Цифровые технологии в лучевой и инструментальной диагностике

Авторы: Васильев Юрий Александрович, Владзимирский Антон Вячеславович, Шулькин Игорь Михайлович, Солдатов Илья Владимирович, Омелянская Ольга Васильевна, Арзамасов Кирилл Михайлович, Гончарова Инна Владимировна, Лантух Зоя Александровна, Зинченко Виктория Валерьевна, Хоружая Анна Николаевна, Кудрявцев Никита Дмитриевич, Толкачев Кирилл Владимирович, Шарова Дарья Евгеньевна, Иванова Галина Владимировна

Редактор Анжелика Ивановна Овчарова

Компьютерная верстка Екатерина Дмитриевна Бугаенко

Дизайн обложки Екатерина Дмитриевна Бугаенко

© Юрий Александрович Васильев, 2025

© Антон Вячеславович Владзимирский, 2025

© Игорь Михайлович Шулькин, 2025

© Илья Владимирович Солдатов, 2025

© Ольга Васильевна Омелянская, 2025

© Кирилл Михайлович Арзамасов, 2025

© Инна Владимировна Гончарова, 2025

© Зоя Александровна Лантух, 2025

© Виктория Валерьевна Зинченко, 2025

© Анна Николаевна Хоружая, 2025

© Никита Дмитриевич Кудрявцев, 2025

© Кирилл Владимирович Толкачев, 2025

© Дарья Евгеньевна Шарова, 2025

© Галина Владимировна Иванова, 2025

ISBN 978-5-0065-4652-3

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Научно-исследовательская работа, в рамках которой подготовлена монография

Данная монография подготовлена авторским коллективом в рамках научно-исследовательской работы «Научно-методические основы цифровой трансформации службы лучевой диагностики» (№ ЕГИСУ: №123031400118—0) в соответствии с приказом Департамента здравоохранения города Москвы от 22.12.2023 г. №1258 «Об утверждении государственных заданий, финансовое обеспечение которых осуществляется за счет средств бюджета города Москвы, государственным бюджетным (автономным) учреждениям, подведомственным Департаменту здравоохранения города Москвы, на 2024 год и плановый период 2025 и 2026 годов».

Рецензенты

Лебедев Георгий Станиславович – д-р техн. наук, доцент, директор Института цифровой медицины, заведующий кафедрой информационных и интернет-технологий Института цифровой медицины ФГАОУ ВО Первый МГМУ им. И. М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет)

Нуднов Николай Васильевич – д-р мед. наук, профессор, заместитель директора по научной работе, заведующий НИО комплексной диагностики заболеваний и радиотерапии ФГБУ «РНЦРР» Минздрава России

Васильев Ю. А. Глава 1. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА В ЛУЧЕВОЙ ДИАГНОСТИКЕ

1.1. Цифровизация лучевой диагностики

Лучевая диагностика – ключевой компонент современного здравоохранения. Вклад соответствующих методов исследований в скрининг, диагностику, стадирование, контроль динамики и эффективности лечения подавляющего числа нозологий трудно переоценить [8, 41, 102]. Интенсивный технический прогресс привел к практически полному переходу к цифровой диагностике, то есть к масштабному использованию цифровой диагностической аппаратуры, объединенной информационными системами. Очевидным дальнейшим шагом объединения стало создание централизованных архивов медицинских изображений уровня крупных административно-территориальных образований, в Российской Федерации (РФ) – субъектов [27, 104].

Потребность в лучевых исследованиях возрастает постоянно. В период 2014—2019 гг. в России отмечался ежегодный прирост абсолютного количества соответствующих исследований на 2,5—3,0%, в 2019—2020 гг. и в период пандемии новой коронавирусной инфекции прирост составил от 4,6 до 8,2%. При этом довольно динамично меняется их структура: рентгенологические и ультразвуковые исследования по-прежнему составляют основной массив, однако каждый год их абсолютное число сокращается в пользу более сложных и клинически значимых – компьютерной и магнитно-резонансной томографии [22, 78, 102].

Рост количества исследований во многом происходит за счет медицинских услуг, оказываемых населению в амбулаторных условиях. В течение последних лет отмечается рост числа компьютерных и магнитно-резонансных томографий (КТ, МРТ), выполняемых в амбулаторно-поликлинических медицинских организациях, в 4,3 и 2 раза соответственно; в 4 раза возросло количество МРТ, проводимых в условиях дневного стационара. На этом фоне количество амбулаторных рентгенологических исследований возросло не в несколько раз, а лишь примерно на 10,0% [111]. Определенный негативный вклад в указанный рост вносят необоснованные направления на исследования. По нашим собственным данным, удельный вес таких направлений в амбулаторных условиях может достигать 10,7% для рентгенографии, 17,5% для маммографии, 37,8% для КТ. В подавляющем большинстве случаев данная ситуация обусловлена несоблюдением клинических рекомендаций. Вместе с тем нет доказательств положительного или отрицательного влияния выполненных по необоснованным направлениям исследований на состояние здоровья пациентов [56]. Не умаляя важности системной и постоянной организационно-методической работы с врачами клинических специальностей, утверждаем, что рост потребности в лучевых исследованиях и увеличение их числа является необратимым явлением. Более того, по мере развития гибридных методик и новых способов обработки данных (например, радиомики) указанные тенденции могут только усилиться в ближайшие годы.

Еще одним фактором, влияющим на количество проводимых лучевых исследований, является совокупность профилактических мероприятий, объединяемых в профилактическое направление медицины. Согласно действующим нормативно-правовым актам, именно лучевые методы (рентгенография, флюорография, маммография) служат основными способами скрининга онкологических заболеваний, туберкулеза и иных социально значимых заболеваний. С одной стороны, в интересах обеспечения общественного здоровья требуется наращивание объемов соответствующих профилактических исследований [10, 17, 36, 59, 107, 154, 156, 169]. С другой – такое наращивание однозначно связано с колоссальной нагрузкой на службы и подразделения лучевой диагностики. При этом врачи-рентгенологи сталкиваются с однотипными описаниями преимущественно нормальных результатов исследований. Эта масштабная, стереотипная работа плохо сказывается как на отдельных профессиональных траекториях (так называемое «выгорание»), так и на экономике здравоохранения в целом (постоянно растущие затраты наиболее ценного ресурса – высококвалифицированных специалистов) [125].

Еще более усугубляет ситуацию следующий момент. Развитие методов КТ и МРТ позволяет осуществлять скрининг многих социально значимых заболеваний, а также выявлять рентгенологически определяемые факторы риска. Примерами могут служить низкодозовая КТ и бипараметрическая МРТ для скрининга злокачественных новообразований легкого и предстательной железы соответственно. На результатах стандартной КТ, в рамках концепции оппортунистического скрининга, можно выявлять факторы риска болезней системы кровообращения (например, коронарного кальциноза), признаки остеопороза, иных хронических неинфекционных заболеваний [24, 25, 76, 123, 126, 127, 139, 149, 166]. Однако масштабное внедрение таких новых профилактических подходов фактически не происходит, прежде всего в силу экономических и ресурсных ограничений. Если дополнительно загрузить существующий парк оборудования, как правило, возможно, то обеспечить требуемое количество врачей-рентгенологов, обладающих нужными компетенциями, – нет. Складывается ситуация, когда текущие ресурсные возможности лучевой диагностики создают критичные ограничения для дальнейшего развития медицинской профилактики, а значит – для достижения целей в области снижения смертности от онкологических и кардиологических заболеваний.

Рост количества исследований в том числе стал возможен благодаря развитию парка оборудования, что отмечается несколькими исследователями параллельно. На этом фоне все более значительным становится вопрос эффективности использования такого парка. Выявлена проблематика недостаточных объемов применения современных методик (прежде всего исследований с контрастным усилением), отсутствие зависимости между оснащенностью и загрузкой. Последнее чаще всего связывают с низкой эффективностью организационных процессов, отсутствием единого подхода к управлению, однако здесь критичное влияние оказывает кадровый дефицит [22, 112, 113]. Авторы, изучающие состояние лучевой диагностики в России, отмечают сохраняющуюся проблему кадрового дефицита: снижение укомплектованности занятыми должностями, высокий коэффициент совместительства, несоответствие темпов роста кадрового обеспечения росту парка оборудования и потребности в исследованиях. Изучение состояния кадровой службы лучевой диагностики в России показало, что на фоне роста кадров на 19% имеет место 12-процентный дефицит занимаемых должностей к штатному числу врачей-рентгенологов. Значительны неравномерность обеспеченности врачами-рентгенологами, а также интенсивность деятельности таких специалистов по субъектам Российской Федерации [112].

Темпы роста потребности в лучевых исследованиях и парка оборудования принципиальным образом опережают рост количества врачей-рентгенологов. Можно утверждать, что сложилась ситуация, когда переход к новым формам организации работы подразделений и служб лучевой диагностики становится обязательным. Без такого перехода дальнейшее развитие предметной области становится невозможным.

Но не только количество специалистов лучевой диагностики является проблемой. В литературе все большее внимание обращают на качество медицинской помощи – то есть на уровень компетенций медицинского персонала [96]. Выявлена тенденция снижения доли врачей-рентгенологов, радиотерапевтов, радиологов и специалистов ультразвуковой диагностики, имеющих квалификационную категорию [30]. Ранее обсуждались вопросы значимого влияния начального профиля подготовки на качество работы врачей-рентгенологов (качество работы специалистов, прошедших профессиональную переподготовку, было относительно ниже) [14]. Примечательно, что, по данным систематического обзора 2022 года, основными способами повышения качества в лучевой диагностике в мире являются информатизация, обучение, меры по оптимизации протоколирования, развитие программ безопасности. Очевидно, что малое внимание уделяется персонализированной поддержке врача-рентгенолога, хотя приоритизация внедрения информационных технологий создает техническую основу для таковой (например, за счет очевидного широкого внедрения систем поддержки принятия решений, построенных на современных математических и технических подходах) [141].

Примечательно, что ключевые тренды – рост востребованности, количества исследований и парка оборудования на фоне неустранимого кадрового дефицита – полностью характерны для всех стран с развитой экономикой [128, 130, 148, 163].

Решить проблематику количественного и качественного дефицита в лучевой диагностике может автоматизация определенных звеньев производственных процессов, отдельных процедур. Таковыми потенциально могут стать автоматические измерения, поддержка в принятии решений (в том числе как своеобразная «профилактика» неточностей и дефектов в работе врача-рентгенолога), автоматизированная сортировка и классификация пациентов (например, по стандартизированным шкалам оценки). Данные гипотетические утверждения, безусловно, нуждаются в детальном изучении.

На примерах смежных сфер, таких как лабораторная диагностика, известно, что автоматизация положительно сказывается на производительности и качестве труда медицинского персонала, повышает доступность медицинской помощи, открывает новые возможности для пациентов [23, 31, 106, 119, 158].

Текущий уровень цифровизации лучевой диагностики (наличие соответствующего парка, автоматизированных рабочих мест, сетей передачи данных, радиологических информационных систем, интегрированных в информационные системы в сфере здравоохранения различных уровней, наконец, централизованных архивов медицинских изображений) служит мощным фундаментом для внедрения актуального поколения технологий автоматизации – так называемых технологий искусственного интеллекта.

В соответствии с Указом Президента Российской Федерации от 10.10.2019 №490 (http://kremlin.ru/acts/bank/44731) искусственный интеллект (ИИ) – это комплекс технологических решений, позволяющий имитировать когнитивные функции человека (включая самообучение и поиск решений без заранее заданного алгоритма) и получать при выполнении конкретных задач результаты, сопоставимые как минимум с результатами интеллектуальной деятельности человека. Комплекс технологических решений включает в себя информационно-коммуникационную инфраструктуру, программное обеспечение (в том числе то, в котором используются методы машинного обучения), процессы и сервисы по обработке данных и поиску решений.

Технологии искусственного интеллекта (ТИИ) – это технологии, основанные на использовании искусственного интеллекта, включая компьютерное зрение, обработку естественного языка, распознавание и синтез речи, интеллектуальную поддержку принятия решений и перспективные методы искусственного интеллекта. Сразу отметим, что в сфере лучевой диагностики первостепенное значение имеет компьютерное зрение для распознавания и интерпретации диагностических изображений. На втором месте – обработка естественного языка и распознавание речи для различных форм работы с медицинской документацией.

Проблематика искусственного интеллекта в здравоохранении, без сомнений, является одной из центральных в современной научной литературе. Публикуются разнообразные стратегические прогнозы, обзоры, исследования по этике, роли и месту ИИ в процессах работы врачей-рентгенологов, проблематике формирования доверия к технологиям ИИ [26, 30, 136, 143, 150, 152, 155, 177]. Интересны попытки юридического анализа проблематики искусственного интеллекта в контексте лучевой диагностики в России. Авторы таких работ полагают основными ограничениями непрозрачность процесса принятия решений ТИИ (так называемый эффект черного ящика) и высокую частоту ошибок со стороны соответствующих алгоритмов. По результатам социологических исследований демонстрируется недостаточный уровень доверия к ИИ как со стороны врачей, так и со стороны пациентов. Декларируется «объективная необходимость создания эффективных правовых механизмов, предусматривающих меры ответственности за ошибочные решения ИИ, защищающие права врачей и пациентов при работе данных программ» [45, 46]. Однако конкретные предложения не формируются. Полагаем, что причиной отсутствия конкретики служит недостаточный объем научных знаний о реальных возможностях и ограничениях ИИ в лучевой диагностике.

По данным Европейского сообщества радиологов, по состоянию на 2019 год до 20,0% соответствующих специалистов уже применяли в своей работе ТИИ, а 30,0% планировали сделать это в ближайшее время. Вместе с тем потенциально наиболее подверженными внедрению ИИ модальностями были определены маммография, КТ и МРТ, а ключевыми клиническими задачами – скрининг, стадирование (в том числе повторное) в онкологии, количественные измерения биомаркеров [134]. По данным на 2022 год, ситуация несколько изменилась: реальный удельный вес врачей-рентгенологов – активных пользователей ИИ – составил 40,0%. Больше половины врачей использовали искусственный интеллект при интерпретации результатов лучевых исследований (детекция и маркировка специфических патологических проявлений). Примечательно, что почти в 40,0% случаев такого использования целью была приоритизация описаний исследований для повышения доступности медицинской помощи в особых случаях. Постпроцессинг, в том числе реконструкция изображений и измерения, составил 28,6% случаев применения ИИ [133]. Приведенная статистика интересна; вместе с тем она может служить лишь некоторым обозначением направления для дальнейших исследований, так как строится на добровольном социологическом опросе (как и результаты иных подобных исследований распространенности и характера применения ИИ в лучевой диагностике в Америке и Азии [117, 118, 129]). В процитированных работах не раскрыты ключевые вопросы качества, надежности и значимости технологий искусственного интеллекта в лучевой диагностике.

Далее нами проведен углубленный анализ текущей ситуации с применением технологий искусственного интеллекта в лучевой диагностике в России и за рубежом.

1.2. Зарубежные исследования применимости и качества искусственного интеллекта в лучевой диагностике: систематический обзор метаанализов

В глобальной перспективе отмечается интенсивная научно-исследовательская деятельность по различным аспектам создания, применения и оценки технологий искусственного интеллекта в рентгенологии и радиологии. С учетом значительного числа научных публикаций в предметной области нами принято решение провести систематизацию и совокупный анализ статей, подготовленных в дизайне метаанализа.

Систематический обзор метаанализов проведен в дизайне зонтичного систематического обзора литературы (в соответствии с методологией PRISMA-ScR).

Стратегия литературного поиска. Поиск осуществлялся по англоязычным статьям в библиографической базе «PubMed» и был ограничен временным интервалом 2021—2023 гг.

Критерии включения: метаанализы диагностической точности ИИ в лучевой диагностике. Названия и аннотации найденных статей были проанализированы, по результатам была сформирована выборка для полнотекстового анализа.

Извлечение информации и оценка методологического качества исследований. Из полных текстов отобранных статей была извлечена следующая информация:

1) библиометрические данные (имя первого автора, название статьи, год выхода, DOI, название журнала, импакт-фактор журнала, страна проведения исследования);

2) параметры включенных исследований (модальность, объем выборки, доля проспективных исследований, наличие тестирования на внешних данных);

3) показатели качества включенных исследований (риск систематической ошибки, неоднородность данных, объективность критериев включения статей в обзор – «publication bias»);

4) значения диагностической точности ИИ; результаты сравнения диагностической точности ИИ с диагностической точностью врачей; информация о числе врачей и уровне их квалификации;

5) результаты внедрения.

Для оценки качества включенных систематических обзоров был использован инструмент AMSTAR-2.

Поиск литературы и отбор работ. Результаты поискового запроса включали 2855 источников, для которых был проведен первичный анализ названий и аннотаций. В результате применения критериев включения было исключено 2817 работ, которые не являлись обзорами либо принадлежали к иным предметным областям: медицина животных и гуманитарные науки. В итоговый анализ включено 38 метаанализов [114, 115, 116, 119, 121, 122, 124, 131, 132, 135, 137, 138, 140, 142, 144, 145, 146, 147, 151, 153, 157, 159, 160, 161, 162, 164, 165, 167, 168, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 178, 179, 180].

Из общего числа 47,0% (38) работ посвящены диагностике онкологических заболеваний, в том числе злокачественных новообразований (ЗНО) пищеварительной системы, – 5 (28,0%), заболеваний дыхательной системы – 4 (22,0%), репродуктивной системы – 4 (22,0%), нервной системы – 2 (11,0%), эндокринной системы – 2 (11,0%), злокачественных опухолей забрюшинного пространства – 1 (6,0%). Диагностике поражений мозга (рассеянного склероза, аневризм, инсульта, внутричерепного кровоизлияния) были посвящены 11,0% (4) метаанализов. Такое же количество работ отмечается в области стоматологии, из них три посвящены обнаружению и сегментации структур и одна – принятию решений об удалении зубов. Всего три метаанализа (8,0%) посвящены диагностике поражений легких при новой коронавирусной инфекции. Такое же количество публикаций представлено по теме лучевой диагностики переломов, преимущественно – длинных костей конечностей. По одной работе (т. е. по 3,0%) пришлось на темы лучевой диагностики легочной эмболии, пневмоторакса, остеопороза, колоректальных полипов, ожогов; также один метаанализ рассматривал проблематику оценки риска задержки внутриутробного развития. Таким образом, максимальные усилия ученых в мире сосредоточены на создании технологий ИИ для выявления по результатам лучевых исследований онкологических заболеваний и болезней центральной нервной системы.

В большинство метаанализов – 20 из 38 (53,0%) – включены исследования нескольких различных модальностей, в остальных 43,0% – лучевые исследования только одной. Компьютерной томографии (КТ) посвящено 45,0% (18) метаанализов; причем как единственному методу – только три. ИИ для МРТ изучался в 29,0% (11) метаанализов, причем как единственный метод – в трех. Автоматизация анализа рентгенографии исследовалась в 16,0% (6) метаанализов, при этом только в одном из них – как единственный метод. Отдельно рентгенография органов грудной клетки исследована в 11,0% (4) метаанализов, при этом в двух из них – как единственный метод. ИИ в контексте проведения позитронно-эмиссионной томографии, совмещенной с КТ (ПЭТ КТ), исследован в 5,0% (2). Автоматизированному анализу цифровой маммографии было посвящено также 5,0% (2) исследований (причем в одно из них включили изучение томосинтеза). Применимость технологий ИИ в ультразвуковой диагностике (УЗД) стала объектом исследования в 16,0% (6) метаанализов, как единственный метод – в четырех из них. Конусно-лучевая компьютерная томография (КЛКТ) изучена в 8,0% (3) стоматологических метаанализов. В одной (3,0%) работе об обнаружении легочной эмболии изучали исключительно КТ-ангиографию. Обращает на себя внимание тот факт, что в пяти обзорах не было корректных данных о модальностях.

Таким образом, большинство исследователей пытаются систематизировать данные о результативности ИИ для совокупности модальностей (чаще всего – КТ, рентгенографии, ультразвуковой диагностики), преимущественно в контексте решения конкретной клинической задачи. Обращает на себя внимание малое количество работ, систематизирующих вопросы автоматизации маммографии, что явно не соответствует клинической, демографической и социально-экономической значимости данной разновидности лучевых исследований.

Абсолютное большинство исследователей изучают диагностическую точность технологий ИИ – это первая по распространенности научная задача. В 92,0% (35) метаанализов в качестве основных диагностических параметров точности использованы стандартные, общепринятые показатели – чувствительность, специфичность и площадь под ROC-кривой (AUROC). Соответствующие данные нами извлечены и систематизированы (таблица 1.1); далее рассчитали интервал обобщенных значений каждого показателя между метаанализами. При этом использовались только данные, где были в наличии средние значения. Если показатели приводились по подгруппам, то брали среднее значение. Таким образом, при обобщении данных 38 метаанализов, комплексно отображающих ситуацию с изучением искусственного интеллекта в лучевой диагностике, значение чувствительности ИИ колебалось в диапазоне 75,4—97,9%, в среднем оно составило 89,0% (медиана – 88,7%). Значение специфичности изменялось от 74,0 до 97,6%, составив в среднем 88,8% (медиана – 89,5%). Диапазон значений площади под характеристической кривой был 75,0—98,0%, среднее значение – 92,0% (медиана – 93,8%).

В подавляющем большинстве (36 из 38) метаанализов отмечается высокая диагностическая точность ИИ – как чувствительности (доли истинно положительных результатов), так и специфичности (доли истинно отрицательных результатов), а также AUROC, отражающей соотношение между истинно положительными и ложноположительными результатами. Высокие значения показателей точности ИИ выявлены при диагностике ЗНО, остеопороза, переломов, COVID-19, а также в области нейровизуализации. Вместе с тем фактически все приводимые результаты получены в ретроспективном дизайне, на дискретных наборах данных; выводы многочисленных авторов совершенно не подкреплены информацией о работе технологий ИИ в реальных клинических условиях отделений и центров лучевой диагностики.

Второй по распространенности исследовательской задачей является сравнение диагностической точности врачей-рентгенологов и технологий искусственного интеллекта. Эта задача рассматривается в 26,0% (10) метаанализов, пять из которых имеют онкологическую направленность. Надо подчеркнуть, что в 50,0% этих метаанализов отсутствовали данные о квалификации, опыте врачей-рентгенологов, что, несомненно, снижает объективность результатов. В одной работе (Campello et al.) диагностическую точность ИИ оценивали по нативным изображениям, а врачей – по изображениям с контрастным усилением [124]; эту работу рассмотрели отдельно.

Опираясь на данные из семи указанных выше работ (где соответствующая информация была представлена в полном объеме), определили интервалы показателей диагностической точности для ИИ и для врачей [178, 138, 165, 146, 179, 160, 174].

Значение чувствительности ИИ колебалось в диапазоне 75,4—91,0%, в среднем составляя 85,2% (медиана – 86,0%); для врачей-рентгенологов диапазон составил 73,0—94,0%, среднее – 84,4% (медиана – 85,0%). Специфичность ИИ колебалась от 78,0 до 96,0%, в среднем достигая 89,5% (медиана – 91,0%); для врачей диапазон составил 82,0—98,0%, среднее – 90,0% (медиана – 94,0%).

Диапазон значений площади под характеристической кривой для ИИ был 89,0—97,0%, среднее составило 93,5% (медиана – 92,5%); соответственно для врачей – 85,0—98,0%, среднее – 92,8% (медиана – 94,0%).

Лишь в двух метаанализах приведены уровни статистической значимости при сравнении диагностических параметров ИИ и врачей. В обзоре J. H. Yoon и соавторов (2023), рассматривающем диагностику ЗНО посредством цифровой маммографии и томосинтеза, показано, что чувствительность ИИ (80,6%) достоверно выше (p = 0,031), чем 143 суммарно включенных врачей (73,6%); показатели специфичности ИИ (85,7%) и врачей (89,6%) не различаются достоверно (p = 0,221); значения AUROC не различаются достоверно (p = 0,152) между ИИ (87—90%) и врачами (81—96%) [178].

В обзоре S. E. Hickman и соавторов (2023) по аналогичной тематике, но без томосинтеза, показано, что чувствительность ИИ (75,4%) и 211 суммарно включенных врачей (73%) не различается достоверно (p = 0,7); специфичность ИИ (90,6%) и врачей (88,6%) не различается достоверно (p = 0,73) [138].

Еще в четырех метаанализах, рассматривающих диагностику пневмоторакса с использованием рентгенографии грудной клетки и КТ [165], переломов костей конечностей с использованием рентгенографии и КТ [146, 179], узлов щитовидной железы с использованием ультразвукового исследования [160], указано отсутствие разницы в значениях диагностических показателей между ИИ и врачами; при этом приведены сами показатели, но отсутствуют значения p-value.

В целом отмечается крайне высокая гетерогенность количества врачей, данных об их стаже, квалификации, компетенциях. Отсутствуют принятые подходы к описанию параметров отбора врачей-рентгенологов для участия в исследованиях. Складывается четкое убеждение, что единственным критерием отбора является личная заинтересованность и энтузиазм конкретного врача.

Метаанализ C. A. Campello и соавторов (2023), рассматривающий диагностику злокачественных новообразований печени с использованием ультразвукового исследования, отличается тем, что врачи анализировали изображения, полученные с помощью контрастного усиления, а ИИ – нативные изображения. Авторы этой работы отмечают высокие диагностические показатели ИИ, но уровни значимости вновь отсутствуют [124].

Таким образом, по данным зарубежных авторов, диагностическая точность ИИ не уступает диагностической точности врачей, а в некоторых случаях может превосходить ее. В частности, показано, что диагностическая точность ИИ сравнима с показателями врачей-рентгенологов экспертного уровня, превосходя показатели «обычных» врачей [174]. Тем не менее число работ, проводящих прямые количественные сравнения между ИИ и врачами, даже в глобальной перспективе по-прежнему мало. Существенно снижает качество работ и отсутствие корректных характеристик компетенций включаемых в исследования врачей.

Так же, как и в отечественной научной литературе, зарубежные авторы крайне поверхностно изучили результаты внедрения ИИ в работу отделений лучевой диагностики. Доказанные результаты внедрения ИИ приведены только в одном (3%) метаанализе [116]. Его авторы выявили три оригинальные статьи с доказанными результатами внедрения ИИ в клиническую практику. Все указанные работы относятся к сфере нейровизуализации с использованием КТ. Два научных коллектива поместили модель ИИ в начало клинического пути – она осуществляет предварительную сортировку перед интерпретацией результатов исследования врачом-рентгенологом. В одной из указанных работ благодаря ИИ сокращено с 512 до 19 минут среднее время описания «несрочных» исследований (в эту категорию ИИ помещал результаты, подлежащие пересмотру). Во второй работе отмечено достоверное снижение за счет автоматизации среднего времени описаний для амбулаторных (с 674 до 70 минут, р <0,001) и стационарных больных (с 390 до 352 минут, р = 0,002). Вместе с тем для экстренных случаев сокращение длительности подготовки протокола не выявлено. Необходимо отметить, что обе работы проигнорировали анализ потенциального вреда и отсрочки оказания медицинской помощи из-за ложноотрицательных результатов. Между тем удельный вес таких результатов составил 7,5 и 11,6% соответственно [116].

В двух работах, включенных в метаанализ S. Agarwal и соавторов (2023), программное обеспечение на основе технологий ИИ использовано для второго просмотра после интерпретации результатов лучевого исследования врачом-рентгенологом. Посредством автоматизированного анализа выявлено до 1,2% ложноотрицательных результатов врачей-рентгенологов, что позволило провести мероприятия по повышению качества работы отделений лучевой диагностики [116].

Во всех обобщающих публикациях отмечается высокий потенциал для внедрения ИИ в практику, вместе с тем это утверждение обычно является декларативным. Реальные результаты приводятся только в одном метаанализе; причем соответствующее обобщение строится лишь на трех оригинальных статьях. Результаты использования ИИ в клинической практике неоднозначны. С одной стороны, автоматизация дала экономию времени при «несрочных» исследованиях, но такого эффекта нет в неотложных ситуациях. В качестве инструмента верификации качества работы врачей-рентгенологов ИИ эффективно выявлял ложноотрицательные результаты, но одновременно точность выявления ложноположительных решений врача оказалась неудовлетворительной.

В процессе изучения 38 метаанализов применения ИИ в лучевой диагностике нами выявлены серьезные методологические дефекты многих научных работ, существенно влияющие на результаты и выводы.

Прежде всего, отмечается критично недостаточное число проспективных исследований (преобладает дизайн «случай – контроль») и работ с внешней валидацией данных (что, впрочем, отмечается и авторами самих метаанализов). Далее, фиксируется значительный разброс в размерах выборок пациентов между исходными публикациями, достигающий иногда 3—4 порядков. В некоторых статьях выборка экстремально мала и может не превышать двух десятков пациентов. Отмечается необоснованность критериев исключения, что также служит важным фактором снижения качества исследований. Типовой ошибкой является использование перекрывающихся наборов данных (выборок) в качестве обучающих, тестовых и валидирующих.

Довольно часто недостаточно детальное описание методики исследования приводит к снижению ценности его результатов. В ряде исследований неясны характер и способ заслепления, количество и компетенции врачей, время между индексным и референсным тестами. В целом фиксируется низкий уровень стандартизации дизайна и методов исследований, при том, что неоднородность подходов и методов приводит к высокой неоднородности диагностических оценок.

Надо отметить, что в более чем 50,0% метаанализов включены лучевые исследования разных модальностей, что чрезвычайно повышает неоднородность данных и затрудняет их обобщение.

В большинстве метаанализов риск предвзятости публикаций оценен как низкий. Однако отсутствие публикаций с отрицательными результатами дает основание пересмотреть градацию данного риска в пользу более значимой его выраженности.

Таким образом, в глобальной перспективе результаты исследований применимости и качества ИИ в лучевой диагностике показывают достаточно высокую диагностическую точность технологий искусственного интеллекта, но эти результаты в подавляющем большинстве случаев получены в исследованиях с некорректным дизайном, способом проведения и отчетностью, что фактически гарантированно приводит к систематическим ошибкам и переоценке эффективности алгоритмов. Еще раз подчеркнем преобладание ретроспективных исследований на дискретных наборах данных, а также отсутствие полноценных исследований в реальных клинических условиях.

1. 3. Развитие технологий искусственного интеллекта в лучевой диагностике в Российской Федерации

Вопросы применения технологий искусственного интеллекта в различных клинических направлениях активно изучаются российскими учеными. Ведутся исследования применимости ИИ в гематологии [72], урологии и онкоурологии [79], кардиологии и функциональной диагностике [105, 89], дерматологии (преимущественно для скрининга злокачественных новообразований кожных покровов) [89], гастроэнтерологии [81], неонатологии [105], патоморфологии [5, 18], лабораторной диагностике [28, 31]; также разрабатываются прогностические системы поддержки принятия врачебных решений [29]. Отдельным перспективным направлением можно считать применение ИИ при проведении эндоскопических исследований желудочно-кишечного тракта и мочевыводящих путей [32, 53, 87]. Особенность здесь состоит в необходимости автоматизированного анализа динамичных видеоизображений в режиме реального времени с немедленным отображением результатов. Схожая проблематика существует и для ультразвуковой диагностики [57, 100]. Достаточно успешны разработки на основе ИИ для ретроспективного анализа электронных медицинских карт. Соответствующие решения в разных форматах внедрялись в субъектах Российской Федерации для выполнения задач профилактической медицины [26, 55]. Особенно значителен прогресс в офтальмологии, где показана принципиальная достижимость для ИИ точности врача-офтальмолога при интерпретации изображений глазного дна в контексте скрининга диабетической ретинопатии, глаукомы и некоторых иных наиболее распространенных заболеваний [35, 49, 54, 71].

В области лучевой диагностики также отмечается научная и публикационная активность. Разработана и протестирована модель глубокого обучения (подход 3D-классификации с помощью модели DenseNet) для типирования глиом на результатах МРТ головного мозга. Авторы использовали один набор данных (n = 707), разделив его на две части: 80,0% – для обучения, 20,0% – для тестирования. В таких условиях достигнута точность 83,0%, площадь под характеристической кривой составила 0,95. Авторы отметили достижение цели – принципиальная возможность использования ИИ для конкретной клинической задачи в области лучевой диагностики достигнута [33].

В 2020 году опубликованы результаты ретроспективной оценки точности программного обеспечения на основе ИИ, имеющего статус медицинского изделия (RU.96876180.62.01.29—01). Исследование проведено на результатах 75 флюорографий. Авторы отметили 100,0% чувствительность этой разработки, снабдили свою статью эмоциональными высказываниями («ИИ прекрасно распознавал патологии органов грудной клетки») и рекомендовали продукт к дальнейшей клинической валидации. Несколько странно звучит данная рекомендация в отношении уже зарегистрированного медицинского изделия. Явными ограничениями исследования являются: ретроспективный характер, малый объем выборки (ничем не обоснованный предварительно), а также довольно произвольное использование общепринятых показателей диагностической точности [4].

В 2022 году опубликованы результаты совместной разработки ФГБУ «НМИЦ колопроктологии им А. Н. Рыжих» Минздрава России и одной из коммерческих компаний. С использованием набора данных из 900 результатов магнитно-резонансной томографии прямой кишки разработана «базовая модель искусственного интеллекта» на основе нейросетей SegResNet, TransUnet, 3D Unet. На исходном наборе данных (то есть без внешней валидации или проверки на новых данных) получена точность 77,0%, чувствительность – 98,1%, специфичность – 45,1%, положительная прогностическая ценность – 72,9%, отрицательная прогностическая ценность – 94,1%. Низкую специфичность авторы объяснили высоким удельным весом «ложноположительных результатов у здоровых пациентов» (то есть при анализе изображений без признаков онкологической патологии). Авторы наметили пути дальнейшего развития своей разработки (улучшение специфичности, расширение анализируемых параметров, экспериментирование с параметрами обучения, увеличение набора данных) [39]. Однако они обошли вниманием необходимость внешней валидации; также проигнорирован аспект оценки точности и надежности разработки в проспективном режиме, в реальных клинических условиях.

Достаточно объемным исследованием последних лет стала серия научных работ А. А. Мелдо с соавторами. Обосновав актуальность применения технологий ИИ для выявления признаков злокачественных новообразований на результатах компьютерной томографии органов грудной клетки (КТ ОГК) органы грудной клетки, авторы подробно описали этапы разработки технического решения на основе сиамских нейронных сетей, включая признаки формы, внутреннюю структуру и архитектуру дифференциальной диагностики. Также были предложены оригинальные математические методики для классификации анализируемых объектов на изображении, способ понижения размерности данных для повышения эффективности и скорости обучения моделей. Приводятся показатели точности авторской системы: чувствительность – 75,0—93,0%, специфичность – 84,0—97,0%, точность – 81,0—95,0% (колебания обусловлены конкретной архитектурой нейросети) [64, 65, 66, 67, 70]. Вместе с тем принятая информация о процессе оценки точности, объемах и характеристиках использованных данных, внешней независимой проверке, наконец, клиническом применении системы не представлена. Авторы фокусируются на технологических аспектах, алгоритмизации процессов дифференциальной диагностики, но вопросы воспроизводимости результатов, работы на реальных клинических данных полностью упущены.

Опубликовано краткое сообщение (тезисы) о применении в Красноярском крае программного обеспечения на основе ИИ для ретроспективного пересмотра результатов КТ ОГК, выполненных в период пандемии COVID-19. Из 10 500 исследований 484 (4,6%) случая автоматически классифицированы как «подозрительные». После проверки врачами-рентгенологами 45 КТ-снимков отнесены к «группе пациентов с рентгенологическими признаками или подозрением на рак легкого». Полученные результаты авторы использовали как обоснование «эффективности гибридного подхода» к анализу результатов КТ ОГК [43].

Особое внимание российские исследователи уделяют проблематике применения технологий ИИ для анализа результатов профилактической маммографии.

Н. И. Рожкова с соавторами (2020), опубликовали результаты разработки и изучения диагностической значимости сегментационной нейросетевой модели детекции патологических изменений молочных желез. С применением набора данных из размеченных результатов 15 486 цифровых маммографий реализована модель на нейронной архитектуре ResNet50 с выводом результата при помощи градиентного бустинга. Точность сегментации определяли по коэффициенту сходства, вероятность злокачественности находок вычисляли с помощью показателей бинарной классификации. Результаты: разработана система, представленная сегментационной моделью на основе нейросетевой архитектуры. Модель выявляла критичные рентгенологические признаки (новообразования, кальцинаты, локальную перестройку структуры или асимметрию) с высокой точностью: коэффициент сходства – 0,8176 и выше при пороговых значениях на выходных нейронах сети 0,1 и 0,15. Авторы заявили, что результаты машинной сегментации и разметки изображений врачом-рентгенологом эквивалентны по своей точности как минимум в отношении выявления новообразований, внеочаговых кальцинатов и внутрижелезистых лимфатических узлов. Полученные результаты послужили обоснованием возможности применения разработанного решения как системы поддержки принятия врачебных решений при анализе и интерпретации профилактических маммографических исследований [84]. Это чрезвычайно важное исследование, логичным продолжением которого должно послужить исследование точности и надежности авторской разработки в реальных клинических условиях.

Выполнены обзор и сравнение отдельных шести отечественных и зарубежных решений на основе ИИ для автоматизированного анализа результатов маммографии и улучшения выявляемости злокачественных новообразований молочной железы. Приведены данные о функциональных возможностях, а также о диагностической точности. Вместе с тем сопоставимость показателей вызывает определенные сомнения, так как они получены в разных условиях: как на собственных наборах данных разработчиков, так и в ходе независимой валидации. В целом работа подтверждает сложившееся мнение о значительном потенциале ИИ как системы поддержки принятия врачебных решений, направленной на снижение рисков пропуска значимой патологии и повышение производительности труда врачей-рентгенологов [93].

Представляет интерес публикация, появившаяся в процессе развития одного из отечественных программных продуктов на основе ИИ, впоследствии получившего статус медицинского изделия. Для создания системы анализа результатов рентгенографии органов грудной клетки использовали находящийся в свободном доступе набор данных ChestX-ray8 и три разные архитектуры (нейросеть с обучением методом обратного распространения ошибки, нейронную сеть, работающую по конкурентному принципу, глубокую сверточную нейросеть). Для первого варианта архитектуры достигнута точность в 81,03% при минимальном среднеквадратическом отклонении. Второй вариант достигал большее среднее значение точности (90,12%), но величина погрешности была более высокой. Третий вариант показал максимальную точность и минимальную величину погрешности, но был сопряжен со значительными ресурсными затратами на обучение [9]. Особую ценность работе придают сделанные авторами выделение, структурирование и анализ причин ошибок нейронных сетей. Это важный методический момент, часто упускаемый из виду в научных публикациях. Тщательный разбор ошибок позволяет пошагово и системно повышать точность работы ИИ в лучевой диагностике.

Встречаются отдельные работы, представляющие собой смешение обзора и тестирования некоего конкретного программного продукта (например, для автоматизированного анализа результатов конусно-лучевой компьютерной томографии в стоматологической практике) [11, 52]. Однако результаты апробации излагаются без достаточного объема статистического материала.

На этом фоне положительно выделяется исследование, опубликованное в 2022 году и посвященное сравнительному изучению различных систем ИИ для выявления очагов и округлых образований в легких. Авторы выбрали четыре программных продукта и анонимизировали их. Для тестирования использованы два оригинальных зарегистрированных набора данных из 150 цифровых рентгенограмм легких с различными верифицированными патологиями и из 5000 цифровых рентгенограмм без патологических признаков. На основе наборов данных сформированы три выборки с распространенностью патологических признаков 3,0, 6,0 и 50,0%. Тем самым авторы смоделировали ситуации рентгенологического скрининга (первые две выборки) и диагностического пульмонологического центра (третья выборка). Включенные программные продукты последовательно протестированы. Для выборки 1 общая точность колебалась в диапазоне 90,0—94,0%, площадь под характеристической кривой – 0,723—0,825; для выборки 2 соответствующие диапазоны составили 89,0—97,0% и 0,750—0,911; для выборки 3 – 77,0—89,0% и 0,770—0,890. Выявлены существенные различия в диагностической точности при работе ИИ на разных выборках. В разных ситуациях некоторые системы не могли преодолеть минимальный пороговый уровень показателя «площадь под характеристической кривой», либо показатели точности достаточно серьезно варьировались.

Доказана необходимость отбора программного продукта четко под задачи и специфику конкретной медицинской организации. Авторы сообщили, что показатели точности всех программных продуктов сопоставимы с результатами тестирования врачей-рентгенологов. Такое тестирование было проведено и опубликовано тем же авторским коллективом ранее (показатели чувствительности и специфичности врачей были 76,0 и 72,3% соответственно) [92]. В процитированной публикации проведена независимая валидация четырех программных решений на основе технологий ИИ для лучевой диагностики. К сожалению, подобных работ исчезающе мало. Позиция авторов состояла в объективном установлении точности ИИ и в нежелании сравнивать конкретные продукты. Тем не менее отсутствие информации о протестированных разработках несколько снижает ценность публикации. Минимальной альтернативой могло стать хотя бы перечисление протестированных продуктов с последующей анонимизацией результатов тестирования. Подчеркнем особо, что выявленные авторами зависимости точности от характера выборки (фактически претестовой вероятности патологии) служат серьезным обоснованием необходимости проведения исследования технологий ИИ в реальных клинических условиях.

Остаются малоизученными аспекты влияния автоматизации на основе ИИ на производительность, качество работы врачей-рентгенологов, организацию и результативность лучевой диагностики. На экстремально малой выборке (n = 5) показано, что автоматизация рабочего процесса врача-рентгенолога за счет внедрения ИИ для анализа результатов рентгенографии ОГК оптимизирует трудозатраты, сокращает время на проведение рутинных процедур примерно на 30,0%, повышает производительность труда (то есть увеличивает количество описываемых исследований) [85].

Пандемия новой коронавирусной инфекции создала колоссальные вызовы для систем здравоохранения всех стран мира; особую роль в борьбе с этим заболеванием сыграла лучевая диагностика. Глобально к выявлению, дифференциальной диагностике и контролю динамики течения COVID-19 применялись – с точки зрения рентгенологии – различные подходы. Часть стран сфокусировалась на применении компьютерной томографии, другая часть отдала предпочтение рентгенографии. В России, в силу наличия особенностей субъектов, применялись обе модальности, также велись исследования в аспекте использования магнитно-резонансной томографии [170]. В любом случае ситуация привлекла значительное внимание разработчиков технологий ИИ. В мире был зафиксирован скачок числа публикаций о разработках и применении искусственного интеллекта для диагностики и оценки тяжести COVID-19 по результатам лучевых исследований [60, 63].

Необходимо подчеркнуть негативный факт. В период пандемии в России появился целый ряд оригинальных разработок – программных продуктов на основе ИИ для автоматизированного выявления признаков COVID-19 и оценки тяжести по результатам компьютерной томографии (прогресс в этой области наглядно демонстрирует сетевой каталог ИИ-сервисов – https://mosmed.ai/service_catalog); часть таких разработок даже получили статус медицинского изделия. Вместе с тем научных публикаций о соответствующих решениях, их испытаниях и применении фактически не появилось. Отечественные авторы ограничивались литературными обзорами [60, 63, 103]. Единичные сообщения о применении технологий ИИ носили сугубо ретроспективный характер и основывались на малых объемах наблюдений (от 16 до 187 пациентов) [61, 95].

Отдельно стоит отметить работу И. М. Скоробогач с соавторами (2023), в которой технологии машинного обучения применены как метод исследования – с их помощью авторы выявили варианты течения вирусной пневмонии COVID-19, проведя автоматизированный количественный анализ результатов КТ ОГК. В качестве инструмента использовалось свободно доступное программное приложение с открытом кодом 3D Slicer [90]. Единственным недостатком работы можно считать отсутствие информации о точности использованного программного решения в отношении определения объема поражения легочной ткани. Впрочем, это небольшое методическое упущение вовсе не снижает общую положительную оценку прогрессивного подхода, примененного авторами.

Использование ИИ, машинного обучения как метода обусловило развитие радиомики – отдельного направления в современной лучевой диагностике, основанного на текстурном анализе изображений. Соответствующим проблемам посвящено значительное количество научных публикаций как в России, так и в мире в целом [2, 12, 13, 48, 50, 74, 75, 94, 97]. Однако радиомика, будучи отдельным и самостоятельным направлением в диагностике, находится за рамками нашего исследования.

Фактически единичная публикация посвящена вопросу создания наборов данных для обучения ИИ в лучевой диагностике острых нарушений мозгового кровообращения (ОНМК). Важно отметить, что набор (n = 220) включает не только результаты лучевых исследований (нативная КТ, КТ-ангиография), но и клинические данные – тип ОНМК, наличие сопутствующих заболеваний и осложнений, тактика лечения, длительность госпитализации, исход. Относительно разметки: на каждой серии изображений были оконтурены и протегированы области, соответствующие прямым и косвенным признакам ОНМК. Авторы полагают использовать сформированный набор для создания технологий ИИ с целью решения задач диагностики типа ОНМК, оценки объема поражения, а также – для прогноза степени неврологического дефицита [110].

Представлен опыт создания набора данных цифровых рентгенограмм позвоночного столба. Разметка данных выполнена всего лишь одним врачом-рентгенологом. Посредством набора разработан алгоритм сегментации костных структур и построения касательных к межпозвонковым дискам для последующего автоматизированного анализа и оценки степени тяжести идиопатического сколиоза. Достигнуто корректное распознавание угла Кобба более чем на 85,0% рентгенограмм. Положительной оценки заслуживает взвешенная позиция авторов, утверждающих, что данное исследование представляет собой лишь первый шаг к созданию полноценного программного продукта для морфометрии [58].

Только в единичных работах рассматривается возможность обогащения визуализации клиническими данными. Например, изучена возможность совместного анализа результатов КТ легких и «текстовых радиологических данных» с целью повышения точности автоматизированного выявления эмфиземы. Авторы использовали набор данных из 111 случаев с визуализацией и текстовыми данными и 108 случаев только с результатами КТ. Использование информации о локализации патологического проявления из текстовых данных позволило авторам повысить точность своей модели ИИ на 11% (с 0,66 до 0,77), также получено повышение F-меры обнаружения эмфиземы с 0,55 до 0,73 [91]. Авторы подчеркивают экспериментальный характер своей работы, соответственно, проспективного применения разработки в реальных клинических условиях нет.

Обзорно рассмотрена проблематика создания наборов данных КТ-исследований легких. Опубликованы результаты разработки пакета программных средств, состоящего из приложений и скриптов конвертации для автоматизации процесса разметки медицинских изображений и подготовки обучающих наборов данных. Вместе с тем сведения о практическом использовании столь актуальной разработки отсутствуют [39].

Несмотря на представленные результаты, количество российских публикаций о применении и результативности ИИ в лучевой диагностике крайне мало. Подавляющее большинство статей в предметной области представляют собой обзоры [15, 34, 42, 66, 86, 99] или материалы технического характера.

Действительно, значительная группа научных статей и коротких сообщений посвящена описанию опыта разработки технологий ИИ для лучевой диагностики, основных параметров соответствующих математических моделей. Такие публикации создают лишь некую предварительную основу для изучения проблематики ИИ в лучевой диагностике [1, 3, 6, 28, 51, 62, 73]. Большинство из них носят сугубо «математический» характер, не соответствуют принятым в доказательной медицине дизайнам и совершенно не отвечают запросам медицинской науки и практики.

В частности, разработан алгоритм на основе сверточной нейросети U-Net для диагностики идиопатической нормотензивной гидроцефалии по четырем признакам, выявляемым на результатах магнитно-резонансной томографии. Основная клиническая цель определена как поддержка принятия решения о необходимости хирургического лечения. Для разработки модели ИИ использован набор данных из 1800 МРТ около 600 пациентов. Тестирование точности проведено на группе из 90 пациентов с диагностированной целевой патологией. Авторы не приводят точных формулировок, но можно предположить, что решения алгоритма по 90 случаям были верифицированы тремя «врачами лучевой диагностики». В качестве показателя использовался коэффициент Соренсена-Дайса. По утверждению исследователей, точность алгоритма составила 90,0%. Авторы указали, что алгоритм был интегрирован в чат-бот в одном из популярных интернет-мессенджеров. В чат-бот необходимо загрузить архив с DICOM-файлами, после чего происходит анализ и формирование рекомендаций [1]. Реализован весьма спорный подход, так как и методически, и технически, и юридически более корректным представляется размещение подобных решений путем интеграции с медицинскими информационными системами и/или государственными информационными системами в сфере здравоохранения субъектов РФ. Из текста публикации невозможно установить, относились ли 90 случаев, использованных для тестирования, к выборке для обучения нейросети. Также остается непонятным механизм поддержки принятия клинического решения нейрохирургом при использовании данной разработки. Собственно, валидация алгоритма самими авторами не включала изучение влияния разработки на решения врачей (то есть согласованность решений не проанализирована).

Некоторые авторы пытаются предлагать некие математические подходы, представляющие собой, скорее, решающие правила, но именуемые «искусственным интеллектом». Либо, декларируя разработку ИИ, они фокусируются на детальных аспектах клинических алгоритмов дифференциальной диагностики [3].

Предложен программный комплекс на основе «глубоких сверточных нейронных сетей» для анализа результатов рентгенографии с целью выявления и диагностики ревматоидного артрита. Авторы представили этапы работы их системы: нормализация рентгенограмм и подготовка к сегментации, собственно сегментация изображений и детекция признаковых участков, оценка стадии заболевания по одной из принятых шкал. Информация о наборе данных не приводится вовсе, лишь констатируется факт нехватки данных. Компенсация дефицита достигнута путем «аугментации данных» (нормализация, вращение, изменение резкости, добавление гауссового шума). Заявлены «устойчивая детекция» искомых признаковых участков и общая точность на уровне 71,0% (на фоне полного отсутствия информации о наборе данных) [9].

С использованием публично доступного набора данных BraTS проведено сравнение методов классификации МРТ головного мозга: по базовым примитивам контура, на основе сверточной нейронной сети, с бинарным классификатором, на основе сверточной предобученной нейронной сети Xception. Проведя вычислительный эксперимент, авторы показали, что именно последний метод обладает наивысшей точностью [69].

Опубликовано краткое сообщение о разработке сегментационной нейросетевой модели для анализа результатов маммографии. Указаны некоторые технические аспекты, однако заявленной в цели исследования «оценки клинической эффективности» не проведено [62].

Выполнен сравнительный анализ методов классификации легочных узлов по результатам КТ органов грудной клетки и информативности соответствующих признаков (формы и текстуры). Авторы использовали набор данных LIDS, находящийся в открытом доступе, из которого выбрали 321 изображение. Для классификации, также в сравнении, изучены различные алгоритмы машинного обучения: искусственная нейронная сеть, наивный байесовский классификатор, случайный лес, методы опорных векторов и k-ближайших соседей. Для каждого подхода определены показатели точности. Авторы полагают, что добились точности машинной классификации, «на 10% превосходящей результаты опытных врачей-радиологов» [21]; вместе с тем данные о включенных врачах, уровни значимости выявленных различий они не приводят.

Предложена разработка на основе глубинного машинного обучения для сегментации структур легких на КТ, предназначенная для выявления признаков диссеминированной формы туберкулеза. Автор использовал набор данных из 11 результатов КТ с предварительно сегментированными легкими. Обучение собственной нейросети проведено только на одном кейсе, тестирование – на оставшихся 10. В дополнение к столь поверхностному подходу автор использовал нехарактерный для биомедицинской статистики показатель F1. Чувствительность и специфичность разработки составили 0,61 и 0,5—0,78 соответственно [51].

С применением набора данных из 41 исследования мультиспиральной компьютерной томографии с контрастированием разработана нейросеть для 3D-моделирования образований почек и прилежащих структур. При этом для обучения использовано 32 исследования, для валидации – 9. Для оценки точности использован коэффициент Соренсена-Дайса с моделями AHNet, DynUNet и с тремя вариантами модели nnU-Net. Максимально достигнутые показатели составили для нормальной паренхимы почки – 0,89, новообразований почки – 0,58, артерий – 0,86, вен – 0,80, мочеточников – 0,80. Отмечены (вполне ожидаемые) трудности обнаружения новообразований по сравнению с определением паренхимы и сосудов. Авторы запланировали увеличить объем набора данных до 300 исследований и применить операции постобработки для улучшения модели [108].

В целом публикации математического характера довольно типичны: как по подходам и структуре, так и по своим методическим дефектам [7, 16, 20, 38, 47, 68, 80, 82, 98, 101]. За основу берется актуальная клиническая задача (внутричерепные кровоизлияния, новообразования в легких, туберкулез и т. д.) и публично доступный набор данных (КТ, МРТ, рентгенография). Впрочем, иногда в подобных работах и изначально выбранная задача носит довольно частный характер [44]. Далее приводится детальное описание процессов математического моделирования, построения одной или нескольких нейросетей с разными архитектурами тестирования. Часто авторы фокусируются на проблематике предварительной подготовки данных, а в условиях их дефицита – на «аугментации» и довольно дискуссионных для сферы здравоохранения синтетических наборах [109]. Результаты валидации, как правило, представляются с использованием показателей, непринятых в области биомедицинской статистики. Из числа стандартных показателей довольно часто выбирается один; чаще всего – чувствительность, что легко объясняется манипуляцией с результатами – именно этот показатель обычно наиболее высок. Общий дизайн таких публикаций не соответствует требованиям к диагностическим исследованиям. Клиническая значимость соответствующих разработок – чрезвычайно сомнительна. Еще одной проблемой сугубо математических работ является частое отсутствие в составе авторов представителей медицинских специальностей. Отсюда вытекают некорректные подходы к дизайну исследования и интерпретации результатов, необоснованные задачи и откровенные ошибки (например, выражение «легочное помутнение»).

Разработана модель ИИ для автоматизированного анализа результатов рентгенографии органов грудной клетки. Для обучения использованы наборы данных из Японии и США, находящиеся в открытом доступе (общее количество использованных изображений составило 112 120). Ядро разработки представляет собой ансамбль из 10 нейросетей на основе архитектуры DenseNet-121. Авторы не приводят ни одного показателя диагностической точности, лишь утверждают, что модель может обработать 32 снимка в секунду и демонстрирует точность, сопоставимую с точностью врача, а по некоторым патологическим признакам и превышающую ее. В публикации сочетаются безаппеляционность и бездоказательность, довольно типичные для многих математических публикаций об ИИ в лучевой диагностике [73].

Изредка подобные технические публикации дополняются результатами пилотных проектов по апробации разработок [37]. В частности, изучена возможность применения ИИ в качестве системы поддержки принятия решения врачей-рентгенологов для выявления узлов размером более 6 мм в легких при КТ органов грудной клетки на примере одной из коммерчески доступных российских разработок. При этом проводилось сравнение работы врачей в «обычное время» и в условиях пандемии новой коронавирусной инфекции. На выборке из 150 пациентов получены значения точности ИИ: чувствительность – 1,0, специфичность – 0,88 и AUC – 0,94. В группе также из 150 пациентов, но с признаками COVID-19 (КТ-0 – КТ-1) показатели составили 0,93, 0,81 и 0,86 соответственно. Снижение специфичности авторы объяснили увеличением ложноположительных результатов за счет множественных уплотнений легкого вследствие коронавирусного поражения, которые и были приняты алгоритмом за легочные узлы [77]. Явными недостатками указанных исследований являются: ретроспективный дизайн, ограниченная выборка (максимум около 150—200 пациентов) и конфликт интересов, так как в авторские коллективы входят представители компаний – разработчиков решений на основе ИИ.

Таким образом, в России отмечается научно-исследовательская активность в области развития технологий искусственного интеллекта в лучевой диагностике. Подавляющее количество научных публикаций технического и математического характера имеют ограниченное значение для медицинской науки и практики. Во многих работах допускаются типовые методологические ошибки: необоснованные объемы выборок, отсутствие внешней валидации, несоответствие принятым стандартам для выполнения и описания диагностических исследований. Исследования об ИИ в лучевой диагностике клинической направленности отличаются сугубо ретроспективным дизайном, что не позволяет получить достоверные данные о точности и надежности решений на основе искусственного интеллекта в реальных производственных условиях.

Список литературы

1. Алиев З. Ш., Гаврилов Г. В., Свистов Д. В. Применение систем искусственного интеллекта в диагностике идиопатической нормотензивной гидроцефалии // Российский нейрохирургический журнал имени профессора А. Л. Поленова. – 2022. – Т. 14, № S1. – С. 111—112.

2. Алифов Д. Г., Звезда С. А., Кельн А. А. [и др.]. Лучевая диагностика рака простаты на основе искусственного интеллекта и радиомного машинного обучения // Университетская медицина Урала. – 2021. – Т. 7, №4 (27). – С. 48—50.

3. Аль-Хайдари А. А. М. Использование искусственного интеллекта в диагностике рака костей // Современная наука: актуальные вопросы, достижения и инновации: сборник статей XXVII Международной научно-практической конференции. – В 2 ч. – Пенза, 2022. – С. 38—41.

4. Баранов И. А., Титова Л. А., Толстых Е. М. [и др.]. Перспективы внедрения программы искусственного интеллекта в процесс диагностики заболеваний легких // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. – 2020. – Т. 19, №3. – С. 165—170.

5. Барчук А. А., Подольский М. Д., Беляев А. М. [и др.]. Автоматизированная диагностика в популяционном скрининге рака легкого // Вопросы онкологии. – 2017. – Т. 63, №2. – С. 215— 220.

6. Бастанов А. Э., Зубаиров И. З., Ахметов И. В. Детекция признаков и диагностика ревматоидного артрита с использованием рентгенологического метода исследования и искусственного интеллекта // Перспективы развития экономики здоровья: сборник докладов II Всероссийской научно-практической конференции. – Уфа, 2020. – С. 38—41.

7. Белан И. Ю., Заборовский В. С., Лукашин А. А. Разработка системы инференса данных для платформы интеллектуальной диагностики рака легких // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ. – 2020. – Т. 10. – С. 107—110.

8. Берген Т. А., Пухальский А. Н., Синицын В. Е. [и др.]. Новые возможности в организации проведения лучевых исследований у онкологических пациентов // Вестник Росздравнадзора. – 2022. – №6. – С. 49—56.

9. Блинов Д. С., Лобищева А. Е., Варфоломеева А. А. [и др.]. Нейросетевая интерпретация рентгенологического изображения грудной клетки: современные возможности и источники ошибок // Проблемы стандартизации в здравоохранении. – 2019. – №9—10. – С. 4—9.

10. Богородская Е. М., Слогоцкая Л. В., Туктарова Л. М. [и др.]. Скрининг туберкулезной инфекции в группах риска у взрослого населения города Москвы // Туберкулез и болезни легких. – 2023. – Т. 101, №4. – С. 13—21.

11. Борзов С. М., Карпов А. В., Потатуркин О. И. [и др.]. Применение нейронных сетей для дифференциальной диагностики легочных патологий по рентгенологическим изображениям // Автометрия. – 2022. – Т. 58, №3. – С. 61—71.

12. Борисенко О. В., Коновалов В. К., Лазарев А. Ф. [и др.]. Возможности дифференциальной диагностики гистологических форм первичного рака легкого при мультиспиральной компьютерной томографии на основе искусственного интеллекта // Российский онкологический журнал. – 2019. – Т. 24, №3—6. – С. 102— 104.

13. Борисенко О. В., Коновалов В. К., Лазарев А. Ф. [и др.]. Дифференциальная диагностика первичного рака легкого при МСКТ-исследованиях на основе искусственного интеллекта // Евразийский онкологический журнал. – 2022. – Т. 10, № S2. – С. 989—990.

14. Ветшева Н. Н., Трофименко И. А., Морозов С. П. [и др.]. Повышение качества медицинской помощи за счет усовершенствования системы непрерывного медицинского образования // Медицинское образование и профессиональное развитие. – 2017. – №2—3 (28—29). – С. 60—68.

15. Волосова А. В. Применение методов искусственного интеллекта для визуализации МРТ-изображений и ранней диагностики болезни Альцгеймера // Аспирант и соискатель. – 2019. – №2 (110). – С. 124—126.

16. Выгоняйло В. Р., Михелев В. М. Повышение точности классификации рентгеновских снимков с использованием дообучения составной нейросети // Научный результат. Информационные технологии. – 2020. – Т. 5, №1. – С. 20— 26.

17. Газиева Т. В., Михайлов И. А., Мальков П. Г. [и др.]. Сравнение экономической эффективности проведения скрининга рака молочной железы маммографическим и ультразвуковым методами в системе здравоохранения Чеченской Республики // Профилактическая медицина. – 2022. – Т. 25, №5. – С. 52—60.

18. Ганцев Ш. Х., Франц М. В. Искусственный интеллект как инструмент поддержки в принятии решений по диагностике онкологических заболеваний // Медицинский вестник Башкортостана. – 2018. – Т. 13, №4 (76). – С. 67— 71.

19. Гиляревский С. Р., Гаврилов Д. В., Гусев А. В. Результаты ретроспективного анализа записей электронных амбулаторных медицинских карт пациентов с хронической сердечной недостаточностью: первый российский опыт // Российский кардиологический журнал. – 2021. – Т. 26, №5. – С. 147—155.

20. Гиниятова Д. Х., Лапинский В. А. Детектирование новообразований на компьютерных томограммах с использованием нейронных сетей // Программные системы: теория и приложения. – 2022. – Т. 13, №3 (54). – С. 61—79.

21. Глазнев М. Ю., Гусарова Н. Ф., Коцюба И. Ю. [и др.]. Сравнительный анализ методов классификации легочных узлов по изображениям компьютерной томографии // Оптический журнал. – 2017. – Т. 84, №1. – С. 58—68.

22. Голубев Н. А., Огрызко Е. В., Тюрина Е. М. [и др.]. Особенности развития службы лучевой диагностики в Российской Федерации за 2014—2019 года // Современные проблемы здравоохранения и медицинской статистики. – 2021. – №2. – С. 356—376.

23. Гольдберг А. С. Организация служб лабораторной диагностики в России – текущий статус и перспективы развития // Бюллетень Национального научно-исследовательского института общественного здоровья имени Н. А. Семашко. – 2022. – №1—2. – С. 26—35.

24. Гомболевский В. А., Чернина В. Ю., Блохин И. А. [и др.]. Основные достижения низкодозной компьютерной томографии в скрининге рака легкого // Туберкулез и болезни легких. – 2021. – Т. 99, №1. – С. 61—70.

25. Гончарук Д. А., Велиев Е. И., Михайлов А. И. Прошлое, настоящее

и будущее магнитно-резонансной томографии рака предстательной железы // Онкоурология. – 2021. – Т. 17, №1. – С. 142—152.

26. Гусев А. В., Астапенко Е. М., Иванов И. В. [и др.]. Принципы формирования доверия к системам искусственного интеллекта для сферы здравоохранения // Вестник Росздравнадзора. – 2022. – №2. – С. 25—33.

27. Гусев А. В., Владзимирский А. В., Голубев Н. А. [и др.]. Информатизация здравоохранения Российской Федерации: история и результаты развития // Национальное здравоохранение. – 2021. – Т. 2, №3. – С. 5—17.

28. Гусев А. В., Гавриленко Г. Г., Гаврилов Д. В. Разработка модели машинного обучения для интерпретации результатов лабораторной диагностики с целью выявления подозрений на заболевания // Лабораторная служба. – 2022. – Т. 11, №2. – С. 9—17.

29. Гусев А. В., Гаврилов Д. В., Новицкий Р. Э. [и др.]. Совершенствование возможностей оценки сердечно-сосудистого риска при помощи методов машинного обучения // Российский кардиологический журнал. – 2021. – Т. 26, №12. – С. 171—180.

30. Гусев А. В., Добриднюк С. Л. Искусственный интеллект в медицине и здравоохранении // Информационное общество. – 2017. – №4—5. – С. 78—93.

31. Гусев А. В., Евгина С. А., Годков М. А. Искусственный интеллект в здравоохранении России. Роль лаборатории // Лабораторная служба. – 2022. – Т. 11, №2. – С. 5—8.

32. Гусейнова С. Р., Завьялов Д. В. Результаты работы системы искусственного интеллекта CAD EYE производства Fujifilm при распознавании и дифференциальной диагностике новообразований толстой кишки в режиме реального времени в условиях эндоскопического отделения Ярославской областной онкологической больницы // Актуальные вопросы медицинской науки. – 2023. – №1. – С. 229— 230.

33. Данилов Г. В., Пронин И. Н., Королев В. В. [и др.]. Первые результаты неинвазивного типирования глиом головного мозга по данным магнитно-резонансной томографии с помощью машинного обучения // Вопросы нейрохирургии им. Н. Н. Бурденко. – 2022. – Т. 86, №6. – С. 36— 42.

34. Дин Н., Афанасьев Г. И. Состояние и перспективы применения искусственного интеллекта в визуализирующей диагностике заболеваний легких // E-Scio. – 2022. – №4 (67). – С. 653—664.

35. Дорофеев Д. А., Казанова С. Ю., Мовсисян А. Б. [и др.]. Искусственный интеллект и нейросети в диагностике глаукомы // Национальный журнал глаукома. – 2023. – Т. 22, №1. – С. 115—128.

36. Држевецкая К. С., Корженкова Г. П. Результаты двух лет маммографического скрининга на территории Калужской области // Вестник рентгенологии и радиологии. – 2022. – Т. 103, №4—6. – С. 18—27.

37. Дрокин И. С., Еричева Е. В., Бухвалов О. Л. [и др.]. Опыт разработки и внедрения системы поиска онкологических образований с помощью искусственного интеллекта на примере рентгеновской компьютерной томографии легких // Врач и информационные технологии. – 2019. – №3. – С. 48—57.

38. Думаев Р. И., Киряков И. М., Молодяков С. А. Особенности предобработки и сегментации изображений в задаче обнаружения COVID-19 по рентгеновским снимкам // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Сер. Естественные и технические науки. – 2022. – №9. – С. 88—95.

39. Елигулашвили Р. Р., Зароднюк И. В., Ачкасов С. И. [и др.]. Применение искусственного интеллекта в МРТ-диагностике рака прямой кишки // Колопроктология. – 2022. – Т. 21, №1 (79). – С. 26—36.

40. Заботнев М. С., Кулагин В. П. Методы и средства создания обучающих датасетов в задачах обработки медицинских изображений // Интеллектуальные информационные системы: теория и практика: сборник научных статей по материалам II Всероссийской конференции. – Курск, 2021. – С. 30—35.

41. Завадовский К. В., Веснина Ж. В., Анашбаев Ж. Ж. [и др.]. Современное состояние ядерной кардиологии в Российской Федерации // Российский кардиологический журнал. – 2022. – Т. 27, №12. – С. 105—114.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.