Ученые Пермского Политеха обучили нейросеть диагностировать болезнь Альцгеймера

Используя данные медицинских исследований пациентов с Альцгеймером, ученые Пермского Политеха обучили нейросеть выявлять заболевание. Для этого они построили модель нейронной сети на основе механизма комплексного оценивания, преодолев проблему ограниченности исходных данных. Полученные результаты лягут в основу программного обеспечения системы диагностики болезни Альцгеймера.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках программы деятельности Пермского научно-образовательного центра "Рациональное недропользование". Исследование проводилось в университете совместно с двумя малыми инновационными предприятиями, созданными при поддержке Фонда содействия инновациям.

Медицинские исследования последних двух десятилетий, посвященные изучению головного мозга, отмечают рост числа пациентов с болезнью Альцгеймера. Сегодня во всем мире насчитывается около 50 млн человек, страдающих болезнью Альцгеймера, а в 2008 году число больных было менее 30 млн человек.

По данным ВОЗ, из всех выявленных случаев деменции порядка 60-70% вызвано болезнью Альцгеймера. Из-за малозаметных симптомов на начальном этапе развития диагностировать болезнь возможно только по физиологическим изменениям в головном мозге, зафиксированным на МРТ.

"На ранних стадиях симптомы болезни Альцгеймера малозаметны, но со временем болезнь прогрессирует, приводя к потере долговременной памяти, нарушениям речи и когнитивных функций, утрате способности ориентироваться в обстановке и ухаживать за собой. Поэтому существенный интерес для медицины представляет диагностирование болезни по физиологическим процессам в головном мозге человека", — рассказывает студентка 4-го курса Пермского Политеха Большакова Юлия, создавшая по программе "Студенческий стартап" малое инновационное предприятие ООО "Системы диагностик".

Для эффективного выявления патологии ученые Пермского Политеха предложили применять специальные методы обработки данных и выбора структуры искусственной нейронной сети.

"Искусственные нейронные сети уже активно используются в медицинских исследованиях, например, для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний, дисбактериоза кишечника, онкологии. Основное ограничение применения нейросетей в медицине сводится к проблеме ограниченности данных. Во многом это объясняется этическими мотивами: пациенты или их законные представители должны дать согласие на использование их медицинских данных для научных целей и публикации в открытой печати. Например, на сбор данных о 81 пациенте, 59 из которых имели подтвержденный диагноз "болезнь Альцгеймера", потребовалось 5 лет", — объясняет научный руководитель проекта, начальник управления организации научных исследований Пермского Политеха, Александр Алексеев.

На этом ограниченном наборе данных проводилось обучение нейросети для выявления болезни Альцгеймера по значениям магнитной восприимчивости вен головного мозга, которые определялись с помощью МРТ. Решить проблему ограниченности данных ученые предложили за счет использования механизма комплексного оценивания. Этот механизм, также известный как "корень принятия решений", традиционно применяется для агрегирования нескольких показателей в одну комплексную оценку.

"Ключевое значение разработанного подхода заключается в сокращении времени, затрачиваемого на поиск оптимальной нейронной сети для анализа ограниченного набора данных. С помощью методов идентификации корней принятия решений, нам удалось получить такую структуру нейросетевой модели, которая способна с высокой точностью описывать изучаемую область, в данном случае – диагностировать болезнь. Применять предложенный механизм можно и в других сферах, где исходный набор данных существенно ограничен", — поясняет один из разработчиков методики, Леонид Кожемякин, ведущий специалист ООО "Пермский центр поддержки принятия решений", созданного по программе Фонда содействия инновациям "Старт-1".

На текущий момент в открытом доступе нет специализированных программных продуктов, позволяющих пользователю, не имеющему навыков программирования, задать неполносвязную структуру нейронной сети. Совместно с ООО "Пермский центр поддержки принятия решений" ученые намерены создать специальную компьютерную программу, доступную онлайн для всех исследователей.