Сколтех создает платформу для планирования нейрохирургических операций

Психиатрические заболевания в мире очень распространены. 300 млн человек страдают депрессией, 50 млн – эпилепсией, 21 млн – шизофренией, но не существует объективных тестов для их диагностики. Группа Adase из Сколтеха разработала платформу для планирования нейрохирургических операций и диагностики психиатрических заболеваний на основе нейровизуализационных данных. Чтобы не отрезать лишнего Группа Adase из Сколтеха (Advanced Data Analytics in Science and Engineering) – это научно-исследовательская организация, разрабатывающая новые методы машинного обучения с промышленными приложениями. Она создана на базе Сколковского института науки и техники (Сколтех). Adase руководит профессор Евгений Бурнаев – один из лучших специалистов в области машинного обучения. Главными потребителями платформы будут НМИЦ нейрохирургии им. академика Н. Н. Бурденко, Центр патологии речи и нейрореабилитации, НМИЦ акушерства, гинекологии и перинатологии им. академика В. И. Кулакова, НМИЦ психиатрии и наркологии им. В. П. Сербского, Высшая школа экономики, Международная гимназия Сколково и др. Они сегодня ставят перед учеными задачи, предоставляют данные и экспертизу. В перспективе – разработанная программа будет на любом компьютере, подключенном к томографу. Когда хирург проводит удаление опухоли в мозге, ему необходимо принимать решение: до какой степени производить резекцию и находить баланс между удалением пораженной области и сохранением когнитивных функций человека, чтобы он после операции остался дееспособным. Речь идет об областях мозга, ответственных за движение, зрение, речь и пр. «У здоровых людей локализация этих зон известна, они находятся примерно в одних и тех же местах с некоторыми вариациями. А у пациентов с патологиями, особенно структурными, эти локализации могут варьироваться очень сильно. Поэтому необходимо как можно точнее определить место патологии, чтобы хирург не резал лишнего», – говорит ученый-биофизик из Сколтеха Максим Шараев. Проект Adase делает с центром нейрохирургии им. академика Н. Н. Бурденко. Мозг онлайн Как определяется пораженный участок мозга? Чтобы, например, найти речевую зону, пациента во время операции пробуждают, с ним разговаривают и, пока у него мозг открыт, касаются определенных зон электродом, а когда попадают в нужную речевую область, у пациента начинаются затруднения с речью. Таким образом хирурги понимают, что этот участок мозга трогать нельзя, и делают резекцию в другом месте. Чтобы спланировать все это, нужно заранее хотя бы примерно знать, где находится речевой центр. Поэтому существует метод неинвазивного картирования, чаще всего МРТ (магнитно-резонансной томографии), когда пытаются определить, где эти области мозга находятся, до операции. МРТ работает так: пациент лежит в сканере, ему, например, предлагают подвигать рукой, измеряют функциональную активность мозга и строят ту область мозга, которая была активна во время выполнения задания. Однако чтобы этот метод сработал, необходимо, поддерживать больного в сознании. Но так бывает не всегда. Кроме того, для картирования каждой области мозга нужно проводить отдельный эксперимент, то есть отдельно двигать рукой, потом – ногой, потом – говорить слова, потом – смотреть картинки; это занимает много времени и выходит дорого. Врачи хотели бы, чтобы пациент лежал в сканере и ничего не делал, а все нужные функциональные зоны мозга находились и данные обновлялись в режиме онлайн, прямо во время операции, и были интегрированы в оборудование. Потому что когда хирург начинает что-то резать, ткани мозга сдвигаются, и точность модели снижается. Как определить зоны активности мозга? Даже во время покоя мозг не отдыхает. Эту работу можно описать сетями, отражающими функциональное состояние мозга в состоянии покоя. Это сети, которые отвечают за слух, за движение, за речь и пр. Они активны, когда мозг не занят решением какой-то задачи. По сетям можно установить зоны активности мозга. Как эти сети и зоны найти? Каждая сеть работает отдельно. Их можно найти методом слепого разделения сигналов, ничего не зная о системе в целом и не имея размеченных данных. Но этот метод дает много «шумов», искажений и необъяснимых вещей. Однако если на сигналы наложить метод пространственного ограничения, можно получить результат. А начать с данных здоровых людей: на них проводилось много исследований. В свободном доступе есть тысячи карт мозговой активности здоровых людей. Используя эти данные, можно создать индивидуальную маску пациента для пространственного разложения сигналов. Таким путем и пошла Adase. Сейчас врачи пробуют метод, строят карты активации мозга и сравнивают с тем, что получилось во время операции. Эти данные передаются Adase, чтобы встраивать их в модель, чтобы потом получить более сильную модель с уже размеченными данными. Но это долгий процесс, пациентов пока мало – всего 7. Сейчас сотрудники Adase посещают операции, взаимодействуют с производителями нейронавигации, чтобы внедрить систему и сделать онлайн-апдейт с моделированием изменения объемов мозга во время операции. Как найти участок мозга, вызывающий эпилепсию Как определить биомаркеры, например тяжелой эпилепсии, с помощью машинного зрения и удалить патологический участок мозга? Сколтеховцы сотрудничают по этой теме с медцентром им. Кулакова, который занимается эпилепсией у детей. Они работают с одним типом эпилепсии – фокальной кортикальной дисплазией. Эта эпилепсия возникает в коре больших полушарий, при ней размывается граница между серым и белым веществом, в какой-то одной конкретной зоне, в связи с чем идет нарушение в работе и развитии мозга и происходят припадки. Эта эпилепсия не лечится лекарствами и требует оперативного вмешательства. После операций большинство больных выздоравливает. Но чтобы провести резекцию, нужно найти эпилептогенную зону. Для этого радиологу нужно просмотреть тысячи изображений, что очень трудоемко и требует квалификации, которой обладают радиологи только в ведущих медцентрах. Кроме того, при эпилепсии, вероятно, поражается вся кортикальная зона и функциональная часть мозга, что делает задачу поиска пораженного очага очень сложной. «Просто прогнать снимки МРТ больших полушарий мозга через сверточные нейронные сети и получить эпилептогенную зону не получится – для этого нужны миллионы изображений или обучение нейронной сети с полной разметкой. Такую разметку получить трудно – это дорого и долго, плюс результат содержит “шум”, т.е. некоторые неточности, которые происходят от, например, дыхания, легкого поворота головы и пр. Выходом может быть попиксельная разметка изображений очага, на которых можно обучить нейросеть», – говорит научный сотрудник Сколковского института науки и технологий Алексей Артемов. Затем берется стек (набор) пикселей соответствующего МРТ-изображения и решается задача их классификации, а в результате находится очаг эпилепсии. Так же можно искать раковые опухоли. Это неполная разметка, и вопрос ее качества открыт. Но это некий выход в ситуации отсутствия больших данных. В России пока только в Сколтехе разрабатывают платформу для планирования нейрохирургических операций с использованием машинного обучения, и проект еще далек от завершения. Но свои прогнозы платформа уже в состоянии делать. Наиболее точными являются диагнозы шизофрении: точны практически в 100% случаев. В Сколтехе создан маркетплейс дата-сетов CoBrain-Analytics, которая собрала 80 разнообразных дата-сетов и 1 полностью размеченный дата-сет по рассеянному склерозу. Автор: Наталья Кузнецова