Отслеживание кашля с помощью искусственного интеллекта может помочь обнаружить следующий очаг пандемии

Отслеживание кашля с помощью искусственного интеллекта может помочь обнаружить следующий очаг пандемии

Отслеживание кашля с помощью искусственного интеллекта может помочь обнаружить следующий очаг пандемии

Когда Джо Брю в течение двух лет, начиная с 2013 года, работал эпидемиологом в Департаменте здравоохранения Флориды, он помогал с синдромным надзором, что означало, что он изучал симптомы пациентов, поступающих в отделения неотложной помощи со всего штата. Целью работы было выявление аномальных всплесков симптомов в регионе, которые могли указывать на наличие проблем со здравоохранением.

Органы общественного здравоохранения во всем мире продолжают использовать этот вид наблюдения. Например, вспышка нового патогена в китайском Ухане в конце 2019 года была обнаружена отчасти из-за большого количества пациентов, поступающих в больницу с симптомами респираторной инфекции неизвестной этиологии. Но Брю говорит, что эта система не может предотвратить передачу вируса, такого как SARS-CoV-2, потому что к тому времени, когда пациенты прибывают в больницу, они, вероятно, уже заразны в течение нескольких дней. Тесты на COVID-19 также часто не дают результатов вовремя, чтобы пациентов можно было должным образом изолировать, пока они заразны.

Осознание этого заставило Брю обратиться к устройству, которое носят в карманах миллиарды людей - к смартфону - для предоставления органам здравоохранения данных о симптомах в популяции в реальном времени. Брю и несколько его коллег создали Hyfe, бесплатное телефонное приложение, использующее искусственный интеллект для обнаружения и отслеживания кашля пользователей, который является признаком многих респираторных заболеваний, включая COVID-19.

Кашель уже давно является симптомом, который регистрируют врачи, однако метод наблюдения за ним обычно ограничивается самоотчетом во время посещения клиники.

«Чтобы победить COVID, нужно действовать на опережение», - говорит Брю, который сейчас является генеральным директором Hyfe. «Те места, где очень быстро выявлялись скопления людей и вспышки заболевания, смогли остановить работу и фактически контролировать пандемию даже без вакцины».

Люди, которым интересно отслеживать тенденции частоты кашля, например, если у них есть респираторное заболевание или они хотят поделиться этими данными с близкими или медицинскими работниками, могут загрузить Hyfe на свои смартфоны. Когда приложение слышит громкий резкий шум, например, кашель, оно фиксирует этот примерно полсекундный фрагмент звука и преобразует его в трехмерное изображение, называемое спектрограммой, которое представляет высоту и интенсивность звука во времени. Затем спектрограмма обрабатывается с помощью алгоритма машинного обучения, известного как сверточная нейронная сеть, которую обучали на наборе из более чем 270 000 звуков - например, кашля, смеха, ворчания, отрыжки или ударов вилкой по тарелке. Два человека помечали эти образцы как «кашель/не кашель», что дает алгоритму возможность определить, действительно ли резкий звук был кашлем. Приложение также узнает уникальный кашель человека, поэтому, если оно обнаруживает кашель другого человека, который значительно отличается от его предыдущего кашля, оно его не регистрирует.

Брю и команда ученых стремятся применить эту концепцию в полевых условиях, чтобы увидеть, смогут ли они обнаружить вспышку инфекционного респираторного патогена. Их пилотный проект будет изучать данные о кашле на уровне небольшого муниципалитете на окраине Памплоны, Испания.

«Многие люди думают о диагностике, но каждый думает за себя», - говорит эпидемиолог Барселонского института глобального здравоохранения ISGlobal Карлос Чаккур, который возглавляет исследование. «До сих пор диагностические возможности популяции не учитывалась».

Хотя Брю допускает, что кашель может быть вызван множеством неинфекционных заболеваний - качеством воздуха, астмой, аллергией, испарениями от приготовления пищи и т. д. - он говорит, что отсутствие специфичности - это особенность, а не ошибка. В случае анализа сточных вод, который является еще одним инструментом, который чиновники здравоохранения могут использовать для косвенного обнаружения и мониторинга распространения инфекционного заболевания, «вы уже ищете вирус и уже находитесь в ситуации эпидемии», - сказал он, в то время как Hyfe теоретически может обнаружить внезапный всплеск новой болезни, прежде чем она спрогрессирует.

На данный момент Чаккур и его команда привлекли к сообществу более 60 человек и стремятся привлечь до 500 человек для тестирования концепции. В рамках исследования участники предоставляют исследователям доступ к своим больничным картам и данным Hyfe, чтобы определить, коррелирует ли повышение кашля по сравнению с исходным уровнем среди участников с большим количеством диагнозов респираторных заболеваний, включая COVID-19.

По словам Чаккура, если Hyfe сможет успешно продемонстрировать, что обнаружение более высокой заболеваемости кашлем в узком сообществе предшествует большему количеству респираторных диагнозов в клиниках, то пользователи смогут просматривать «тепловую» карту анонимных данных, показывающих, в каких сообществах наблюдается самая высокая распространенность кашля. Этот инструмент может пригодиться чиновникам здравоохранения, а также людям, желающим оценить риск заражения в обществе.

Упущенная возможность

Кашель уже давно является симптомом, который врачи регистрируют, однако метод наблюдения за ним обычно ограничивается самоотчетом во время посещения клиники. Предыдущие исследования показывают, что пациенты часто занижают степень своего кашля, что привело таких эпидемиологов, как Брю, к мысли о неиспользованном потенциале данных о кашле.

Алин Морис, руководитель отделения респираторной медицины в Медицинской школе Халл-Йорка в Великобритании и специалист в диагностике и лечении кашля, говорит, что ответы пациентов на анкеты совершенно ненадежны. Он даже видел, как пациенты фабриковали данные с пикфлоуметров, портативных устройств, которые пациенты используют дома для измерения, насколько эффективно воздух проходит через их легкие.

«Самое замечательное в этом мониторинге кашля - это то, что он будет пассивным - пациенту фактически не нужно будет ничего делать», - говорит он.

Эксперт Вашингтонского университета по инфекционным заболеваниям Питер Смолл, который консультировал Hyfe и предоставлял начальное финансирование компании, когда был старшим директором по глобальным технологиям здравоохранения в Global Good, говорит, что с оптимизмом смотрит на этот новый виток технологий, особенно в контексте искоренения туберкулеза. «Пациенты обращаются за помощью на очень поздних стадиях болезни, и отчасти это связано с тем, что мы, как общество, склонны игнорировать кашель у взрослых», - сказал он.

С помощью отслеживания кашля с помощью искусственного интеллекта он представляет себе мир, в котором пользователи, которые кашляли чаще, чем обычно, в течение, скажем, двух недель, получали бы текстовое сообщение, уведомляющее их об их симптомах с приглашением в клинику для проверки их на туберкулез.

Смолл говорит, что технология может показать прогресс выздоровления даже у пациентов с подтвержденным туберкулезом. «Я был рядом с множеством больных туберкулезом, и это очень грустный диагноз, - говорит он. «Несмотря на то, что он почти всегда излечим, для пациентов это психологически сложно, и наличие объективных доказательств того, что их состояние улучшается, может улучшить им настроение».

Группа Hyfe - не единственная, кто работает над включением мониторинга кашля в инструменты здравоохранения. Морис, например, разработал систему оповещения, использующую отслеживание кашля с помощью внешнего монитора, который пользователи носят на шее при надвигающихся обострениях хронической обструктивной болезни легких (ХОБЛ) - тяжелых эпизодов, которые часто могут привести к госпитализации. Согласно данным, представленным на виртуальной конференции Европейского респираторного общества в этом году, его исследовательская группа выявила 45 процентов этих обострений в среднем за четыре дня до постановки диагноза. По словам Мориса, при раннем вмешательстве пациенты, принимающие стероиды или бронходилататоры, могут уменьшить тяжесть этих обострений или предотвратить их совсем.

«Если вы можете предотвратить госпитализацию таких людей, это будет намного лучше для пациента, но также намного лучше для экономики здравоохранения, потому что [лечение] обострения - вещь дорогая», - говорит он.

Группа Массачусетского технологического института попыталась разработать инструмент, чтобы определить, можно ли идентифицировать кашель, характерный для COVID-19. Исследователи обработали более 70000 аудиосэмплов принудительного кашля, из которых 2660 были отправлены людьми с COVID-19, с помощью алгоритма машинного обучения, который, по их утверждениям, точно определяет 98,5% случаев кашля у людей, у которых подтверждено наличие COVID-19, в том числе 100 процентов принудительного кашля у бессимптомных людей, согласно их статье, опубликованной в октябре в IEEE Journal of Engineering in Medicine and Biology.

В других начинаниях исследователи просят здоровых людей и людей, инфицированных COVID-19, помочь обучить их модели искусственного интеллекта, чтобы в конечном итоге позволить пользователям по их кашлю понять, есть ли у них вирус. Эти проекты включают финансируемую Фондом Билла и Мелинды Гейтс инициативу Cough Against Covid в Институте искусственного интеллекта Вадхвани в Мумбаи, проект Кембриджского университета COVID-19 Sounds и проект Coughvid Швейцарского федерального технологического института в Лозанне.

Морис скептически относится к приложениям, создатели которых утверждают, что могут диагностировать пользователей по кашлю: «Честно говоря, я им не верю. Вы можете по звуку отличить влажный кашель от сухого, и только». Несколько соавторов исследования Массачусетского технологического института отклонили запросы на интервью для обсуждения своей работы.

Брю говорит, что он не только хочет лучше понять акустическую сигнатуру различных заболеваний, но и отслеживать суточный характер кашля - например, склонны ли люди с COVID-19 больше кашлять в определенное время дня или ночи? «Когда они начинают кашлять? Указывает ли изменение частоты кашля на определенный прогноз?» - спрашивает Брю. «Это супербазовые вопросы, на которые пока никто не знает [ответа]».

Проблемы конфиденциальности при записи звука

Более 40 стран и 21 штат и территория США используют официальные спонсируемые государством приложения для COVID-19, которые помогают отслеживать контакты носителей и сдерживать распространение вируса. Несмотря на обещания разработчиков этих приложений, мало кто загрузил их отчасти потому, что пользователи беспокоятся о передаче своему правительству подробной истории перемещений, говорит Чаккур.

Любому приложению, отслеживающему кашель, также потребуется разрешение на запись звука через смартфоны пользователей и, в случае Hyfe, отслеживание их местоположения для измерения кашля на уровне популяции. Брю надеется убедить пользователей, что приложение будет записывать только фрагменты длиной примерно полсекунды после резкого шума. Тем не менее, он считает, что пользователю нужно предложить некоторую ценность. Одна из идей - создать информационную панель с личными данными пользователей, похожую на то, что Fitbit делает с подсчетом шагов. «15 лет назад никто не заботился о подсчете шагов, пока Fitbit не сделал его модным», - говорит он.

По мнению Чаккура, если технология окажется полезной, конечной целью будет предоставление ее не правительствам, а, возможно, сторонним компаниям, таким как Apple или Google, которые смогут интегрировать ее в операционные системы своих телефонов. Он заметил, что в Испании люди не очень доверяют официальному правительственному приложению COVID-19, но они не возражают против того, чтобы их телефоны слушали, когда пользователи вызывают голосового помощника, или отслеживали их сон.

Брю говорит, что, по его мнению, настоящий момент - прекрасная возможность для внедрения технологии. Людей заботит общественное здоровье, и «в 1990 году было бы интересно подсчитать количество кашля, но сейчас у нас есть около пяти миллиардов человек, которые постоянно, каждый день, везде носят с собой микрофон».

Оценить статью
(0)