Нейросеть распознала гидроцефалию на МРТ

Американские ученые создали алгоритм, способный анализировать томограммы детей и находить на них расширение желудочков мозга — признак гидроцефалии. Как сообщается в Journal Neurosurgery, на обработку скана у программы уходит 1,48 секунды, а точность оказалась сравнима с человеческой.

Гидроцефалия чаще встречается у детей раннего возраста. В ее основе лежит, как правило, нарушение циркуляции спинномозговой жидкости (окклюзионная гидроцефалия) или нарушение ее всасывания в кровеносную систему (арезорбтивная гидроцефалия). Еще до того, как болезнь проявится своим главным симптомом — увеличением окружности головы ребенка — ее можно заподозрить по увеличенным желудочкам мозга. Визуализировать их можно с помощью нейросонографии у детей до года или МРТ головного мозга. Знание размера и формы желудочков помогает врачам уточнить клинический статус пациента и выбрать тактику его лечения.

Нейрохирурги оценивают размер и объем желудочков, как правило, визуально. Такую оценку последовательных снимков затрудняют различия в толщине среза, наклон головы ребенка и режим сканирования. Несмотря на существующие ручные методы линейного измерения желудочков, трудоемкость или неточность не всегда позволяют использовать их в повседневной практике. Автоматизированные методы подсчета размера и объема желудочков существуют, однако они используются либо в исследовательских целях, либо они не подходят для использования в педиатрической практике.

Чтобы удовлетворить клиническую потребность в эффективном, надежном и количественном методе оценки желудочков головного мозга, ученые из Стенфордского университета под руководством Дженнифер Куон (Jennifer L. Quon) разработали клинический инструмент на основе методов глубокого обучения для последовательной оценки объема желудочков с течением времени у пациентов с гидроцефалией.

Ученые адаптировали сверточную нейронную сеть U-net для сегментирования желудочков головного мозга на МР-томограммах. В основе модели лежит принцип «кодер-декодер»: кодер раскладывает изображение на абстрактное представление более низкого разрешения, а декодер кодирует это изображение обратно до сегментационного изображения полного разрешения, где определяется, является ли конкретный пиксель в срезе желудочком или нет.

В исследуемую группу включили 200 пациентов с диагнозом обструктивной гидроцефалии, в возрасте от 0 до 22 лет (медиана 5 лет). В контрольную группу вошло 200 сканов МРТ от 199 пациентов в возрасте от 0 до 19 лет (медиана 8 лет). За контроль принималось ручное измерение объема желудочков на сканах МРТ. Мерой сходства ученые выбрали коэффициент Серенсена: чем он выше, тем ближе рассчитанный программой объем к контролю.

Расчет объема желудочках на МР-сканах оказался достаточно точным, причем у пациентов с гидроцефалией коэффициент составил 0,946, а у пациентов контрольной группы — 0,856 (p < 2,2 × 10^-16). У пациентов с бОльшими объемами желудочков (как у здоровых, так и у больных) программа лучше справлялась с подсчетами. Расчет объема модели сильно коррелировал с расчетными индексами, использующимися для диагностики расширения желудочков (r² от 0,79 до 0,92). Оценка занимала 1,48 секунды при использовании графического процессора.

По сравнению с существующей системой автоматизированной обработки МР-изображений «FreeSurfer», исследуемая модель оказалась более точной: коэффициент Серенсена составил 0,83 для контрольной группы (p = 6,4 × 10^-5) и 0,94 для группы гидроцефалии (p = 8,5 × 10^-5). При этом на одно сканирование «FreeSurfer» тратил от 8,2 до 207,3 часа (медиана 20,3 часа).

Несмотря на рутинность МРТ продолжают улучшать всеми возможными методами. Мы рассказывали, что в начале 2020 года в США одобрили портативный аппарат МРТ, а уже в сентябре его эффективно начали использовать в палатах интенсивной терапии.

Вячеслав Гоменюк