Ученые ИТМО совместно с коллегами из НМИЦ имени Алмазова придумали, как быстро определять фиброз сердца с помощью глубокого обучения. Для этого они разработали алгоритм, который делит изображение сердца на 17 сегментов, а затем определяет расположение и количество фиброзной ткани. Разработка освободит врачей от сложной работы по обработке МРТ-снимков и ускорит подбор наиболее эффективной стратегии лечения инфаркта и других заболеваний сердца. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Biomedical Signal Processing and Control.
Екатерина Бруй, руководитель проекта, старший научный сотрудник физического факультета Университета ИТМО. Источник фото: пресс-служба Университета ИТМО
Сердечно-сосудистые заболевания — основная причина смертности во всем мире. Чтобы вовремя обнаружить патологию, важно своевременно проводить диагностику, в том числе находить фиброз — рубцовую ткань, которая может образоваться после инфаркта миокарда (постинфарктный кардиосклероз) или инфекционных заболеваний. Один из перспективных методов исследования сердца — магнитно-резонансная томография. Это малоинвазивный способ, использующий неионизирующее излучение.
Однако на морфометрию, точное измерение объема фиброза, рентгенологи тратят много времени: вручную определяют примерный процент фиброзной ткани в том или ином сегменте сердца и заносят эту информацию в таблицу для построения 17-сегментной диаграммы. В среднем обработка одной серии снимков занимает от одного до двух часов на одного пациента.
Сократить время обработки снимков можно с помощью нейросетей, однако существующие модели достаточно неточные и трудозатратные — они требуют ручного или полуавтоматического выделения области фиброза, то есть присутствия рентгенолога. Поэтому перед учеными стоит задача автоматизировать генерацию 17-сегментных диаграмм сердца на основе МРТ-изображения.
Чтобы ускорить и автоматизировать обработку МРТ-снимков сердца и быстро определять на них фиброз, ученые ИТМО совместно с НИМЦ Алмазова разработали полуавтоматическую модель на основе глубокого обучения. Она решает задачу поэтапно: сначала определяет область сердца, в которой находится миокард, затем выявляет наличие фиброза, распознает 17 сегментов, на которые принято делить сердце, и оценивает объем фиброза в каждом из них.
«В предложенном алгоритме пользователю нужно только отметить несколько точек на изображении сердца и классифицировать срезы, а сегментация тканей и генерация 17-сегментной диаграммы полностью автоматизированы. Сейчас мы работаем над улучшением нашего метода и разрабатываем более быстрый, полностью автоматический алгоритм, который будет способен анализировать снимки мгновенно без вмешательства пользователя», — рассказал основной исполнитель проекта, научный сотрудник ИТМО Валид Аль-Хайдри.
В отличие от специалиста, у которого на обработку изображения уходит около 1–2 часов, модель справляется за пару минут. Кроме того, для анализа модели достаточно снимка сердца в одной проекции, в то время как врачам может понадобиться несколько снимков в разных проекциях, а значит, и больше времени на МРТ-исследование и его анализ.
Для сегментации миокарда и обнаружения фиброза авторы использовали нейросеть U-Net, а также каскадный алгоритм. Модель обучили на изображениях сердца, размеченных экспертами вручную, а также базе данных из постинфарктных МРТ-снимков сердца из Дижонского университета. Выборка пациентов, чьи снимки были использованы, составила 250 человек.
Разработчики добились точности, при которой результат алгоритма совпадает с мнениями двух экспертов в 86% и 77% случаев. Авторы считают это высоким показателем: обычно межэкспертное согласие составляет порядка 80%, то есть модель работает примерно на уровне человека.
На основе данных о локализации и количестве фиброза врачи смогут быстро и точно прогнозировать осложнения для функции сердца и исходы заболеваний, в динамике наблюдать состояние сердца и разрабатывать более эффективную стратегию лечения. В перспективе алгоритм можно использовать не только для обработки МРТ-снимков, но и адаптировать для изображений, получаемых с помощью компьютерной томографии.
«Мы не просто берем большие наборы данных и обучаем на них нейросеть выполнять рутинную работу — мы предлагаем врачам инструмент, который сможет решать сложные задачи на уровне опытного специалиста и позволит получать больше информации о связи локализации фиброза с другими параметрами сердца», — подчеркнула руководительница проекта, старший научный сотрудник физического факультета Екатерина Бруй.
Исследование поддержано грантом РНФ № 23-75-10045.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Университета ИТМО
