Цифровые технологии в нейрохирургии: опыт интеграции лаборатории биомедицинской информатики и искусственного интеллекта

МЕНЮ


Главная страница
Поиск
Регистрация на сайте
Помощь проекту
Архив новостей

ТЕМЫ


Новости ИИРазработка ИИВнедрение ИИРабота разума и сознаниеМодель мозгаРобототехника, БПЛАТрансгуманизмОбработка текстаТеория эволюцииДополненная реальностьЖелезоКиберугрозыНаучный мирИТ индустрияРазработка ПОТеория информацииМатематикаЦифровая экономика

Авторизация



RSS


RSS новости


2022-09-22 04:00

ии в медицине

Цифровые технологии в нейрохирургии: опыт интеграции лаборатории биомедицинской информатики и искусственного интеллекта в работу Национального медицинского исследовательского центра нейрохитрургии

Авторы статьи: Глеб Данилов, ученый секретарь, руководитель лаборатории биомедицинской информатики и искусственного интеллекта, к. м. н

Александр Потапов, профессор, академик РАН, научный руководитель, д. м. н.

Дмитрий Усачев, профессор, член-корреспондент РАН, директор, д. м. н.

Николай Коновалов, заместитель директора по научной работе

Антон Назаренко, профессор РАН, главный врач, д. м. н.

Михаил Шифрин, научный консультант лаборатории биомедицинской информатики и искусственного интеллекта, к. физ.-мат. н.

Тезисы статьи

В НМИЦ нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко для научной работы с данными создали специализированную лабораторию биомедицинской информатики и искусственного интеллекта.

Исследования лаборатории биомедицинской информатики сосредоточены на сопровождении клинических исследований и разработке данных, которые собирают в процессе клинической работы.

Лаборатория биомедицинской информатики и искусственного интеллекта – структура, которая понимает одновременно и язык врачей, и понятийный аппарат IT-специалистов.

Алгоритмы извлечения информации из неструктурированных текстов можно применять в системе мониторинга нежелательных явлений для автоматизации.

Развитие информационных технологий в НМИЦ нейрохирургии

В подготовке материала участвовали

Сотрудники лаборатории биомедицинской информатики и искусственного интеллекта:

Татьяна Цуканова,

Татьяна Пронкина,

Юлия Струнина,

Тимур Ишанкулов,

Константин Котик,

Тимур Загидуллин

ФГАУ «НМИЦ нейрохирургии имени академика Н.Н. Бурденко» Минздрава России,

Е. Шевченко, исследователь в области организации здравоохранения

Нейрохирургия в XXI веке – комплексная дисциплина, которая интегрирует достижения фундаментальных и прикладных нейронаук и генерирует информацию о работе нервной системы человека и ее заболеваниях. Вторичное использование этой информации с применением науки о данных, в том числе искусственного интеллекта, способствует развитию наукио мозге и его патологии. В Национальном медицинском исследовательском центре (НМИЦ) нейрохирургии им. академика Н.Н. Бурденко Минздрава России для научной работы с данными создали специализированную лабораторию биомедицинской информатики и искусственного интеллекта.

Начало. В 1981 году будущий академик РАН А.А. Потапов выступил с инициативой создать специализированную лабораторию для анализа медицинских данных после того, как в Московском институте нейрохирургии появилась первая электронная вычислительная машина СМ-4. С 1984 года медико-математическая лаборатория начала анализировать такие данные, в том числе с диагностической аппаратуры.

С 1992 года в медико-математической лаборатории начали создавать собственную электронную историю болезни e-Med. Ее запустили 25 февраля 2000 года. К этому времени построили 14-этажное здание института нейрохирургии на 300 коек. Его оборудовали современной локальной вычислительной сетью и оптоволоконным выходом в интернет.

Медико-математическая лаборатория сконцентрировалась на сопровождении и развитии электронной истории болезни. Задачей технического обслуживания информационной инфраструктуры института занялась служба технической поддержки, которая выросла из медико-математической лаборатории.

Эволюция лаборатории. В 2015 году Московский институт нейрохирургии преобразовали в НМИЦ нейрохирургии, который возглавил нейрохирургическую службу России. В этом же году внедрили промышленную медицинскую информационную систему (МИС) в работу Центра и передали функции по сопровождению системы ее разработчику. Так появилась возможность вернуться к фундаментальным и прикладным исследованиям в области медицинской информатики. В 2016 году медико-математическую лабораторию трансформировали в отдел информационных технологий. В его составе создали лабораторию биомедицинской информатики, которая в 2018 году стала «Лабораторией биомедицинской информатики и искусственного интеллекта».

К сведению

НМИЦ нейрохирургии – головное и самое крупное нейрохирургическое учреждение России, одно из самых крупных в мире. Ежегодно в Национальном центре нейрохирургии выполняют до 10 тыс. хирургических вмешательств при широком спектре патологии нервной системы и показателе послеоперационной летальности 0,3 процента. За 21 год работы МИС цифровые архивы НМИЦ собрали данные о 132 тыс. случаев нейрохирургического лечения.

Лаборатория биомедицинской информатики

Работа лаборатории биомедицинской информатики сосредоточилась на поддержке исследований НМИЦ по международным рекомендациям и опыту исследований с участием человека. В лаборатории занимались статистическим программированием, планированием исследований, управлением данными с помощью информационных систем класса CDMS (Clinical Data Management Systems). Следующим направлением стала поддержка процессов учета и анализа результатов научной деятельности с администрированием инструментов сбора данных и анализом публикационной активности.

Анализ данных. Одним из оригинальных и нишевых направлений исследований лаборатории биомедицинской информатики стала разработка технологий анализа неструктурированных данных, которые аккумулируют в процессе клинической работы. Также сосредоточились на применении технологий искусственного интеллекта для исследований, разработки интеллектуальных методов анализа публикационной активности и выделения приоритетных научных направлений в нейрохирургии. Активно применяют машинное обучение. Начали разработку прототипов приложений для эффективного анализа данных и представления результатов на современных языках программирования.

Сотрудники лаборатории биомедицинской информатики внедрили в работу специализированную информационную систему управления клиническими данными и статистическое программирование. Начали применять методы искусственного интеллекта и машинного обучения для анализа больших массивов данных, которые накопили за 20 лет функционирования МИС института нейрохирургии.

Принципы работы. Один из основных принципов работы лаборатории биомедицинской информатики – приверженность концепции «Надлежащей клинической практики» в исследованиях с участием человека. Другим принципом работы лаборатории является ориентация на создание программных решений, которые будут представлять результаты анализа данных. Например, создание воспроизводимых сценариев анализа в статистических программных средах. Это необходимо как для поддержки научной деятельности НМИЦ, так и в собственных исследованиях.

К сведению

Лабораторию биомедицинской информатики также привлекают к образовательной деятельности. Например, для проведения занятий по планированию и организации клинических исследований.

Искусственный интеллект в нейрохирургии

Под термином «искусственный интеллект» мы понимаем математические технологии, которые автоматизируют решения интеллектуальных задач. В более широком смысле этим термином можно обозначить раздел компьютерных наук, в рамках которого такие технологии разрабатывают. В последнем случае речь идет о спектре математических и программных решений, которые имитируют когнитивные функции человека. Например, компьютерное зрение, распознавание и синтез голоса и речи, анализ текстов на естественном языке, машинный перевод.

Машинное обучение. Ключевой технологией в области искусственного интеллекта сегодня является машинное обучение. Это вычислительный поиск математической модели, которая решает техническую задачу на имеющихся данных. С помощью таких моделей находят неочевидные закономерности между набором характеристик изучаемых объектов и целевыми переменными. Например, между данными пациента и исходом лечения, между характеристиками заболевания и длительностью госпитализации.

Для формирования математической модели нужны данные – множество примеров с известными характеристиками, на которых модель обучают. При этом данные могут быть формализованными и неструктурированными. Например, изображения, текст или аудиозапись. Основными источниками данных для работ по искусственному интеллекту в нейрохирургии являются данные нейровизуализации, секвенирования генома, биосенсоров, медицинские текстовые записи [1, 2].

Перспективы применения. Разработка технологий искусственного интеллекта в высокотехнологичной нейрохирургии имеет значимые перспективы. Например, «человекоподобные» функции компьютера в нейрохирургии можно использовать для автоматизации медицинских процессов, в первую очередь диагностики заболеваний, принятия клинических решений и прогноза исхода лечения.

Семь перспектив от искусственного интеллекта в высокотехнологичной нейрохирургии

1. Переход к менее инвазивным и более безопасным медицинским воздействиям.

2. Автоматизация рутинных медпроцессов и сокращение времени работы медперсонала.

3. Научно обоснованная оценка рисков нежелательных явлений.

4. Утилизация максимума доступной мединформации.

5. Персонализация медпомощи за счет учета полного набора данных пациента.

6. Сокращение времени на оказание медпомощи.

7. Экономия ресурсов пациента и здравоохранения.

Специализированная лаборатория искусственного интеллекта

Национальному центру нейрохирургии как головному нейрохирургическому учреждению страны необходимо извлекать знания из собственных больших архивов накопленной за 20 лет информации, а также эффективно анализировать данные о работе нейрохирургической службы. Успех технологий искусственного интеллекта связан не только с разработкой эффективных моделей, но и с выбором правильной задачи, в решении которой заинтересована предметная область. Сегодня существует поле для свободной деятельности по определению этих потребностей и задач.

Понимание процессов. Специалисты из области машинного обучения не могут определить задачи в нейрохирургии, а нейрохирурги не могут самостоятельно поставить задачи в том виде, в каком их ожидают специалисты по машинному обучению. Лаборатория биомедицинской информатики и искусственного интеллекта – специализированная структура, которая понимает одновременно и язык врачей, и понятийный аппарат IT-специалистов. Она находится «внутри медицины» и проводит собственные исследования искусственного интеллекта. Сотрудники этой структуры понимают потребности нейрохирургии, которые можно удовлетворять за счет цифровых технологий.

Лаборатория создает свои прототипы решений на основе искусственного интеллекта и является «интерфейсом» между нейрохирургической клиникой и «большой фундаментальной наукой». Она обеспечивает эффективные связи НМИЦ нейрохирургии с внешними партнерами в сфере цифровых технологий. Например, с Институтом прикладной математики РАН, факультетом вычислительной математики и кибернетики МГУ, Институтом системного анализа РАН.

Вычислительная инфраструктура. Сегодня лаборатория работает в современной вычислительной инфраструктуре НМИЦ нейрохирургии. Она располагает самыми современными суперкомпьютерными мощностями – кластер из двух суперкомпьютеров производительностью по 5 петафлопс каждый (рисунок). Лаборатория биомедицинской информатики и искусственного интеллекта на базе НМИЦ является рабочей моделью организации вычислительного центра в головном отраслевом медучреждении.

Рисунок. Вычислительная инфраструктура НМИЦ нейрохирургии

К сведению

Ряд проектов лаборатории выполнен при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 18-29-22085, 19-29-01174, 18-29-01052).

Научные разработки лаборатории

Сотрудники лаборатории биомедицинской информатики и искусственного интеллекта разработали алгоритмы извлечения информации из неструктурированных текстов. Такие алгоритмы позволяют экспертам извлекать информацию из миллионов текстовых записей за разумный интервал времени. Результатом таких работ являются «размеченные» данные для проведения экспериментов с машинным обучением [3–7]. В 2021 году сотрудники лаборатории получили патент на «Способ извлечения информации из неструктурированных текстов, написанных на естественном языке». Полный список разработок приведен ниже.

Научным консультантом лаборатории остается кандидат физико-математических наук М.А. Шифрин, который руководил медико-математической лабораторией и отделом информационных технологий в течение 30 лет. Он занимался развитием информационно-технологической базы, на которую опираются информационно-аналитические подразделения НМИЦ [25–26].

Совместно с академическими партнерами НМИЦ нейрохирургии лаборатория биомедицинской информатики и искусственного интеллекта проводит работы с широким спектром задач. Например, моделирование биологических молекул, синтез речи врача по тексту и преобразование его устной речи в текст, оконтуривание медицинских изображений и их классификация. Лаборатория биомедицинской информатики и искусственного интеллекта обеспечивает эффективные коммуникации между нейрохирургией и информатикой.

К сведению

На II Китайско-Российском нейрохирургическом форуме в городе Харбин в 2019 году с докладом о возможностях и перспективах искусственного интеллекта в нейрохирургии руководителя лаборатории Глеба Данилова наградили званием «Почетный профессор» Харбинского медуниверситета. В декабре 2019 года сотрудник лаборатории Константин Котик занял лидирующие позиции в конкурсе по анализу данных на международной платформе Kaggle. Он разработал модель автоматической классификации внутричерепных кровоизлияний. На Европейской конференции по медицинской информатике ICIMTH 2020 команда лаборатории получила приз за лучшую научную статью по анализу медпубликаций при лидирующем участии сотрудника лаборатории Тимура Ишанкулова. На Европейском конгрессе по медицинской информатике MIE 2021 работа лаборатории по данной тематике вошла в топ-8 лучших работ конгресса. На Европейской конференции по медицинской информатике ICIMTH 2021 сотрудники лаборатории вновь получили приз за лучшую научную работу с использованием технологий векторной семантики.

«Цифровые технологии в нейрохирургии: опыт интеграции лаборатории биомедицинской информатики и искусственного интеллекта в работу Национального медицинского исследовательского центра нейрохитрургии»

© Материал из Справочной системы «Главная медсестра».


Источник: vip.1glms.ru

Комментарии: