Портативные УЗИ-системы на базе технологии искусственного интеллекта

Ультразвуковая визуализация представляет собой недорогой, портативный, низкоэнергетический метод медицинской визуализации без риска получения ионизирующего излучения для пациента. В последние годы все более широкое применение благодаря своему удобству и низкой стоимости находят портативные УЗИ-системы. Пациенты и врачи могут получать отсканированные изображения на свои мобильные телефоны в любое время через беспроводную сеть с низкой задержкой. Такие устройства подходят для удаленных и экстремальных условий и в настоящее время являются единственным методом визуализации, доступным даже в космосе.

Однако портативным ультразвуковым устройствам сложно получать изображения такого же качества, как и стандартным системам в больницах. Обычно изображения, полученные портативным ультразвуковым оборудованием, имеют значительный шум. Этот шум, несомненно, влияет на диагноз врача.

Ультразвук может быть также сложным в использовании без специальной подготовки, а изображения должны быть прочитаны медицинским специалистом. При использовании в сложных условиях и, например, при длительных космических полетах возникают задержки связи, что усиливает потребность в более интеллектуальных ультразвуковых устройствах.

В последние годы сразу несколько компаний разрабатывают методы, поддерживаемые искусственным интеллектом, для создания новых ультразвуковых технологий, которые упрощают использование в экстремальных и удаленных условиях. Новые технологии включают в себя оценку, интеграцию и реконструкцию данных от разного рода ультразвуковых датчиков, новые методы анализа изображений для оценки и диагностики травм (требующих быстрой сегментации и классификации аномалий тканей, включая легкие и переломы костей), а также методы упрощения и автоматизации использования самих ультразвуковых систем.

Kosmos

Компания EchoNous нашла способ использовать несколько критически важных клинических технологий в одном приборе. В результате появился KOSMOS, портативный прибор типа 3-в-1, состоящий из УЗИ-сканера, электронного стетоскопа и ЭКГ, работающих с использованием программного обеспечения на базе алгоритмов искусственного обучения.

KOSMOS способен улучшить получение и точность интерпретации трех сигналов - УЗИ, аускультации и ЭКГ - по отдельности, а затем в комбинации, чтобы предоставить важную клиническую информацию, которая может дать врачам больше, чем сумма отдельных сигналов. Такой прибор может помочь понять процессы заболевания и улучшить уход за пациентом. Это предоставляет возможность применять более индивидуальный или точный медицинский подход к лечению пациента.

Дополнительным преимуществом является то, что использование одного интегрированного устройства на базе технологии искусственного интеллекта более эффективно, чем традиционный подход к выполнению и анализу этих трех сигналов по отдельности. Такая эффективность экономит время, которое затем может быть использовано занятым медицинским работником для непосредственного личного общения с пациентом, что крайне важно для лечения пациента.

KOSMOS уже использовался для быстрого обследования пациентов на наличие признаков пневмонии и постановки предположительного диагноза COVID-19.

Эта система обеспечивает:

• Автоматическую маркировку в реальном времени сканируемых структур. Это значительно улучшит самостоятельное изучение УЗИ, а также анатомии сердца.
• Автоматическую градацию качества изображения в реальном времени по шкале от 1 до 5. Это ускорит способность захватывать качественные изображения, что необходимо для точного определения физиологических функций, таких как фракция сердечного выброса.
• Автоматическое управление в виде инструкций для зонда, таких как "вращать зонд по часовой стрелке", отображается на экране в режиме реального времени, что позволяет даже начинающему пользователю устройства быстро научиться получать качественные изображения.
• Автоматические расчеты важных физиологических показателей таких функций, таких как фракция выброса или процент выталкиваемой из сердца крови с каждым ударом.
• Сейчас система определяет также частоту сердечных сокращений, а в ближайшем будущем она будет включать в себя интерпретацию ЭКГ и звука сердца.

Caption Health

Компания Caption Health разработала ультразвуковую платформу с искусственным интеллектом, способную помогать врачам получать более четкое изображение сердца в движении.

Система искусственного интеллекта для ультразвуковых исследований Caption Health была одобрена американским регулятором отрасли (FDA) в феврале этого года и предназначена для того, чтобы помочь медикам пройти этапы общего кардиологического обследования, используемого для диагностики различных сердечных заболеваний. Программное обеспечение также анализирует двухмерное ультразвуковое изображение в режиме реального времени и автоматически записывает лучшие видеоклипы для последующего анализа, одновременно рассчитывая показатели работы сердца.

Недавно обновленная версия алгоритмов и руководства также получила ускоренное разрешение FDA для использования в качестве инструмента, помогающего оценивать пациентов с COVID-19 на предмет сердечно-сосудистых осложнений.

В настоящее время эта система уже используется в медицинских центрах США в интеграции с портативной ультразвуковой системой Terason uSmart 3200T Plus.

Exo

Компания Exo Imaging разработала портативное ультразвуковое устройство и сопутствующую облачную платформу на базе искусственного интеллекта.

Компания рассчитывает выпустить устройство в 1 половине 2021 года, но пока не хочет раскрывать подробной информации о технических данных и даже виде устройства. Кроме того, в этом году компания также выпустит свое облачное программное обеспечение рабочего процесса на основе искусственного интеллекта, которое будет совместимо с другими ультразвуковыми устройствами, представленными на рынке. Эта технология обеспечит меньшее потребление энергии, позволит улучшить качество изображения и сделает технологию максимально простой в использовании.

Устройство Exo создано на основе запатентованной технологии пьезоэлектрического микромашинного ультразвукового преобразователя (Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducer, PMUT), использующей наноразмерные устройства, встроенные в кремниевые чипы, что дает возможность создать ультразвуковой сканер, потребляющий существенно меньше энергии. Устройство будет продаваться, как утверждает производитель, по доступной цене.

По словам разработчиков, Exo будет использовать искусственный интеллект в различных методах, начиная от самой визуализации и заканчивая руководством пользователя для сбора клинически значимых данных и проведения процедур - упрощая их проведение при неотложной помощи, реанимации или в операционной.

Butterfly Network

Американская компания Butterfly Network недавно выпустила новую версию своего популярного мобильного ультразвукового устройства. Новый Butterfly iQ+ отличается лучшими возможностями работы с изображениями, улучшенной эргономикой и более длительным временем работы от батареи. Врачи могут использовать этот портативный УЗИ-сканер в различных ситуациях для получения изображений сердца, легких, мочевого пузыря и других органов или тканей. Сканер также имеет функцию Needle Viz, которая помогает с визуализировать иглу во время процедуры.

Тесная интеграция всех электронных элементов в одном чипе позволила разработчикам создать быстро работающее устройство, способное получать изображения высокого разрешения и которое может выполнять задачи, всего несколько лет назад возможные только с помощью полноразмерных ультразвуковых аппаратов.

Для улучшения изображения в Butterfly iQ+ используется цифровое формирование микролучей прямо на чипе, что позволяет увеличить частоту кадров на 15% и достичь 60%-увеличение частоты повторения импульсов.

Система iQ+ использует искусственный интеллект для того, чтобы понимать и анализировать изображения, а также то, как работает сам прибор, чтобы улучшить его использование. Алгоритмы Butterfly Network принимают записи с камеры для определения местоположения устройства в режиме реального времени, направляя оператора, чтобы точно подсказать положение. Это также повышает простоту использования устрйоства, то есть им можно управлять одним лишь большим пальцем.

Clarius

Clarius с самого начала встроила искусственный интеллект в свои продукты, чтобы обеспечить наиболее оптимизированное и высококачественное изображение, а также сократить количество операций, необходимых для получения высококачественного изображения.

Программное обеспечение Clarius обеспечивает автоматизированный механизм компенсации усиления по времени (усиление применяемое относительно глубины изображения). Автоматизированный подход Clarius с использованием искусственного интеллекта сводит на нет необходимость пользователя взаимодействовать с регулятором усиления, если он этого не хочет. Благодаря анализу каждого отдельного ультразвукового изображения, полученного во время сканирования со скоростью до 30 кадров в секунду, усиление может быть настроено с высокой точностью до 1 мм, и все это в режиме реального времени, с мгновенной обратной связью.

Сканер также имеет функцию, которая помогает с визуализировать иглу во время процедуры. Компания Clarius разработала специальный алгоритм, позволяющий в режиме реального времени анализировать изображение на предмет наличия сигнатуры иглы, состоящей из множества параметров, которые помогают отличить ее от стандартной ткани. После обнаружения иглы система фиксируется на этом угле и обрабатывает изображение, чтобы показать иглу в виде выделенной линии, наложенной поверх изображения. Благодаря этой функции пользователи Clarius могут просто нажать одну кнопку, чтобы получить доступ к уникальному инструменту улучшения изображения иглы, что оставляет руки врача свободными для проведения процедуры.

Компания Clarius также создала инструмент для автоматического расчета частоты сердечных сокращений по серошкальному изображению без использования М-режима. В настоящее время этот алгоритм определения сердечного ритма работает с изображениями сердца взрослых, а акушерские кардиологические расчеты находятся в стадии разработки.

В Clarius встроен и мощный алгоритм искусственного интеллекта для управления питанием сканера. Например, когда пользователь кладет сканер на стол во время работы, искусственный интеллект анализирует множество входных сигналов сканера, таких как датчики движения и само изображение, чтобы определить, следует ли включить состояние с более низкой частотой кадров. Если пользователь затем начнет визуализацию пациента, алгоритм снова включит режим высокой частоты кадров. Если сканер слишком долго находится в состоянии пониженной частоты кадров, он совсем приостанавливает визуализацию, и пользователю для продолжения процедуры необходимо вручную включить визуализацию с помощью кнопки "стоп" в приложении.

DARPA

Американское агентство передовых оборонных исследовательских проектов (DARPA) также пытается усовершенствовать портативные ультразвуковые устройства с помощью искусственного интеллекта, чтобы реагировать на травмы в режиме реального времени прямо на поле боя. Для этого агентство запустило специальную программу разработки прототипа системы искусственного интеллекта, который сможет лучше интерпретировать и использовать данные прямо на месте.

Программа будет решать эту проблему путем развития технологии искусственного интеллекта, которая использует ограниченные обучающие данные и включает предварительные знания, в том числе опыт в области УЗИ, для улучшения использования системы в жестких условиях.

В частности, алгоритмы должны будут продемонстрировать возможности четырех актуальных для Пентагона медицинских потребностей на поле боя:

• Обнаружение пневмоторакса
• Измерение диаметра оболочки зрительного нерва (что может быть использовано для оценки внутричерепного давления)
• Определение нервного блока (что может использоваться для точного введения местного анестетика)
• Проверка эндотрахеальной интубации (чтобы убедиться, что трубка была установлена точно).

В обзоре использованы материалы University of Canberra, Kosmos, Medical Imaging Convention, The Sociable, The VenturaBeat, IEEE Xplore, Clarius, Fierce Biotech.