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