. Такие алгоритмы могут выделять ключевые особенности изображений и классифицировать те, которые имеют сходства и различия.

Мы начали с обучения и тестирования ряда различных алгоритмов - некоторые уже существовали, некоторые были созданы нами - на базе данных, включающей около 3 000 рентгеновских снимков грудной клетки. Это были снимки пациентов с COVID, здоровых людей и людей с вирусной пневмонией.

В процессе работы мы настраивали алгоритмы, чтобы они лучше выявляли различия между рентгеновскими снимками. Со временем мы обнаружили, что один из них явно работает лучше других.

Затем мы проверили этот лучший алгоритм, дав ему совершенно новый набор рентгеновских снимков, которых он раньше не видел, и попросив определить, принадлежат ли они пациенту с COVID или нет. Программа дала правильный ответ в 98,04% случаев.

Как это можно использовать?

Получив эти результаты, мы разработали приложение, которое могло бы запускать программу за пределами нашей лаборатории, чтобы ее можно было использовать в местах, где она может принести пользу. Для работы приложения не требуется много памяти или мощности компьютера, поэтому его можно установить на обычные ПК и ноутбуки.

Оно разработано таким образом, что не требует дополнительного оборудования. Рентгеновские снимки пациента просто загружаются в приложение через USB или Интернет, а затем алгоритм анализирует изображение и выдает результат, указывая, является ли оно COVID-положительным или нет.

Это приложение не заменит ПЦР. Но оно может быть очень эффективным в отделениях скорой помощи, куда поступают пациенты с тяжелыми заболеваниями. Оно позволит быстро сделать рентгеновский снимок грудной клетки и проанализировать его, а в случае положительного результата сразу же начать лечение, а не ждать результатов лабораторных исследований.

Помимо пользы для пациентов, это также может ускорить их перемещение в подходящие палаты в других отделениях больницы и тем самым снизить нагрузку на отделения неотложной помощи.

Приложение также может быть очень эффективным при диагностике случаев COVID в странах с низким уровнем дохода и отдаленных районах, где ПЦР недоступен. Поэтому в качестве следующего шага мы планируем испытать его в Пакистане в рамках финансируемого ЕС проекта SAFE RH, чтобы увидеть, какое влияние оно может оказать в реальном мире.The Conversation

Наим Рамзан, профессор вычислительной техники, Университет Западной Шотландии; Габриэль Около, кандидат наук, Школа вычислительной техники, инженерных и физических наук, Университет Западной Шотландии, и Стамос Кацигианнис, доцент кафедры вычислительной техники, Даремский университет.