Автономная система улучшения ультразвуковых изображений ЕКА, ALISSE, предлагает астронавтам возможность прямо на месте получать ультразвуковые изображения диагностического качества, как если бы они были опытными рентгенологами, благодаря помощи искусственного интеллекта и машинного обучения. Фото: консорциум ALISSE.
Ультразвуковые устройства являются обычным явлением в современных орбитальных медицинских комплектах, помогая облегчить быструю диагностику заболеваний космонавтов или телесных изменений. Однако для получения полезных с медицинской точки зрения ультразвуковых изображений требуется руководство в режиме реального времени от экспертов на местах. Как только астронавты отправятся на Луну или дальше в Солнечную систему, такое руководство станет непрактичным из-за временной задержки. Новый проект под руководством ЕКА направлен на использование искусственного интеллекта и машинного обучения, чтобы астронавты могли самостоятельно проводить ультразвуковые исследования, близкие к профессиональному качеству.
«Успех пилотируемых исследований зависит от здоровья и безопасности наших астронавтов», — объясняет биомедицинский инженер ЕКА Арно Рунге, курирующий проект. «По мере того, как миссии продвигаются дальше в космос, это становится все труднее гарантировать, потому что количество и навыки членов экипажа будут ограничены. Поэтому нам нужна технологическая помощь, чтобы сделать будущие экипажи все менее и менее зависимыми от земного опыта».
Проживание в ограниченном объеме, при длительном отсутствии гравитации и воздействии высоких уровней радиации может повлиять на многие критически важные органы, а также привести к нарушениям баланса, сдвигу жидкости, изменениям зрительных функций, сердечно-сосудистым расстройствам, снижению иммунной функции, атрофии мышц. и потеря костной массы. Кроме того, будущие планетарные миссии могут привести к травмам во время наземных операций.
Хорошей новостью является то, что большинство этих состояний можно отслеживать с помощью ультразвуковой визуализации, полагаясь на то, что эхо звука за пределами слышимости наших ушей открывает окна в мягкие ткани человеческого тела. Плохая новость заключается в том, что для того, чтобы научиться проводить ультразвуковое исследование, требуются годы обучения.
«Ультразвуковая визуализация уже стала важным диагностическим инструментом для экипажей Международной космической станции», — комментирует Карлос Иллана из GMV в Испании, компании, возглавляющей проектный консорциум ЕКА. «Но в нынешней практике на МКС астронавт, который применяет ультразвуковое устройство к своему товарищу по экипажу, либо получает указания в режиме реального времени от опытного оператора ультразвуковой диагностики на земле, либо выполняет исследования на основе ограниченной подготовки, полученной перед полетом. .»
АЛИССА способна отличать клинически ценный «режим плоскостного обнаружения» дальнего расстояния для органа от менее полезного «поперечного» вида сбоку. Фото: консорциум ALISSE.
Арно добавляет: «Чтобы решить эту проблему, ЕКА ранее работало над концепцией роботизированного телеультразвука, в рамках которой опытный радиолог на Земле удаленно пилотировал ультразвуковой зонд на борту МКС. Однако это интересно и для использования на МКС. что касается наземных применений, этот подход также имеет ограничения: действительно, как только пилотируемые миссии выходят за пределы околоземной орбиты в глубокий космос, такое наведение больше не будет осуществимо, потому что большее расстояние от Земли приводит к увеличению временной задержки в связи, в то время как полоса пропускания также будет ограничен».
Поэтому существует потребность в решениях, обеспечивающих большую автономию экипажа. В ответ на это автономная система улучшения ультразвуковых изображений ЕКА, ALISSE, предлагает астронавтам возможность прямо на месте получать ультразвуковые изображения диагностического качества, как если бы они были опытными рентгенологами, благодаря помощи искусственного интеллекта и машинного обучения.
Сотрудничая с проектом, группа ядерной физики Мадридского университета Комплутенсе разработала новые методы ультразвукового моделирования и синтеза изображений, а служба неотложной и неотложной радиологии больницы Ла-Пас в Мадриде предоставила рекомендации по ультразвуковым исследованиям и патологиям, а также предоставила и маркировка сотен тысяч анонимизированных ультразвуковых сканирований, используемых для обучения нейронной сети глубокого обучения, лежащей в основе системы ALISSE.
Арно добавляет: «Ла-Пас — крупнейшая больница в Испании, где только в Службе неотложной помощи проводится более полумиллиона ультразвуковых исследований в год с использованием более 40 различных моделей устройств. Мы использовали механизм активного обучения для фильтрации неинтересных изображений. , оставляя менее 2%, которые Служба радиологии выбрала и пометила для нашей подсистемы обучения нейронных сетей для обучения».
Это составляет огромное количество тщательно отобранных изображений более чем 50 000 пациентов на каждый орган, включая множество примеров «патологических» — или больных — случаев. Для первоначального прототипа ALISSE консорциум исследовал почки и мочевой пузырь как очень типичные органы брюшной полости, которые нелегко сканировать и которые связаны с распространенными заболеваниями астронавтов, такими как образование камней и задержка мочи.
Дэвид Миро из GMV говорит: «Когда мы разрабатывали систему, летные хирурги ЕКА давали нам важные отзывы и рекомендации. Нашей целью было сделать пользовательский интерфейс максимально интуитивным, поэтому мы попросили группу совершенно неподготовленных студентов-физиков опробовать его. «. Ультразвуковые изображения шумные, размытые и содержат множество артефактов, таких как тени и спекл-шум, а тело у всех разное. Поэтому медицинским работникам нужны годы специальных курсов и тренировок, чтобы изучить эту диагностическую технику для одного органа. Это означает, что вероятность для неподготовленного новичка, успешно прошедшего ультразвуковое исследование, по сути, равна нулю».
Однако пользователи ALISSE получают подробные инструкции о том, в каком месте тела следует разместить ультразвуковой зонд, им предоставляются примеры изображений целевого органа и процентная вероятность того, что рассматриваемый объект является правильной целью. Система также способна отличать клинически ценный «режим плоского обнаружения» органа от менее полезного «поперечного» вида сбоку.
Джон Скотт, поддерживающий проект в Европейском центре астронавтов, комментирует: «Конечные результаты очень обнадеживают; 9 из 10 изображений студентов, полученных при помощи ALISSE, представляли собой клинически приемлемые стандартные ультразвуковые изображения почек и мочевого пузыря, приближающиеся к характеристикам, полученным при помощи ALISSE. Кроме того, ALISSE может работать с несколькими ультразвуковыми устройствами, что обеспечивает максимальную гибкость и снижает препятствия для ее внедрения.
«Результатом является система, которая позволяет астронавтам брать на себя больше ответственности за собственное медицинское обслуживание, что является важной особенностью будущего космической медицины, а также должна демократизировать использование ультразвуковой визуализации на Земле. С дальнейшим развитием этой технологии, мы можем с нетерпением ждать того времени, когда передовые медицинские работники смогут использовать ультразвуковые устройства под управлением искусственного интеллекта так же умело, как они сегодня собирают образцы крови».
Проект ALISSE был поддержан через Элемент развития технологий ЕКА, способствующий развитию новых многообещающих технологий для космоса. В качестве следующего шага консорциум планирует расширить поддержку системы другим органам и улучшить инструкции по управлению, чтобы сделать ALISSE еще более интуитивно понятной. ЕКА также заинтересовано в том, чтобы система ALISSE работала на планшете, подключенном к ультразвуковому датчику.
Информация от: Европейским космическим агентством
