Диагностика ближайшего будущего. Обзор новых технологий

Цифровые технологии постоянно развиваются и находят свое место в системе здравоохранении несмотря на то, что отрасль испытывает трудности с цифровой трансформацией. И, хотя каждый год появляются новые приложения, базовые цифровые технологии, лежащие в их основе, остаются прежними. Это искусственный интеллект (artificial intelligence, AI), аналитика больших данных, мобильная связь, облачные системы, робототехника и ряд других. Одной из областей здравоохранения, где инновационные технологии могут принести большую пользу, является диагностика.

В этом небольшом обзоре мы хотим рассмотреть несколько примеров применения технологических решений, которые в ближайшем будущем могут революционизировать сферу диагностики.

Искусственный интеллект как инструмент помощи радиологам

Сегодня специалисты по визуальной диагностике, такие как рентгенологи, часто проводят много часов, выполняя интенсивную ручную работу при анализе изображений. Растущее число пациентов, направляемых в радиологию, и продолжающиеся разработки в области технологий визуализации приведут лишь к увеличению объема данных и повышению интенсивности анализа данных.

Ускорение и автоматизация с использованием алгоритмов AI для задач анализа изображений может стать ключевым фактором экономии времени и повышения производительности. Причем, сегодня для ряда подобных решений уже было доказано, что они работают одинаково точно или лучше, чем специалисты-радиологи.

Множество компаний активно работают в области искусственного интеллекта для радиологии. Упомянем хотя бы такие диагностические решения, как iCAD (рак молочной железы), HeartFlow (кардиология), Vida Diagnostics (визуализация легких), icometrix (неврология), Tencent (онкология), Google и Amazon (офтальмология), Enlitic (ортопедия) и Vuno (педиатрия).

Исследователи из американского Национального института рака разработали алгоритм, позволяющий точно определить предраковые изменения шейки матки на основе анализа медицинских изображений. Результаты тестирования свидетельствуют, что алгоритм по точности и скорости работы превзошел экспертов-людей, анализирующих эти же файлы.

Израильская компания Zebra Medical Vision создали платформу, которая способна автоматически обрабатывать медицинские изображения с помощью AI-инструментов. Система отличается тем, что она содержит целый пакет алгоритмов, позволяющих находить признаки различных тяжелых заболеваний. В частности, это рак молочной железы, кровоизлияния в мозг, переломы позвоночника, заболевания коронарных артерий, пневмоторакс в грудной клетке, остеопороз и др. Всего около десятка алгоритмов. Платформа выдает результаты диагностики с точностью до 90%. Примерно с такой же точностью работает система диагностики рака китайской компании Tencent.

Автоматизация, облегчающая выполнение избыточных задач, помогает повысить точность постановки диагноза и снизить усталость радиологов (по оценкам, это приводит к снижению диагностической точности на 4%). В конечном счете это поможет избежать упущенных возможностей для раннего выявления заболеваний.

Более подробно о технологиях искусственного интеллекта в здравоохранения вы можете прочитать в нашем недавнем обзоре "Искусственный интеллект в здравоохранении. Лучшие решения".

"Карманные" диагностические устройства

Разработчики ищут способы создания карманных лабораторий, которые позволят врачам использовать приборы для тестирования в отдаленных районах, снизить затраты на проведение анализов в условиях ограниченного бюджета, и предоставить медикам возможность мгновенно получать результаты тестирования. "Карманные" лаборатории позволяют врачам объединять и миниатюризировать громоздкое биохимическое лабораторное оборудование в одно устройство или даже в единый чип, что помогает проводить как биомедицинские, так и традиционные эксперименты вместе. Карманные лабораторные технологии помогут сократить количество отходов крови и избавят нас от необходимости проведения повторных анализов. И уже недолго ждать того времени, когда фантастический медицинский прибор трикодер из культового фильма Star Trek станет нашей реальностью.

Отметим также еще одну тенденцию - диагностические процедуры смещаются в сторону использования портативных устройств непосредственно самими пациентами и скоро некоторые анализы будут осуществляться прямо на дому.

Польская компания Braster разработала компактное медицинское устройство Braster Pro, предназначенное для ранней диагностики рака груди в клинических условиях и работающее совместно с приложением на мобильном устройстве. Принцип работы Braster Pro основан на использовании технологии жидкокристаллической контактной термографии. В системе используется программное обеспечение на базе алгоритма искусственного интеллекта, которое предназначено для автоматической интерпретации термографических изображений. Это устройство, обеспечивающее диагностику в течение 15 минут, отличается высокой эффективностью работы - его чувствительность 81.5%, специфичность 87%.

Консорциум из нескольких европейских компаний разработал устройство SniffPhone, которое может использоваться для ранней диагностики рака желудка путем анализа выдыхаемого человеком воздуха. Это небольшое устройство, которое может быть подключено к смартфону. При использовании пользователь выдыхает на датчик прибора, который анализирует образец дыхания. Устройство измеряет содержание и концентрацию летучих органических соединений с помощью высокочувствительных химических сенсоров, изготовленных на основе нанотехнологий. После этого результаты измерения передаются на соответствующую облачную платформу, где они доступны для анализа медицинскими специалистами.

Израильская компания Scade Medical разработала портативный сканер BlueSky для обнаружения меланомы (рака кожи), основанного на использовании технологии оптического анализа (DOSI, differential optical spectro-polarimetric imaging) и алгоритмов анализа данных. Первые тесты показали, что прототип прибора с точностью 100% обеспечивает диагностику кожных образований (специфичность 92%).

Результаты это устройство выдает в реальном времени.

Микрофлюидные технологии

Микрофлюидная технология, известная также как «лаборатория в чипе», позволяет работать с жидкостями, точно контролировать их потоки и анализировать их вплоть до пиколитрового объема. Кроме того, она позволяет работать с компонентами живых систем и клетками, в частности, смешивать, разделять и обрабатывать разные компоненты в микромастшабе. Созданные по этому принципу устройства состоят из сети микроканалов, по которым течет небольшая проба (например, капля крови). Она проходит по заранее заданному маршруту, на котором над ней последовательно проводятся различные операции: химические реакции, разделение на несколько потоков, выделение отдельных компонентов или, например, сортировка клеток по плотности или размеру.

Эти технологии все чаще стали использоваться и в диагностике. Например, исследователи из швейцарской Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne разработали ультратонкий оптический чип, который может идентифицировать отдельные биомолекулы в небольших объемах проб с помощью обычной камеры и мета-поверхностей. Эти поверхности покрыты миллионами наноструктур, расположенных в виде отдельных узоров. Когда чип подсвечивается, свет в отдельных точках чипа изменяет длину волны, если он встречает там молекулу. Это изменение длины волны указывает исследователям на идентичность молекулы. Поскольку это устройство может обнаруживать очень небольшие количества специфических биомолекул, оно может обеспечить систему раннего оповещения о заболеваниях.

Группа ученых из Великобритании, Китая и Уганды разработала микрофлюидный чип, который позволяет диагностировать малярию в полевых условиях с точностью 98%. Этот чип изготавливается из бумаги и складывается подобно фигуркам оригами, образуя микроканалы нужной конфигурации. С помощью такой системы можно проводить анализ ДНК в пробах крови и определять наличие определенных видов малярийного плазмодия. Новый сенсор по точности и скорости анализа превосходит все известные на данный момент приборы для полевой диагностики малярии.

Смартфон как диагностическое устройство

Современные смартфоны сегодня имеют, как правило, качественную камеру, мощные вычислительные возможности, доступ к неограниченному количеству данных в Интернете и набор сенсоров, что их теперь можно использовать для диагностики проблем со здоровьем.

Сегодня это устройство может использоваться как офтальмоскоп и дерматоскоп, применяться для диагностики инфекционных заболеваний и нарушений ментального здоровья.

Более подробно о возможностях смартфона для диагностики можно прочитать в нашем обзоре "Смартфон как диагностическое устройство. Обзор возможностей".

Носимые устройства

Носимые устройства сегодня все шире используются не только для контроля нашего физического состояния и фитнеса, но и для диагностики. Это могут быть умные часы (например, Apple Watch) и браслеты, которые имеют сегодня соответствующие сенсоры. Пока их еще нельзя рассматривать как полноценные диагностические устройства в силу недостаточной точности измерений, но в ближайшее время ситуация, судя по всему, изменится. Сегодня в клинической практике начали использовать другие системы, в частности, наклеиваемые на тело сенсоры и миниатюрные диагностические устройства.

Американская компания iRythm выпустил «пластырь» Zio, который работает как носимый сенсор, используемый для мониторинга аритмии у пациентов. Устройство позиционируется как альтернатива 24-часового мониторинга при помощи монитора Хольтера и способно обнаруживать мерцательную аритмию.

Аналогичную систему, которое фокусируется на измерениях P-волны, отражающей характеристики сокращения предсердий, создала Bardy Diagnostics. Патч представляет собой узкое одноразовое устройство, которое помещается в центр груди над грудиной и действует как одноканальный диктофон. Фокусируясь на низкоамплитудных сигналах Р-волн, которые труднее обнаружить по сравнению с более заметным волновым комплексом QRS, эта система позволяет получить более четкую картину для диагностики аритмии. Прибор Baardy дает возможность диагностировать не только мерцательную аритмию, но и предсердную тахикардию, трепетание предсердий и неустойчивую желудочковую тахикардию

Фирма LEO Science & Tech Hub намерена начать производить неинвазивные носимые сенсоры пота. Эти миниатюрные, наклеиваемые на кожу устройства, предназначены для измерения в реальном времени прогностических биомаркеров, контроля реагирования пациента и применяться для принятия решений по лечению. Основной целью точной медицины является создание возможности раннего определения, насколько конкретное лечение будет работать у определенного пациента. Устройство предназначено для пациентов, страдающих от атопического дерматита (экземы).

Диагностика по почте

Сегодня в нескольких странах начали работать цифровые сервисы, которые позволяет потребителям заказывать лабораторные тесты онлайн, предоставлять образцы и получать результаты. Одним из пионеров этого сервиса стала компания 23andMe, специализирующаяся на генетических тестах для потребителей, и которая еще в 2013 году запустила услугу "генетического анализа по почте" для частных лиц. Сервис заключается в том, что клиенту по почте отправляется специальная пробирка для сбора слюны, которую он затем пересылает обратно. Через некоторое время компания сообщает клиенту, что его анализ готов и результаты доступны на онлайновом портале. Сейчас компания предлагает персональные тесты на генетическую предрасположенность к примерно 10 болезням, которые можно пройти без участия врачей.

Американская компания EverlyWell предоставляет сервис, который позволяет потребителям заказывать лабораторные тесты онлайн, предоставлять образцы и получать результаты через Интернет. После получения по почте комплекта для взятия крови, мочи или слюны клиенты возвращают образец и затем на этом же сайте получают результаты анализов с подробным объяснением всех параметров (кроме этого, получают еще один более технический отчет, который может быть предоставлен врачу).

А компания Color Genomics, основанная выходцами из Google и Twitter, специализируется на анализе ДНК, выискивая гены, связанные с высоким риском наследственного рака, и также позволяет получить этот сервис по почте.

Диагностика по голосу

Японские исследователи из университета в Осаке и Института науки и технологии в Наре разработали основанный на использовании компьютера метод диагностики деменции, при котором пациент отвечает на вопросы, а программа при этом тщательно контролирует его реакции. По мере того, как пациент отвечает на вопросы, программное обеспечение идентифицирует различные параметры речи, такие как тон, скорость интонацию, а также употребление глаголов и существительных. В это же время программа с помощью камеры отслеживает выражение лица пациента и измеряет ряд визуальных параметров. Обработка данных ведется при помощи алгоритмов машинного обучения. При тестировании программа показала 90%-точность, основываясь лишь на 6 вопросах, ответ на каждый из которых занимал только две - три минуты.

Компания Beyond Verbal разрабатывает приложение, позволяющее предсказывать возникновение ишемической болезни сердца путем распознавания голосовых характеристик, связанных с этим заболеванием. Тесты показали пригодность этого программного продукта для диагностики этой болезни и по мнению специалистов его можно использоваться для предварительной оценки наличия этого заболевания у пациентов, которые жалуются на боль в груди. Особенно он может быть полезен в телемедицинской системе, когда врач консультирует пациента на расстоянии. Кстати, компания разрабатывает аналогичный продукт и для диагностики аутизма и болезни Паркинсона.