Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
Нейросети и МРТ: молодые ученые предлагают новый подход в диагностике мозга
В рамках международной летней школы по машинному обучению представлено исследование автоматического обнаружения очаговых повреждений головного мозга.
С 26 августа по 6 сентября в России впервые прошла международная летняя школа по машинному обучению (Machine Learning Summer School, MLSS). Мероприятие проходило на базе Сколковского института науки и технологий (Сколтех). В рамках школы лаборатория Philips в Сколково совместно с институтом провели конкурс на лучшую исследовательскую работу в области применения искусственного интеллекта в здравоохранении и биологии. В конкурсе приняло участие 150 человек из российских и зарубежных академических организаций (за исключением студентов Сколтеха, поскольку их участие могло вызвать конфликт интересов).
При оценке работ жюри принимало во внимание новаторство идеи, лежащей в основе исследования, техническую сложность, а также разнообразие областей исследования и университетов, принимающих участие в конкурсе. По его итогам были определены три победителя, которые получили возможность бесплатного посещения международной летней школы по машинному обучению.
Рассказываем о работе одного из победителей. Представленное Кимберлит Ван Вийен из университета Эразма в Роттердаме исследование посвящено автоматическому обнаружению очаговых повреждений головного мозга. Объектом исследования стали периваскулярные пространства, также известные как пространства Вирхова-Робина. Они расположены между стенками сосудов и белым веществом головного мозга. Их можно представить как заполненные жидкостью области, окружающие кровеносные сосуды некоторых органов, пути циркуляции спинномозговой жидкости.
Дело в том, что в головном мозге большинство капилляров имеют незаметное периваскулярное пространство, которое не видно на МРТ. Но расширение этих пространств, которые на МРТ выглядят как белые пятна (рисунок 1), является биомаркером, по которому можно выявить наличие возможных изменений в мозге.
Между тем, расширенные периваскулярные пространства не всегда являются признаком патологии. Таковыми они могут быть и у вполне здоровых людей. Чаще всего их расширение отмечается у пожилых пациентов и связано с возрастными изменениями в головном мозге. Однако в некоторых случаях расширенные периваскулярные пространства могут быть признаком атрофии головного мозга, церебральной ишемии (в том числе инфаркта мозга) и рассеянного энцефаломиелита.
Поэтому в случае выявления отклонений пациентам необходимо проходить дополнительную диагностику. У людей преклонного возраста расширение периваскулярных пространств нередко отмечается при гипертонии, атеросклерозе, деменции. Эти патологии обычно сопровождаются ухудшением памяти и другими когнитивными нарушениями.
Одна из проблем анализа МРТ-снимков — ручная обработка данных пространств, поскольку процесс требует больших временных затрат эксперта. К тому же даже у самого опытного врача глаз может «замылиться», и возникает вероятность совершения ошибки и появления неточностей в поставленном диагнозе. Кимберлит предлагает автоматизировать процесс разметки пространств Вирхова-Робина с помощью сверточных нейросетей (сверточными нейросетями называют основной инструмент для классификации и распознавания объектов, речи и лиц на фотографиях искусственным интеллектом).
Существующие сегодня подходы обучения нейросетей к решению этой задачи предполагают использование повоксельной разметки (повоксельной разметкой называют полную разметку трехмерного изображения, то есть то, что делает МРТ, что является сложной и трудоемкой процедурой.
В отличие от подходов, базирующихся на полной сегментации МРТ-изображения, в основе авторской идеи лежит предположение, что нейросеть способна предсказать морфологию пространств Вирхова-Робина, обучившись лишь на поточечной разметке (поточечной разметкой называют ту разметку, которая использует точку, пиксель и анализирует по ним снимок) снимков МРТ. В своем исследовании Кимберлит использовала для обучения нейросети 2000 изображений МРТ головного мозга с размеченными экспертами координатами периваскулярных пространств (рисунок 2).
На основе точечных аннотаций и соответствующих им интенсивностей пикселей автор вычисляет карты расстояний до очагов повреждений. Это позволяет ему определить морфологию поврежденной области (рисунок 3).
Далее автор обучает сверточную нейросеть предсказывать морфологию повреждений на новых снимках МРТ. Архитектура сети представлена на рисунке 4.
Тестирование сети проводилось на независимой базе данных из тысячи изображений МРТ. И вот как это происходило. Полученная сетью карта предсказаний подается на вход блока пост-обработки, который по данным карты находит наиболее вероятные локализации пространств Вирхова-Робина, после чего результат сравнивается с разметкой, сделанной экспертом и, таким образом, измеряется качество предсказания сети. На рисунке 5 представлены результаты таких предсказаний в сравнении с ручной разметкой эксперта.
Общая схема работы системы представлена на рисунке 6.
Итоги тестирования демонстрируют потенциал авторского подхода для обнаружения расширенных периваскулярных пространств в белом веществе. В дальнейшем автор планирует продолжить исследования метода на разных участках мозга, оценить качество сегментации очагов повреждения, а также процент ложноположительных срабатываний.
В перспективе результаты исследования помогут существенно сократить время врача на разметку МРТ снимков и выявить морфологию пораженных участков, а значит, сократить время на диагностику. Что касается внедрения метода в практику, то это будет нескоро, поскольку необходимо пройти этап довольно длительной процедуры сертификации предложенной модели.
Между тем, исследователи лаборатории Philips Research сегодня уже работают над ускорением процесса сканирования органов и получения МРТ-снимков. Во-первых, это позволит повысить качество снимков. Эффективность алгоритмов обработки изображений зависит как раз от него, а для получения снимка хорошего качества пациенту требуется находиться неподвижно около получаса. Это бывает затруднительно для отдельных категорий лиц, а иногда пациенты находятся в столь тяжелом состоянии, что на счету каждая минута. Во-вторых, это позволит увеличить пропускную способность аппарата МРТ, который является дорогостоящим. Таких аппаратов всегда мало, поэтому наблюдаются очереди на прохождение сканирования.
Кроме того, исследователи работают над алгоритмами перевода МРТ-изображения в КТ. Таким образом можно чтобы уменьшить ошибку при проведении диагностики, снизить радиационную нагрузку на пациента, уменьшить стоимость операции и количество повторных исследований за счет более высокого качества изображений, ускорить планирование терапии и в целом оказывать более высокоточную медицинскую помощь пациентам. Об этих исследованиях можно узнать в наших предыдущих материалах.
Telegram 
Дзен 
VK Японские биологи повторили античную технологию производства вина из изюма, чтобы выяснить механизм его брожения. Исследователи показали, что сушеный виноград, в отличие от свежего, накапливает на поверхности дикие дрожжи и способен превращать воду в алкоголь без внесения дополнительных заквасок.
Фотополимер — специальный пластик для высокоточной 3D-печати. Часто применяется в ювелирном деле, медицине и особенно в литейной промышленности, позволяя создавать сложные детали с внутренними каналами, например, турбинные лопатки. Однако в процессе термообработки до 450°C, необходимой для выжигания прототипа, материал расширяется, вызывая микротрещины в керамической форме. Это приводит к браку при заливке металлом. Применяемые сегодня расчетные модели не учитывают, что при нагреве меняется вязкоупругое поведение фотополимера — сочетание его упругости и способности течь, — что и вызывает ошибки прогнозирования и производственные дефекты. Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха разработали принципиально новую программу, которая принимает в расчет оба этих ключевых параметра и предсказывает поведение пластика на 97%.
Что стало настоящим фундаментом власти — умение обрабатывать землю или контроль над некоторыми культурными растениями? Авторы нового исследования пришли к выводу, что появление первых крупных сообществ и государств зависело не от земледелия в целом, а от выращивания определенных злаков. Эти культуры было легко хранить и, еще важнее, невероятно просто облагать налогом, что и дало толчок появлению цивилизации.
Так называемые зумеры и альфа, несмотря на молодой возраст, уже формируют ключевые поведенческие и потребительские тренды. Ученые Пермского Политеха рассказали, почему обозначение поколений начали с конца алфавита, как альфа и зумеры отличаются в способности к терпеливости, совмещении цифрового и реального «Я», подходу к профессиональной деятельности и отношении к финансам, какое мышление пришло на смену клиповому и как использование искусственного интеллекта повлияет на авторитет родителей.
Коллектив российских ученых из МИРЭА — Российского технологического университета, Центра фотоники двумерных материалов МФТИ, Института металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН и ряда других ведущих научных центров провел глубокое исследование кристаллической структуры широко используемых пьезоэлектрических материалов на основе цирконата-титаната свинца. Используя метод рентгеноструктурного анализа, исследователи впервые смогли в деталях установить, как небольшие химические добавки кардинально меняют фазовый состав керамики и напрямую определяют ее электрофизические характеристики. Это открывает путь к целенаправленному дизайну «умных» материалов с заранее заданными свойствами для передовой электроники и сенсорики.
Ученые разработали штамм цианобактерии, способный поглощать в три раза больше фосфора из сточных вод
Фосфор – элемент, играющий ключевую роль в росте растений. В сельском хозяйстве он используется в составе многих минеральных удобрений. В то же время фосфор, содержащийся в сточных водах — серьезный загрязнитель, который при попадании в водоемы нарушает баланс экосистем и вызывает цветение водорослей. Ученые Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» и Южного федерального университета предложили новый экологичный способ выделения фосфора из сточных вод с помощью фотосинтезирующих микроорганизмов.
Человеческие языки разнообразны, но это разнообразие ограничивается повторяющимися закономерностями. Пытаясь описать правила, которым подчиняются различия в грамматике, лингвисты сформулировали ряд так называемых грамматических универсалий — утверждений, предположительно верных для всех или большинства языков мира. Международная команда ученых провела статистический анализ на материале 2430 языков и обнаружила, что соответствующими действительности можно считать около трети таких утверждений.
По расчетам, большинство «гостей» из других звездных систем летят к Земле примерно со стороны созвездия Геркулес. Скорее всего, они время от времени падают на нашу планету, просто мы еще не научились это замечать. Как удалось вычислить, чаще всего они должны падать зимой и где-то в окрестностях экватора.
Ученые открыли новый, ранее неизвестный способ передвижения бактерий по поверхностям, для которого не нужны жгутики. Эти микроорганизмы на краю колонии переваривают сахара, выделяют метаболиты и создают осмотическое давление. Оно вызывает микроскопическое «цунами», и на нем бактерии катятся вперед.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно