Компьютерное зрение в медицине¶
Компьютерное зрение в медицине — направление медицинской информатики, основанное на применении алгоритмов машинного обучения и обработки изображений для анализа медицинских данных (рентгеновских снимков, снимков МРТ и КТ, гистологических препаратов, изображений сетчатки, видео хирургических операций). Технологии компьютерного зрения решают задачи автоматической диагностики, раннего выявления заболеваний, навигации в хирургии, контроля качества медицинских изображений и мониторинга состояния пациентов.
¶Основные задачи медицины, решаемые с помощью компьютерного зрения
¶Диагностика заболеваний по медицинским изображениям
Наиболее развитое направление — автоматический анализ снимков. Системы компьютерного зрения обнаруживают и классифицируют патологии:
- Рентгенография и флюорография — выявление очаговых и инфильтративных изменений в лёгких, включая туберкулёз и пневмонию. Российские системы, такие как «Визор» (разработан компанией «СберЗдоровье»), прошли клинические испытания и используются для скрининга.
- Компьютерная томография — автоматический поиск опухолей, аневризм, признаков инсульта. Алгоритмы сегментируют объёмные изображения и вычисляют размеры образований.
- Магнитно-резонансная томография — анализ снимков головного мозга, суставов, мягких тканей; выявление рассеянного склероза, дегенеративных изменений.
- Маммография — скрининг рака молочной железы. Системы CAD (computer-aided detection) помогают рентгенологам обнаруживать микрокальцинаты и образования размером менее 5 мм.
- Патоморфология — цифровая микроскопия гистологических и цитологических препаратов. Алгоритмы подсчитывают митозы, оценивают степень дифференцировки опухоли, выявляют метастазы в лимфоузлах.
¶Офтальмологический скрининг
Анализ изображений глазного дна (фундус-фотографий) позволяет выявлять диабетическую ретинопатию, глаукому, возрастную макулярную дегенерацию. Российские разработки в этой области включают системы автоматического скрининга ретинопатии недоношенных, применяемые в неонатологических отделениях.
¶Хирургическая навигация и роботизированная хирургия
Компьютерное зрение применяется для:
- трекинга инструментов и анатомических структур во время лапароскопических операций;
- построения трёхмерных моделей операционного поля по данным стереоскопических камер;
- навигации по предоперационным планам (регистрация снимков с интраоперационными данными);
- работы роботизированных систем, таких как отечественный хирургический робот «Реао» (разработан в НИИ трансплантологии и искусственных органов им. В. И. Шумакова).
¶Мониторинг состояния пациентов
Системы видеонаблюдения с элементами компьютерного зрения используются в отделениях интенсивной терапии и гериатрических учреждениях для:
- автоматического обнаружения падений;
- контроля положения тела (профилактика пролежней);
- нередкостного мониторинга дыхания и пульса по видео (remote photoplethysmography);
- распознавания болевого синдрома по мимике у пациентов, не способных к вербальной коммуникации.
¶Организационные и административные задачи
Компьютерное зрение решает и вспомогательные медицинские задачи:
- автоматическая оценка качества медицинских изображений (выявление смазанности, неправильной позиционировки) — снижает количество повторных съёмок;
- подсчёт клеток крови в анализах мазков;
- распознавание рукописных врачебных записей и бланков (оптическое распознавание символов);
- контроль соблюдения санитарных норм (использование масок, мытьё рук медицинским персоналом).
¶Российские разработки
Российские исследования в области компьютерного зрения в медицине ведутся в ряде научных центров:
- МФТИ — разработка алгоритмов сегментации опухолей по снимкам МРТ и КТ;
- НИИ скорой помощи им. Н. В. Склифосовского — системы поддержки принятия решений в неотложной медицине;
- Компания ARVI (Москва) — нейросетевые системы для анализа флюорографических снимков, внедрённые в ряде регионов России;
- «Яндекс» — модели компьютерного зрения, применяемые, в том числе, в медицинских задачах;
- Росатом — разработка медицинских ИИ-систем в рамках проекта «Национальная система инициатив по искусственному интеллекту».
В 2020-х годах Минздрав России начал внедрение цифровых систем скрининга, включая ИИ-анализ флюорографии и КТ лёгких.
¶Ограничения
Применение компьютерного зрения в медицине сопряжено с рядом проблем:
- необходимость больших размеченных датасетов медицинских изображений;
- риск ошибок при выходе алгоритма на данные, отличные от обучающих (domain shift);
- правовой статус: в России медицинские изделия с элементами ИИ регистрируются как медицинские изделия и проходят экспертизу Росздравнадзора;
- вопрос ответственности за диагностическую ошибку, допущенную с участием автоматической системы.
¶Перспективные направления
К перспективным направлениям относятся мультимодальные системы, сочетающие анализ изображений с текстом медицинских заключений и лабораторными данными, а также алгоритмы генеративного ИИ для синтеза обучающих данных и повышения устойчивости моделей.
¶Источники
- Журнал «Искусственный интеллект» (Издательство ИПУ РАН)
- Труды конференции «Диалог»
- Публикации НИИ трансплантологии и искусственных органов им. В. И. Шумакова
- Материалы Минздрава России о внедрении ИИ-технологий в здравоохранении
- Сборники трудов МФТИ по медицинской информатике
