FAKULTY

Katarína Macková – 02.12.2021 – 11 minút čítania

Rýchlejšie odhalenie genetickej choroby? Aj zásluhou nášho študenta

Softvér, ktorý mnohonásobne zrýchľuje diagnostiku genetického ochorenia. To je výsledkom výskumnej práce študenta FIIT STU Tibora Slobodu pod vedením Ing. Lukáša Hudeca, PhD. Vznikol vďaka spolupráci s MUDr. Andreou Felšöovou pod vedením MUDr. Jiřího Uhlíka Ph.D. z Ústavu histológie a embryológie 2. lekárskej fakulty Karlovej Univerzity v Prahe a Inštitútu klinickej a experimentálnej medicíny, lekárom z Pediatrickej kliniky v Motole a ďalším spoluautorom. Konkrétne ide o automatický softvér pre zrýchlenie a pomoc lekárovi pri kvantitatívnej diagnostike genetického ochorenia primárnej ciliárnej diskinézy. Doterajšie skúmanie a práca na projekte trvali rok.

 Zobrazenie detailu - zameranie na jednotlivé cílie pri osobitnej kontrole klasifikácií.

Softvér podľa jeho tvorcu, študenta Tibora Slobodu, a jeho školiteľa, Ing. Lukáša Hudeca, PhD., funguje tak, aby pokrýval požiadavky lekárky na diagnostiku vyššie uvedenej choroby; tá sa v prvých fázach diagnostikuje počítaním poškodených cílií - riasiniek na mikroskopických snímkach (k tomu sa ešte dostaneme podrobnejšie). „Prvý krok je, pochopiteľne, načítanie požadovaného množstva snímok, s ktorými následne pracujeme,“ vysvetľuje Tibor Sloboda. „Následne používateľovi stačí označiť, ktoré snímky chce spracovávať, a spustí algoritmus. Mikroskopické dáta z elektrónového mikroskopu sú pomerne zašumené, a preto pre zjednodušenie problému najprv dáta trochu očistíme,“ hovorí ďalej. Nasleduje detekcia riasiniek; práve na tento krok sa rozhodli použiť neurónovú sieť, ktorú Tibor trénoval na vtedy ešte manuálne anotovaných snímkach.

Detail na detegovanú a klasifikovanú cíliu s odmeraným uhlom.


Zrýchlenie spočíva vo využití neurónových sietí
Zároveň s detekciou prebieha aj klasifikácia do troch hlavných tried - zdravé cílie, primárne poškodenia a sekundárne poškodenia. „Využiť neurónovú sieť na tento krok je obrovské zrýchlenie a zjednodušenie problému, kde sme nemuseli definovať všetky potenciálne zmeny v cíliách manuálne algoritmicky,“ vysvetľujú obaja s tým, že keď už sú známe regióny s cíliami, používateľ má možnosť zasiahnuť a opraviť chybné detekcie aj klasifikácie; správna identifikácia cílií je dôležitá pre presné meranie uhla ich natočenia. „Túto úlohu vykonávame heuristickým algoritmom, kde využívame sériu morfologických operácií, ktorými detegujeme páry mikrotubúl. Ich rozmiestnenie určíme transformáciou na graf identifikáciou najbližších uzlov a nájdením páru najbližšiemu k centroidu všetkých mikrotubúl. Laicky povedané, hľadáme v cíliách všetky mikrotubuly a podľa ich polohy určíme stredový pár.“

Pri poškodených cíliách sa môže stať aj to, že žiaden vyššie spomínaný pár nenájdu, alebo ho niekedy, bohužiaľ, identifikujú nesprávne. „Nakoniec už len segmentujeme pixely páru a odmeriame jeho natočenie. Všetky výstupy detegovaných cílií aj odmeraných uhlov zobrazujeme na pôvodnej snímke, používateľ si môže všetko skontrolovať a manuálne opraviť,“ vraví Lukáš Hudec. Hotovú analýzu si potom možno uložiť a kedykoľvek sa k nej vrátiť; taktiež si používateľ môže exportovať vypočítané štatistiky o natočeniach a detegovaných triedach poškodenia.

Základné zobrazenie a ukážka automatickej analýzy


O čo presne ide?
Na tomto mieste sa pre lepšie porozumenie pozrieme bližšie na samotnú chorobu; s prosbou o podrobnejšie vysvetlenie sme sa obrátili na vyššie spomínanú doktorku Andreu Felšöovú z Karlovej Univerzity v Prahe, s ktorou na projekte naši spolupracujú. „Táto choroba sa u pacientov prejavuje hlavne opakovanými infekčnými ochoreniami dýchacích ciest, ktoré môžu viesť až k trvalej poruche funkcie pľúc. U niektorých defektov sa k poruchám dýchacích ciest pridáva dokonca aj neplodnosť (riasinky nájdeme i v pohlavných cestách) a hluchota,“ vysvetľuje lekárka s tým, že diagnostika týchto pacientov má niekoľko krokov: od klinických vyšetrení cez elektrónovú mikroskopiu, fluorescenciu až po genetické vyšetrenie. „Zásadným dielom do skladačky je práve diagnostika stavby riasiniek pomocou elektrónovej mikroskopie. Veľmi jednoducho, riasinky sú pohyblivé špecializácie apikálnej oblasti buniek, môžete si ich predstaviť ako vlasy na hlave, ktoré sa synchronizovane pohybujú, a tým čistia pľúca od nečistôt,“ vysvetľuje lekárka. „Stavba tohoto čistiaceho, značne komplikovaného zariadenia, je u pacientov s PCD narušená a riasinky v dôsledku genetických mutácií strácajú určité stavebné štruktúry,“ hovorí ďalej s tým, že u kvantitatívneho hodnotenia sa musia pozrieť aspoň na 300 riasiniek a vyhodnotiť ich stavbu; všeobecne platí, čím viac riasiniek, tým dôkladnejšie vyšetrenie a tým presnejšie získanie obrazu o percentuálnom zastúpení vád. „Zatiaľ čo som pred rokom musela označiť každú riasinku zvlášť, čo je minimálne 300 kliknutí na jedno vyhodnotenie, dnes stačí, že jednotlivé fotky natiahnem do programu a spustím štart,“ pochvaľuje si. Program zaradí riasinky do troch základných kategórií a jej už potom stačí jednotlivé značky skontrolovať a opraviť. Takisto jej vyhovuje práca v šikovnom rozhraní, kde si môže výsledky hneď uložiť do tabuliek s jednotlivým percentuálnym zastúpením vád. 

Zobrazenie pri analýze a výpočte uhlov. Vpravo vidíme zoznam nájdených cílií aj so zaradením do tried.

Lukáš Hudec sa v súvislosti s doktorkou Felšöovou vyjadril v duchu, že bez nej by sa k tejto téme ani nedostali. Ako teda vznikla spolupráca, prečo si jedna strana vybrala druhú? Podľa lekárky vznikla myšlienka zhotovenia automatického analyzátora v okamihu, keď začala vyhodnocovať prvé snímky. „A to z jednoduchého a veľmi primitívneho dôvodu. Nebavilo ma to. Lukáša pritom poznám od základnej školy, obaja pochádzame z Lučenca (zdravím ZŠ Vajanského Lučenec). Požiadal ma o pomoc s nájdením patológa pre svoj projekt a na oplátku som ho zasvätila do problému, s ktorým som bojovala presne v tej dobe. Nakoniec z toho vznikol celkom zaujímavý projekt.“

Nadšený zo skúsenosti i z toho, že pomohol
Tibor Sloboda to celé definuje ako vzácnu príležitosť uchopiť sa problému, ktorého riešenie môže reálne pomôcť lekárom pri ich práci. „Mal som možnosť komunikovať s lekárkou a za priameho feedbacku zlepšovať softvér a prispôsobovať ho požiadavkám. Myslím, že málokto má takúto príležitosť pri záverečnej práci bakalárskeho štúdia, a je to zároveň cennou skúsenosťou do praxe, ktorá mi v budúcnosti určite pomôže, nakoľko užívateľské rozhranie bolo prakticky tvorené agílne, čo je alfa a omega tvorby softvéru vo väčšine zamestnaní,“ hovorí. „Vďaka FIIT som vedel túto výzvu hravo zvládnuť, nakoľko ma tieto prístupy naučila.“

Tenké čiary - modrá predstavuje nulový uhol, voči ktorému sa počíta odchýlka otočenia cílie - žltá čiara. Tabuľka už obsahuje odmerané uhly všetkých cílií.


Celé to vyhraté ešte nemajú, idú však správnym smerom
Treba povedať, že softvér pre automatickú analýzu zďaleka nie je hotový. „V súčasnom stave sa nemôžeme spoliehať na výsledky, ktoré poskytuje,“ upozorňuje lekárka s tým, že vyhodnotené dáta sú určené k ďalšiemu zdokonaleniu analýzy. Vyšší počet dát zároveň softvéru umožní „naučiť sa“ správne určiť poškodené a zdravé riasinky. „Kategórie vád, ktoré je momentálne schopný sám určiť, neposkytujú obraz o konkrétnych typoch ochorenia. Pre mňa je to, samozrejme, práca naviac, subkategorizovať, ukladať a posielať anotácie. Ale baví ma to, pretože ideme dobrým smerom,“ hovorí a hneď aj dodáva, že by sa rada poďakovala a pochválila prístup, s ktorým sa Lukáš Hudec a Tibor Sloboda pustili do tvorby. „Budem rada, keď sa nám aj naďalej podarí udržiavať túto spoluprácu, som s nimi maximálne spokojná.“

Dá sa povedať, že v takejto diagnostike by mohla čiastočne byť budúcnosť medicíny? „Áno, určite, dokonca nesúhlasím s dodatkom čiastočne,“ hovorí lekárka. „Postupná digitalizácia medicíny sa rozvíja a teší ma, že do toho môžeme vstúpiť a niečím prispieť. Ďalším naším krokom bude zdokonaľovanie softvéru pre diagnostiku PCD, a taktiež pod vedením doktora Fabiána začíname s analýzou rejekcie, čiže odmietnutia, srdcových transplantátov v Inštitúte klinickej a experimentálnej medicíny v Prahe.“ 

Zobrazenie priblíženej fotografie po analýze a klasifikácii do jednotlivých tried poškodenia cílií.


Ako úplná prevencia to nefunguje
Je možné z pohľadu odborníka na informatiku aspoň hypoteticky predpokladať, že niektoré choroby by bolo časom možné vďaka takémuto spôsobu diagnostiky zistiť natoľko zavčasu, že by prestali byť problémom? „Využitie neurónových sietí je stále širšie a širšie, podľa ich momentálnych možností a schopností by som si však nedovolil tvrdiť, že jedného dňa bude problematická diagnostika vyriešená vďaka automatickým počítačovým technológiám. Určite však bude jednoduchšia a rýchlejšia,“ hovorí Hudec s tým, že samotné choroby ako také to bohužiaľ neodstráni. „Systém, ktorý vytvárame a používame, je len diagnostický nástroj, a nie liečba. Teda chorobu vieme diagnostikovať len a až vtedy, keď už je prítomná. Nie predpovedať, že v budúcnosti by ju pacient mohol dostať.“


Každý zo začiatku skúšal iný prístup
Podľa Lukáša Hudeca si Tibor Sloboda počas tvorby pomerne rýchlo zvykal na dovtedy pre neho neznáme technológie - neurónové siete aj tradičné metódy počítačového videnia. „Prvé tri mesiace sme na výskume pracovali paralelne. Každý skúšal iný prístup, aby sme si overili, ktorý bude vhodnejší. Anotácie sme na začiatku nemali, a preto som ja skúšal najmä tradičné metódy, ktoré vo veľkej miere zlyhali. Tieto mikroskopické snímky, s ktorými pracujeme, sa môžu zdať pomerne jednoduché, predsa len cílie sú jednoznačne viditeľné, rovnako aj mikrotubuly. Problémom je však veľký šum v dátach, a rovnako aj rozdiely v osvetlení na rôznych snímkach a iné časti tkaniva, s ktorými sa hneď nepočíta, že by sa na snímkach mohli objaviť,“ vysvetľuje. „S pomocou lekárov mal Tibor možnosť vytvoriť pre dáta anotácie a onedlho po prvých fázach experimentov sa prepracoval k tvoreniu prvých modelov neurónových sietí,“ hovorí Hudec s tým, že keď videli jednoznačnú superioritu, teda prevahu, voči tradičným metódam, už pri neurónových sieťach ostali. „Stále sme však mali problémy s nízkou presnosťou pri klasifikácii poškodených cílií, ktoré sme čiastočne vyriešili s masívnou augmentáciou dát. Stále je však čo vylepšovať,“ upresňuje s tým, že nakoľko sa jeho študent snažil bakalárku úspešne dokončiť a obaja chceli pomôcť pani doktorke, nikdy im ani len nenapadlo, že by projekt mohli vzdať.

Tabuľka s počtami detegovaných a klasifikovaných cílií. Momentálne klasifikujeme základné 3 triedy, ale softvér je pripravený pre všetkých 6-7 štandardne klasifikovaných tried poškodení. Na tomto vylepšení momentálne ďalej pracujeme.


Založenie do archívu „nehrozí“
Lukáš Hudec si pochvaľuje najmä fakt, že osudom tejto bakalárky určite nebude zapadnutie prachom.  „Práve takéto práce, ktorých výsledok niekto aktívne využíva, sú omnoho zmysluplnejšie pre obe strany - vedúceho aj študenta. Ďalej tiež študenti môžu pracovať na reálnych problémoch, ktoré lekárov zaujímajú. Majú tak väčšiu motiváciu to nevzdať, ale prísť s niečím, čo môže lekárom pomôcť zrýchliť diagnostiku a odbremeniť ich od zdĺhavej manuálnej činnosti, ktorú dnes naozaj dokáže aj počítač. Aby mali tým pádom viac priestoru na celkovú diagnostiku.“

Exportovaná tabuľka s výsledkami klasifikácií.


Črtá sa aj ďalšia spolupráca
Softvér zaujal aj výskumníkov z univerzity v Toulouse; tam sa takisto rysuje budúca spolupráca. „Začiatkom septembra sa na našej fakulte zastavil profesor Bernard Kamsu-Foguem, ktorý hľadal aj na Slovensku možnosti spolupráce na projektoch,“ hovorí Hudec s tým, že našli spoločné výskumné témy práve v oblasti digitálnej patológie a interpretovateľnosti rozhodnutí neurónových sietí. V uplynulých týždňoch pracovali na projekte na grant, ktorý sa tento zahraničný profesor chystá podať v spolupráci s nimi a ďalšími partnermi.

Podobné projekty na našej FIIT plánujú aj do budúcnosti; podľa Hudeca už teraz pokračujú na vylepšení ich softvéru PCD-Quant v spolupráci s vyššie spomínanou lekárkou a jeho bakalármi. Takisto rozbiehajú spoluprácu s Inštitútom klinickej a experimentálnej medicíny v Prahe na, ako už doktorka Felšöová spomínala, rejekcii u srdcových transplantátov. „Tiež sme oslovili na spoluprácu doktorov z Lekárskej fakulty Univerzity Komenského a radi by sme kontaktovali aj klinických lekárov na Slovensku, ktorí sa tiež venujú problematike primárnej ciliárnej dyskinézie.“

 

Text: Katarína Macková
Foto: snímky obrazovky vytvoreného diagnostického programu. Mikroskopické snímky boli dodané od MUDr. Andrey Felšöovej.