Місце штучного інтелекту в оцінці кісткового віку

Огляд статті: Booz C, Yel I, Wichmann JL, et al. Artificial intelligence in bone age assessment: accuracy and efficiency of a novel fully automated algorithm compared to the Greulich-Pyle method. Eur Radiol Exp. 2020;4(1):6. Published 2020 Jan 28. doi:10.1186/s41747-019-0139-9

Вступ

Однією з відмінностей рентгенограм дитини від дорослого є наявність зон росту, ядер окостеніння, які добре видно на знімках і можуть бути оцінені за розмірами, формою та іншими параметрами. Ядра окостеніння, зони росту з усіма їхніми характеристиками аналізуються лікарями-рентгенологами не тільки з метою діагностики різних патологічних станів, але й для визначення кісткового віку (КВ). Такий метод має досить широке застосування в педіатричній рентгенології. Після визначення КВ лікар зіставляє реальний вік пацієнта і його вік за рентгенограмами, що дозволяє говорити про відставання чи випередження паспортного віку порівняно з кістковим.

Однією з поширених методик визначення КВ є метод Greulich-Pyle. Сутність його полягає в тому, що після проведення рентгенографії лівої кисті, лікар порівнює готові знімки з набором рентгенограм (так звані референтні зображення), кожна з яких точно відповідає певному віку дитини в нормі. Враховується не тільки вік, але й стать пацієнта. Таким чином, можна приблизно зрозуміти ступінь зрілості досліджуваного організму. Цей метод застосовують для непрямої оцінки стану ендокринної системи дитини, оскільки нормальна швидкість кісткоутворення безпосередньо пов'язана з достатнім рівнем гормонів (особливо статевих). Крім допомоги лікаря-педіатра в постановці діагнозу, визначення КВ використовують як спосіб перевірити ефективність гормональної терапії (наприклад, коли застосувують гормони росту). Також метод Greulich-Pyle досить простий, доступний і легкий для освоєння новачками. Разом з тим він суб'єктивний, оскільки результат залежить від досвіду науковця. Ще необхідно додати, що набір стандартизованих рентгенограм не враховує специфіку популяції й регіону. 

З огляду на все вищесказане, були зроблені спроби розробити нові методики для більш коректної оцінки КВ. Зокрема Thodberg з колегами почав використовувати програмне забезпечення (ПЗ), що дозволяє зробити визначення КВ повністю автоматизованим, позбавивши його таким чином фактора суб'єктивності, тобто фактично почали застосування штучного інтелекту (ШІ) у цьому розділі променевої діагностики.

Автори статті звертають увагу на те, що їх ретроспективний аналіз не є першим і наводять результати попередніх досліджень на першій версії ПЗ, які показали, що загальна точність, виміряна за допомогою середнього абсолютного відхилення (САВ) від референтного стандарту, була достатньою для подальших досліджень. Німецькі колеги також повідомляють нам, що за допомогою версії програми 2.1 Zhang et al. продемонстрована висока ефективність (98,8%) та значне поліпшення загальної точності (САВ у хлопчиків 0,64 року проти 0,71-0,72 у першій версії програми). З огляду на це, група вчених з Німеччини вирішила провести своє багатопрофільне дослідження у німецьких дітей. У цій роботі науковці порівнювали результати денситометрії, отримані за допомогою нової версії, з даними пыд час роботи за методом Greulich-Pyle. Вивчалася точність нової програми й відмінності у результатах за статевою ознакою.

Матеріали й методи

До групи обстежуваних було включено 514 дітей у віці від 3 до 17 років, яким було проведено рентгенологічне дослідження за клінічними показаннями за період січень 2015 - січень 2016 року. Найбільш частими причинами для визначення КВ були: гігантизм (112 осіб), карликовість (218 осіб), раннє статеве дозрівання (52 особи). За статевою ознакою поділ був наступним - 262 дівчинки і 252 хлопчика. Також автори детально описують характеристики рентген-апарату й рентгенівської трубки. Для автоматичного визначення КВ було встановлено ПЗ (BoneXpert version 2.1; Visiana, Holte, Denmark), яке дозволяє проводити вимірювання КВ, грунтуючись на рентгенограмах лівої кисті та променево-зап'ясткового суглоба. Декількома словами опишемо, як відбувається аналіз рентгенограм за допомогою ШІ. Після проведення рентгенографії ці зображення надходять до сервера, потім визначаються межі кісток, їх розміри та щільність кісткової речовини. Далі програма трансформує отримані дані в значення згідно з методом Greulich-Pyle. Після завершення аналізу зображення відсилається до цифрового архіву. Якщо значення КВ сусідніх кісток відрізняються одне від одного більш ніж на 2,4 року, таке зображення не обробляється програмою. Також не аналізуються зображення, на яких видно вісім або менше кісток, знімки, мають низьку якість і рентгенограми з аномаліями розвитку. 

В якості незалежних експертів для проведення аналізу знімків КВ були запрошені два рентгенолога з великим досвідом роботи з рентгенограмами дітей. Ці лікарі проводили вимірювання КВ за допомогою методу Greulich-Pyle. Крім них у дослідженні брали участь три рентгенолога з різним рівнем досвіду в педіатричній рентгенології, які працювали незалежно одне від одного. Ніхто з лікарів не був повідомлений про клінічні картини пацієнтів, їх паспортний вік і результати визначення КВ, отриманих з допомогою ШІ.

Результати

У цій главі автори присвячують значну частину свого дослідження наданню статистичних показників за трьома групами дослідників: ШІ, два досвідчених рентгенологи (референтна група) і три рентгенологи з різним рівнем досвіду. Також надані дані по середньоквадратичним й абсолютним відхиленням щодо кожної групи пацієнтів. Більш докладно ці цифри можна переглянути за посиланням, розташованому на початку огляду. Ми ж з вами перейдемо до оцінки ефективності ШІ у визначенні КВ, яку нам надає колектив авторів. 

Отже, усі випадки проаналізовано без будь-яких вилучень з низки досліджуваних. Була виявлена суттєва різниця між часом, витраченим на визначення КВ методом Greulich-Pyle і за допомогою ШІ. У середньому ШІ справлявся із завданням за 21 секунду, у той час як навіть досвідченим лікарям у середньому потрібно 182 секунди. На нашу думку, дані цифри є вкрай цікавими з позиції оптимізації робочого часу лікаря. Начебто невелика різниця в одному дослідженні в абсолютних цифрах (близько 160 секунд) у результаті призводить до значної економії часу в кінці дня. Це може знизити інтелектуальне навантаження на лікаря, що зрештою позитивно позначиться на якості роботи (особливо в кінці зміни).

Обговорення

Автори починають цю главу з висновку про те, що нова версія ПЗ для автоматичного визначення КВ за допомогою ШІ точніша порівняно з методом Greulich-Pyle. Також вони зазначають, що під час застосування обох методів показники точності не мають статевої відмінності. Цікавий і той факт, що при застосуванні для визначення КВ, відмінності між ШІ і трьома незалежними рентгенологами були вище, ніж між ШІ й двома лікарями з великим досвідом роботи, які визначалися в цьому дослідженні як референтний стандарт. Якщо ж порівняти середнє квадратичне відхилення всіх значень КВ, отриманих обома методами з таким же значенням у попередніх дослідженнях на перших версіях, то можна побачити, що воно стало значно нижче (в середньому 0,38 років проти 0,71 року). Ці цифри, на думку німецьких колег, свідчать про значне поліпшення якості у версії 2.1 від первинного варіанту. Незважаючи на такі дані, автори статті говорять про те, що всі цифри повинні бути перевірені під час проведення багатоцентрового дослідження. Також незайвим буде нагадати, що застосування ШІ для отримання показників КВ значно скорочує час для аналізу одного випадку, що в свою чергу повинно позитивно впливати на якість діагностичного процесу внаслідок зниження стомлюваності лікаря.

У будь-якому дослідженні є «слабкі місця». Вищенаведений аналіз також не позбавлений деяких недоліків. За словами авторів можна відзначити наступні моменти: невелика кількість досліджуваних пацієнтів, проведення аналізу тільки за рентгенограмами пацієнтів однієї клініки, виняток пацієнтів молодше 3 та старше 17 років (згідно з рекомендаціями виробника ПЗ). Таким чином, залишилася неясною точність автоматичного методу вимірювання КВ за межами певної вікової групи.

Проте німецькі колеги вважають, що проведений аналіз свідчить про те, що нова версія ШІ, BoneXpert 2.1, має високу точність й об'єктивність вимірювання КВ у порівнянні з методом Greulich-Pyle.

Наприкінці нашого огляду хотілося б нагадати про сильні й слабкі сторони вищевказаної методики. Серед плюсів можна відзначити її доступність, ефективність під час практичного застосування, відносну дешевизну.  Складнощі під час застосування цього способу вимірювання КВ полягають у високій частці суб'єктивізму, залежності точності результатів від компетентності лікаря й відносної тривалості процесу.  Крім того, з урахуванням особистого досвіду хотілося б підкреслити, що для більш точного визначення кісткового віку й формулювання правильного висновку часто потрібна рентгенографія не однієї, а одночасно двох кистей.  Це обумовлено тим, що зустрічається такий стан, як асиметрія кісткового віку, наприклад, у випадках, коли його відхилення викликані не ендокринними порушеннями, а запальним процесом суглобів кисті, будь-якими локальними вродженими вадами розвитку.

Щоб там не було, завжди радують чергові досягнення в медицині, які будуть корисні як пацієнтові, так і лікареві, який підвищує свій професіоналізм і розширює кругозір.