Будущее патоморфологии: цифровые технологии и искусственный интеллект в медицинской лаборатории

Патологическая анатомия сочетает в себе биологию и медицину, позволяя рассмотреть болезнь с помощью микроскопа и узнать, что происходит с клетками и тканями. Это особенно важно в онкологии для диагностики и лечения доброкачественных и злокачественных опухолей, в трансплантологии для проверки приживления пересаженных органов и в токсикологии при проверке безопасности, например, новых лекарств.

Люди интересовались строением собственного тела с древних времен, в том числе и его изменениями во время болезни. При этом единственным способом наблюдений вплоть до XIX века был визуальный осмотр, в некоторых исторических периодах даже без возможности вскрытия. И хотя не так много можно сказать о болезни лишь по внешним изменениям органов, понятие «опухоль» и ее особенную роль в причине смерти человека установил древнеримский врач Гален еще во II веке нашей эры.

Столетия врачи по крупицам собирали информацию, которая послужила основой для новой медицинской специальности. Среди наиболее ярких имен – итальянский терапевт Антонио Бенивьени (1443–1502), который оставил после себя 111 разборов историй болезней своих пациентов, причем часть исследований он проводил после их смерти. Французский хирург Мари Франсуа Ксавье Биша (1771-1802) последовательно и методично обучал врачей патологии, физиологии и изменениям органов при различных болезнях. Он даже упоминается Пушкиным в «Евгении Онегине» в одном ряду с Тиссо, Гиббоном и другими мыслителями того времени. И уж точно вы не забудете это имя, когда узнаете, что милые пухлые щеки младенцев, которые помогают ему сосать молоко, носят название «комочки Биша» – автора, который их описал. Есть еще сотни известных и тысячи забытых имен врачей, которые придерживались принципа, сформулированного еще Мигелем Сервето (1511-1553): «Mortui vivos docent» («Мертвые учат живых») – это изречение стало девизом для специальности, появившейся лишь спустя триста лет.

В XVII веке в биологии произошла революция – голландец Антони вон Левенгук изобрел микроскоп, который позволил увидеть клетки, были открыты эритроциты в крови человека, бактерии, дрожжи и много других микроскопических объектов. Потребовалось почти 200 лет, чтобы научиться делать микроскопические срезы тканей и рутинно использовать их. В XIX веке немецкий ученый Рудольф Вирхов стал одним из первых, кто постоянно использовал микроскоп в своей работе. Он впервые описал раковые клетки, дополнил клеточную теорию утверждением «всякая клетка происходит от другой клетки» – сейчас это кажется очевидным, но тогда нужно было обладать одновременно должной смелостью и достаточным авторитетом, чтобы высказать и суметь доказать эту гипотезу. Вирхов также установил связи между хроническим воспалением и опухолями, что остается актуальным и сегодня. Все это было лишь началом нового периода для патологической анатомии –микроскопического. Именно в этот период специальность патологоанатом была признана самостоятельной, а ее вклад в медицину все более определял микроскоп, а не вскрытия.

В 90-е годы XX века в дополнение к микроскопу патологоанатомы получили новые технологии из молекулярной биологии. Возможность заглянуть внутрь клетки и узнать, какие молекулы в ней есть, то есть понять особенности клетки не по внешнему виду, а по ее содержанию, была известна и раньше, но долгое время не могла выйти за пределы научных лабораторий и помочь конкретному пациенту. Сейчас это уже рутина: врачи стали опираться в диагностике не только на внешний вид клеток, но и на структуры, которые и в микроскоп-то не видны. Оказалось, что набор белков в клетках практически перевернул с ног на голову классификацию опухолей. В онкологии стали применять молекулярный метод лечения, направленный на конкретные раковые клетки, а не на все клетки организма и поэтому более безопасный.

Объектом для исследования служит фрагмент ткани, опухолевой, воспаленной или с какими-то другими изменениями, который необходимо взять у живого человека. Этим занимаются исключительно хирурги. Далее материал отправляется в лабораторию, где через несколько часов обработки с помощью различного оборудования и реактивов этот фрагмент становится пригодным для исследования под микроскопом – помните, понадобилось около 200 лет, чтобы разработать эту технологию. Все ресурсы лаборатории: десятки реактивов различных концентраций и типов, сложные приборы, управляемые высококвалифицированными специалистами, — все это необходимо, чтобы получился срез ткани толщиной менее 5 микрометров: именно такой размер позволяет использовать проходящий свет микроскопа. И только теперь к работе приступает врач-патологоанатом.

Микропрепараты, рассматриваемые в микроскоп, можно сравнить с данными на Google-карте. Их можно приблизить или удалить, можно скроллить, точнее, скроллить обязательно, ведь необходимо понять как можно больше из маленького фрагмента под микроскопом. Поэтому патологоанатом с завидной дотошностью скроллит и ищет на них какие-то важные признаки. В примере с картами в одном случае необходимо найти населенный пункт и дать примерную оценку количества жителей в нем, а в другом – посчитать соотношение школ и детских садов к жилым домам. Только все это делается в микромире, с клетками, тканями, сосудами, нервами и другими структурами, которые совершенно не похожи на привычных нам представителей окружающего мира.

Здесь самое время задаться вопросом: разве найти какие-то объекты в изображении – это не задача для компьютерного зрения? И зачем нужны врачи, если их может заменить компьютер? Все почти так, но с существенным нюансом. Заменить врача в обозримой перспективе точно не получится – слишком много неконкретных и неточных вещей, а еще больше всевозможных редкостей, которые сводят на нет независимую работу любого алгоритма. Поэтому ни врачи-патологоанатомы, ни их «товарищи по беде» врачи-рентгенологи никуда не исчезнут. Однако с помощью компьютерного зрения они могут быть гораздо более эффективными. И если цифровое рентген-изображение уже давно не кажется чем-то особенным, то с цифровым микроскопическим изображением все еще остаются технологические трудности.

Мы действительно находимся на пороге новой революции в патологической анатомии. Микроскоп существенно изменил эту отрасль и буквально открыл глаза медицины на многие вещи – от момента его изобретения до рутинного использования прошло два века. Молекулярные методы выдвинули патологическую анатомию на новую орбиту: мы как будто заглянули в онкологию с другой стороны, лечение становится все более индивидуальным, эффективным и безопасным. В последние годы появилась возможность сделать микроскопическое изображение цифровым.

Сделать фотографию можно было и раньше, но сколько таких фотографий потребовалось бы, чтобы получить аналог Google-карты, еще и на разных увеличениях. Создать цифровые микропрепараты оказалось не так и просто: они требуют огромных вычислительных мощностей из-за своих размеров. В среднем один микропрепарат имеет размер около пяти гигабайт, а количество таких микропрепаратов от одного исследования может достигать десятков. То есть в день одна средних размеров лаборатория создает сотни гигабайт информации, которые необходимо где-то хранить и как-то с ними работать. Другая технологическая сложность – автоматическое сканирование. Чтобы оцифровать сотни микропрепаратов в день, ваша «камера» должна сама наводить фокус, регулировать свет, и у нее должен быть модуль подачи этих микропрепаратов. Последнее казалось чуть ли не непреодолимой пропастью, когда речь заходила о десятках и сотнях стекол. К счастью, сегодня уже есть производители, которые с той или иной степенью успеха решили все эти задачи. Например, в сканер Philips можно загрузить сразу 300 стекол. Такие мощные устройства значительно упрощают и ускоряют работу патоморфологов. Они могут сканировать примерно по одному препарату в минуту – то есть 480 стекол за восьмичасовую смену. Процесс настолько автоматизирован, что препараты для оцифровки можно оставить в сканере на ночь, а утром получить результат.

Сканер самостоятельно находит и выстраивает фокус изображения без вмешательства человека. За 60 секунд патоморфолог получает качественное цифровое изображение среза ткани, с которым можно работать на компьютере. Специальное программное обеспечение позволяет эксперту детально рассматривать и анализировать изображение. Кроме того, изображения можно отправлять для анализа другим врачам, даже если они находятся далеко от лаборатории; можно работать над заключением совместно с коллегами, подключенными по интернету.

Медицина в целом – очень консервативная область, изменения даются ей с трудом, ведь на кону стоят жизни и здоровье людей. Состояние, а точнее, изменения в патологической анатомии сегодня – это редкий случай, когда про область медицины можно сказать, что она находится на пороге принципиально нового этапа, и причина этому – возможности искусственного интеллекта, двери для которого открывает оцифрованное изображение.

Врачи и исследователи только делают первые шаги в этом направлении, только пытаются понять, где и каким образом возможности компьютерного зрения будут наиболее эффективны. Мы уже видим, что в тандеме с искусственным интеллектом врач быстрее и точнее находит опухоль. И если точность у опытного специалиста поднимается лишь на процентные пункты, то скорость работы возрастает в разы как у молодого специалиста, так и у опытного. Специалисты, которые попробовали исследовать микропрепараты с помощью компьютерного зрения, уже не хотят от него отказываться. Искусственный интеллект станет таким же обыденным и мощным инструментом, как микроскоп и молекулярная биология. Он снизит риск ошибок, увеличит объем анализируемых данных, повысит точность диагноза.

Внедрению цифровых технологий в медицине препятствует скепсис части профессионального сообщества, а также финансовые и инфраструктурные ограничения. Однако, несмотря на все трудности, инновации внедряются и постепенно становятся неотъемлемой частью здравоохранения: современные диагностика и лечение радикально отличаются от тех, что существовали двадцать лет назад. Это сделает постановку диагноза быстрой и точной, лечение – более эффективным, что в итоге улучшит здоровье многих людей.