Оптическая биопсия. Станет ли ИИ-решение для ранней диагностики рака доступным
Успешность лечения рака критически зависит от того, как быстро врачи найдут у пациента очаг болезни и распознают злокачественную ткань, подлежащую удалению. В идеале специалисты определяют опухоль, когда она еще небольших размеров, а на операционном столе хирург полностью удаляет раковые клетки, минимально затрагивая здоровую ткань. В реальности так получается не всегда, а потерянное время усложняет лечение и повышает его стоимость.
С каждым годом специалисты совершенствуют способы диагностики, повышают точность анализа, новое оборудование помогает точнее определять источники угрозы для пациентов. В основе этой эволюции – разработки, объединяющие проверенные годами методы и новые программно-аппаратные технологии.
Технологии сегодняшнего дня
Биопсия — инвазивная процедура, при которой ткань извлекается из организма и подвергается определенным проверкам, которые и позволяют узнать, где именно сформировалось злокачественное образование.
К примеру, в ходе операции по удалению опухоли хирург собирает образцы с краев ткани и отправляет в лабораторию. Ему нужно знать, остались ли в организме раковые клетки, из которых со временем может сформироваться новое образование. Дождавшись результатов анализа, хирург принимает решение - закончить операцию, удалить дополнительный участок или взять еще один образец для проверки. Цикл повторяется до тех пор, пока в образце не останется опухолевых клеток.
У этой технологии есть множество недостатков:
-
необходимость проникать в организм пациента;
-
затраты времени на лабораторный анализ;
-
низкая точность на ранних стадиях заболевания, когда злокачественный участок практически не увидеть.
В результате врач не может помочь пациенту, остановив болезнь наименьшими усилиями. Через какое-то время лечение становится дороже, поскольку в процессе необходимо будет задействовать узкопрофильных сторонних специалистов. К тому же, эффективность применяемых методов также не на высоте: чтобы не оставить в организме злокачественных клеток, приходится жертвовать здоровой тканью.
Причиной этому - несовершенство технологий. Неудивительно, что ученые постоянно ищут новые методы диагностики, которые сделают работу врачей проще, а жизнь пациентов — легче. Наиболее перспективные разработки связаны с оптической биопсией — методом, который позволяет диагностировать злокачественные опухоли, фактически не вмешиваясь в организм.
Увидеть, чтобы вылечить
Название новой технологии точно описывает ее суть: оптическая биопсия это такая же биопсия, но без непосредственного вмешательства в организм. Врач сканирует подозрительный участок ткани, при этом в некоторых случаях извлечения образца не требуется. Отсканированное изображение обрабатывается с помощью комплекса методов анализа. Полученные данные передаются на обработку программной платформе. Результатом исследования может быть карта жесткости ткани с обнаруженными уплотнениями, карта сосудов или что-то другое — в зависимости от решаемой в ходе исследования задачи.
На рисунке представлено сравнение двух методов получения данных о ткани молочной железы. Первое изображение получено инвазивным методом, второе – методом оптической биопсии. Во втором случае карта жесткости позволяет более четко и ясно увидеть скопление опухолевых клеток и границы перехода от здоровой ткани к раковой опухоли.
В результате, применение метода оптической биопсии дает возможность нивелировать недостатки традиционной биопсии, о которых говорилось выше:
-
отпадает необходимость в физическом извлечении ткани для лабораторного анализа;
-
оптическую биопсию может провести ассистент прямо за операционным столом, привлекать лабораторных специалистов и ждать, пока они вернутся с результатами анализа не нужно;
-
не нужно жертвовать здоровой тканью, чтобы точно удалить все опасные клетки, и в большинстве случаев врачи могут спасти орган от поражения опухолью.
Важное преимущество оптической биопсии заключается и в том, что врач может отслеживать состояние пациента в динамике. Ему больше не придется брать все новые образцы, каждый раз подвергая пациента новым утомительным и болезненным процедурам. Для того, чтобы оценить эффективность лечения, достаточно просто делать регулярные снимки.
От идеи к практике
Программная часть решения строится на алгоритмах машинного обучения. Но не стоит относиться к этой технологии как к очередному случаю ИИ-хайпа. Разработки в области оптической биопсии идут уже больше 30 лет. Например, исследование «Optical biopsy and imaging using optical coherence tomography» было опубликовано на портале nature.com еще в 1995 году. За прошедшее с этого момента время ученые проделали путь от теоретических изысканий к конкретным решениям по лечению рака простаты, груди, легких, желудочно-кишечного тракта. В каждом случае речь идет о специфическом заболевании, которое требует индивидуального подхода.
Российские исследователи внесли заметный вклад. Так, в 2020 году группа ученых из Орловского государственного университета опубликовала там же пилотное исследование по применению оптической биопсии для диагностики рака печени, а в 2022-м обнародовала информацию о том, как этот метод работает в клинических условиях. Другая группа ученых из Нижнего Новгорода занимается новыми методами противоопухолевой терапии, где оптическая биопсия применяется для получения дополнительных характеристик опухоли. Это позволяет исследователям проводить недоступный ранее мониторинг индивидуальной реакции пациента на терапию без множественных биопсий. В конце 2023 года компания «Оптикэластограф», куда входят ученые из Института физики РАН создали веб-платформу для анализа томографических снимков и получения детализированных данных о биотканях. Это российское решение, которое планируется к выпуску, в том числе, и международный рынок. По словам разработчиков, продуктом уже заинтересовались в Китае и ОАЭ.
Продуктовый подход к решению заставляет ученых думать о том, как с этой платформой будут работать медицинские и исследовательские организации, какой должна быть архитектура, чтобы обеспечить масштабирование и снизить требования к ресурсам, как обрабатывать поступающие потоки мультимедийных данных, где хранить чувствительную информацию, чтобы она не попала в чужие руки. Это принципиально новые задачи по сравнению с теми, которые приходилось решать на этапе фундаментальных исследований и клинических испытаний. Следует подчеркнуть, что платформа будет конкурировать с целым классом других подходов. Какой бы эффективной ни была оптическая биопсия, врачи выбирают то, что им понятнее и удобнее, даже если привычный способ дает меньше информации или закрывает какие-то возможности. Когда речь идет о человеческом здоровье, проверенный способ лечения чаще оказывается предпочтительнее экспериментальных методов.
На самом верхнем уровне при создании такого решения для большого количества пользователей разработчикам нужно реализовать целое множество сервисов вокруг самой технологической начинки, например:
-
личный кабинет пользователя со всеми необходимыми функциями загрузки сканов, настройки отображения информации и просмотра результатов;
-
файловое хранилище с нужной архитектурой, которая позволит пользователям пакетно загружать нужное количество изображений, безопасно с ними работать, не беспокоясь о вопросах приватности и медицинской тайны;
-
облачный вычислительный кластер, который позволит не использовать мощности компьютера врача или исследователя благодаря переносу обработки в облачные системы;
-
модули контроля потребления ресурсов, эффективного распределения нагрузки, чтобы медицинские специалисты получали стабильную производительность вне зависимости от того, в каком регионе они работают;
-
раздел администратора: управление системными настройками, выгрузка отчетов и статистики, контроль потребления мощностей, распределение квот между пользователями (медицинскими организациями), и т. д.
Заключение
На примере OpticElastograph видно, что новой технологии могут понадобиться целые десятилетия, чтобы добраться до пациентов. Подобные проекты объединяют результаты фундаментальных исследований, опыт создания пользовательских сервисов, технологии создания оборудования. Даже сейчас, когда платформа готова к выпуску на рынок, разработчики говорят о ней скорее как об инструменте для исследований. Впереди - продвижение в медицинских учреждениях и университетах, развитие для клинического использования, выход в другие сферы, помимо онкологии. Например, в косметологии такое решение поможет анализировать влияние новых средств или процедур на ткани, в традиционной хирургии - повысить точность операций.
Опубликовано 24.08.2024