Компьютер научили определять деменцию с точностью 93% +17




Страх сумасшествия — одна из самых сильных фобий Человека Разумного. Двести лет назад Александр Пушкин написал об этом свое знаменитое «Не дай мне бог сойти с ума». Сейчас, в прогрессивном двадцать первом веке, мало что изменилось, и мы по-прежнему боимся приобретенных умственных расстройств. Например, в России деменция пугает людей больше, чем рак и инсульт: 45% опрошенных назвали ее самым страшным заболеванием старости (данные опроса на портале «Здоровье Mail.ru»).

К счастью, медицина сегодня борется с деменцией гораздо успешнее, чем в пушкинскую эпоху. При ранней диагностике можно предотвратить распад личности и сохранить когнитивные способности. А недавно в университете Осака разработали программу для ранней диагностики деменции на базе искусственного интеллекта. В проекте использовали алгоритмы машинного обучения и данные, полученные в процессе работы с больными и здоровыми людьми; точность диагностики составила 93%.

Что такое деменция и как ее распознают


Начнем с определения. Деменция — приобретенное слабоумие, стойкое снижение познавательной деятельности с утратой знаний и практических навыков и затруднением или невозможностью приобретения новых. Происходит в результате поражений мозга, чаще всего в старости. Деменцией сопровождаются болезнь Альцгеймера (на нее приходится до 60% случаев), нормотензивная гидроцефалия, внутричерепные опухоли и абсцессы.

Распознавать деменцию «на глаз» непросто: даже близкие люди могут годами не замечать, что с человеком что-то не так. А когда обнаруживают, что их родственник забывает свое имя или заблудился по пути к магазину, изменения мозга уже заходят слишком далеко.

Такая «слепота» вызвана в основном тем, что деменция в нашем обществе стигматизирована и люди мало знают о ней. Играет роль и особенность расстройства: изменения происходят постепенно.

Тем не менее, врачи умеют распознавать деменцию на ранних стадиях. Для этого с пациентом проводят психологические тесты (один из самых известных — тест Векслера), а для подтверждения диагноза берут анализы спинномозговой жидкости и проводят МРТ.

«Тест Векслера (или Шкала Векслера) является одним из самых известных тестов для измерения уровня интеллектуального развития. Разработана Дэвидом Векслером в 1939 году. Тест основан на иерархической модели интеллекта Д. Векслера и диагностирует общий интеллект и его составляющие — вербальный и невербальный интеллекты». Википедия

Существующая система громоздкая и не очень удобная, потому что пациенту необходимо встретиться с неврологом и уделить время прохождению тестов. Если ежегодно проверять всех пожилых людей на симптомы деменции, нагрузка на врачей возрастет в несколько раз.


ВОЗ прогнозирует троекратный рост случаев заболевания деменцией к 2050 году

ИИ в помощь


Решение проблемы предложили в университете Осака: в сотрудничестве c Институтом науки и технологий Нары здесь разработали программу, которая проводит с человеком интервью и анализирует его речь и мимику. В основе программы — искусственный интеллект; он обучался на материалах интервью со здоровыми людьми и с теми, у кого подтвержден диагноз «деменция». Программа относит людей в категорию «с симптомами деменции» или «без симптомов деменции» с точностью 93%. Это соответствует самым эффективным из «аналоговых» методик.

Как это работает

Проходя компьютерный тест на деменцию, пожилые люди общаются с аватаром программы — анимированной девушкой. Она задает вопросы, которые дублируются субтитрами, и «выслушивает» ответы. После этого программа анализирует речь и мимику участника теста по нескольким параметрам и выводит результат.

Как поясняют ученые из Нары и Осаки в публикации, описывающей их работу, они создавали аватар, «заточенный» под пожилых собеседников: у нарисованной девушки медленный темп речи, и после фразы она делает длинные паузы. Слова дублируются крупными субтитрами. Когда участник теста ответил, система распознает высказывание, после чего аватар кивает головой. Такой прием разработчики позаимствовали у популярной в Японии программы для создания анимации — MikuMikuDance: по мнению пользователей, это делает персонажа более живым.


Разработанный тест включает несколько диалогов и сценариев: a) пациент рассказывает о себе; b) проверяется его способность концентрировать взгляд; c) чтение; f) рассказывание — пациента просят вспомнить какую-нибудь историю; e) случайные вопросы (например, «Как у вас с аппетитом?»).

В тесте шесть блоков, которые построены на разных методиках. Первый — вводный (простые вопросы «Как вас зовут?» и «Сколько вам лет?»). Он знакомит пользователя с системой и дает время привыкнуть к управлению. Дальше следуют блоки на основе двух авторитетных методик оценки когнитивных способностей: теста Векслера и краткой шкалы оценки психического статуса (MMSE). Еще в тесте есть блок случайных вопросов и ответов («Какой сейчас год?», «Хорошо ли вы спите?», «Кто премьер-министр Японии?»), в ответах на которые программа анализирует не столько информацию, сколько параметры речи.

В работе ученые опирались на исследования речи людей с деменцией: они испытывают трудности с пониманием фраз, долго подбирают слова, а их активный словарный запас сокращается. Но чтобы анализировать речь по всем выбранным параметрам, программе понадобились долгие недели машинного обучения.

Инструменты и методология

Для сбора материалов выбрали 29 участников: 14 — пациенты университетской больницы Осака с подтвержденным диагнозом «деменция»; 15 — пожилые люди без этого диагноза. Каждый из них прослушал вопросы теста и ответил на них.

После этого разработчики отделили аудиофайлы от видео и вручную транскрибировали данные с помощью приложения Audacity, разбив речь на отдельные высказывания. Затем материалы проанализировали по нескольким факторам.

1) Особенности речи: мощность голоса, скорость артикуляции и хриплость. Параметры оценивались на основе спектрограммы. Также анализировали промежуток между вопросами аватара и ответами респондента.

2) Особенности языка. С помощью программы Mecab проанализировали количество значимых слов и «звуков неуверенности» — «mmmm», «ehhh». Частота употребления одних и тех же слов и их соотношение со «звуками неуверенности» дает приблизительную оценку словарного запаса.

3) Изображение. Разработчики выделили из видеороликов, изображающих девушек-моделей, 31 образец радостных лиц и 30 — нейтральных. В каждом из лиц было проанализировано 68 черт (высота бровей, уголков губ, ширина глаз и другие). На основе этих данных ИИ научился определять, есть ли на лице улыбка.

Во время интервью с респондентом программа определяла для каждого кадра, улыбается респондент или нет; собранную статистику назвали «индекс улыбки». Людям с болезнью Альцгеймера свойственно улыбаться чаще, поэтому у них этот индекс будет завышен. А при других ментальных расстройствах, сопутствующих деменции, эмоциональность, наоборот, снижается.

Отслеживалось и направление взгляда: исследования показывают, что часть пациентов с деменцией перестает сохранять зрительный контакт с собеседником.

Для обработки результатов использовали алгоритм Support Vector Machines (SVM, или метод опорных векторов) с линейным ядром и логической регрессией. Это бинарный классификатор, который эффективно решает поставленную задачу: отнести респондента к группе «с симптомами деменции» или «без симптомов деменции».

Перспективы

Разработчики планируют адаптировать программу для других языков и иных национальных типов лиц (она обучалась на японцах). Также планируется усовершенствовать модули. Во-первых, взять новый набор данных для анализа мимики, основанный на лицах не юных моделей, а пожилых людей. Это повысит точность распознавания выражений. Во-вторых, расширить контрольную группу, чтобы получит больше данных людей с различными видами ментальных расстройств. Планируется, что программа научится не только подтверждать наличие симптомов деменции, но и определять ее разновидность по внешним признакам: это будет важно при постановке диагноза врачом.

P.S. В ноябре Smile-Expo проведет две конференции, посвященные искусственному интеллекту: в Киеве (14 ноября) и в Москве (22 ноября).

В Москве спикеры конференции будут говорить об искусственном интеллекте, Big Data, машинном обучении, чат-ботах и информационной безопасности; проведут сравнение искусственного интеллекта и Robotic Process Automation (имитации действий пользователей с помощью программ). На конференции пройдет дискуссионная панель на тему «Искусственный интеллект и Интернет вещей: ожидание и реальность».

В Киеве главной задачей конференции будет структуризация знаний об автоматизации бизнес-процессов с помощью искусственного интеллекта. В фокусе внимания будет внедрение ИИ в бизнес-процессы: выгодные области внедрения, расчет эффективности, проектный менеджмент.

Вы можете помочь и перевести немного средств на развитие сайта



Комментарии (26):

  1. little-brother
    /#19151515

    в России деменция пугает людей больше, чем рак и инсульт: 45% опрошенных

    При этом чрезмерное употребление алкоголя, так же приводящее к нарушению когнитивных способностей в долгосрочной перспективе, выпивающих не особо пугает.

    • Engenigger
      /#19151571 / +2

      Я подозреваю, что это разные группы людей. Скорее всего те кто выпивает о деменции вообще не задумываются.

      • SpaceEngineer
        /#19152105

        Опять это искусство рисования графиков не от нуля…

        • exehoo
          /#19152159 / +1

          По-вашему, если нарисовать график от нуля, то снижение потребления в >полтора раза за 8 лет (с 16,2 до 10,3) как-то принципиально изменится? =)

          • SpaceEngineer
            /#19152433

            Оно не будет выглядеть как снижение до нуля.

            • exehoo
              /#19154919

              Оно и не выглядит таковым для тех, кто видит выделенные жирным шрифтом цифры на графике.

              • SpaceEngineer
                /#19157467

                Чтобы увидеть цифры, надо к ним приглядеться. А потом мысленно представить график с нормальными осями, и тогда 30-процентное снижение уже не будет выглядеть как 100-процентное. Но составители графика на то и рассчитывают — вау-эффект от беглого взгляда. Особенно когда подобные вау-графики показывают по тв, когда никак не успеть рассмотреть его.

                • exehoo
                  /#19157993

                  Так мы же вроде не на Вау-TV, а на Хабре.

      • Alex_Sa
        /#19153275

        Интересно, а потребление «боярышника» и прочих огуречных лосьенов в эти данные включены? А то очень может быть, что это просто переключение потребителей с «нормального» алкоголя на суррогаты в результате снижения покупательной способности.
        И еще неплохо было бы посмотреть данные по потреблению всяких других веществ — травы, психоделиков, опиатов итп.

      • Gplayer
        /#19154745

        Сейчас многие гонят самогон. Такие люди и их близкие перестают употреблять покупные крепкие спиртные напитки от слова «совсем». Соответственно, в приведённую статистику никоим образом попасть не могут.

        • exehoo
          /#19154907

          И как, по-вашему, легальность/нелегальность алкоголя влияет на количество алкоголиков в статистике смертности и заболеваемости?

  2. i360u
    /#19151745 / +1

    К счастью, медицина сегодня борется с деменцией гораздо успешнее, чем в пушкинскую эпоху.

    Интересно, а каким образом? В всех источниках, которые мне попадались, никаких эффективных средств описано не было, везде был только негативный прогноз. В лучшем случае, можно немного замедлить ухудшение состояния. Что я упустил?

    • Elena-Andreeva
      /#19151815

      В наше время есть препараты против деменции (ингибиторы ацетилхолинэстеразы и антагонист NMDA-рецепторов), они ослабляют тяжесть симптомов. Кроме того, деменция может быть вызвана патологиями мозга (например, опухолями, абсцессами), при устранении причины когнитивные изменения прекращаются.

      • i360u
        /#19152371

        ага, я об этом и написал:


        В лучшем случае, можно немного замедлить ухудшение состояния.

    • ilmarin77
      /#19156879

      при борьбе с болезнью Альцгеймера пока самое эффективное лечение было — интенсивные аэробные упражнения: www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5302785 (по состоянию на 2017й год)

  3. Zmiy666
    /#19152841

    А что делать если пациент боится врачей как огня и принципиально отказывается проходить какие-либо тесты? :( Мы примерно так прозевали Альцгеймер у бабушки — та была затворницей, не хотела ни с кем общаться, отказывалась обучаться пользоваться телефоном, не смотрела телевизор, почти не читала и хотела чтоб ее не трогали… ну мы и не трогали, а потом фигак, в один «прекрасный» момент она не вспомнила имени своей дочери и своего адреса. Хорошо хоть ее мошенники не надурили, а то ведь за имуществом таких пенсионеров идет охота, ибо она бы даже не вспомнила о продаже квартиры например, а потом срок сделки вышел…

  4. ilmarin77
    /#19153375

    опять неточный пересказ научной статьи.

    1. классификатор на основе логистической регрессии — это не искусственный интеллект, да и машина опорных векторов тоже на него не тянет. В исходной статье про И.И никто и не заикается.

    2. про раннюю диагностику в статье написано только в предисловии, типа «хорошая штука»

    3. Тест на интеллект ( Wechsler Adult Intelligence Scale ) в статье не использовали, использовали только часть теста на память ( Wechsler Memory Scale), поскольку известно что при болезни альцгеймера ( 9 из 15 пацентов) есть проблемы именно с памятью, а не с интеллектом, кстати ещё там 2 пациента с диагнозом MCI ( mild cognitive impairment) у них тоже проблемы с памятью.

    4. 93 % — это не точность, а площадь под графиком рабочей характеристики приёмника: ru.wikipedia.org/wiki/ROC-%D0%BA%D1%80%D0%B8%D0%B2%D0%B0%D1%8F
    Точность для метода SVM была 83%, для логистической регрессии — 79%

    • little-brother
      /#19153405

      Не трожьте журналиста! (вспоминая небезызвестную картинку)

    • Sychuan
      /#19153493 / +1

      классификатор на основе логистической регрессии — это не искусственный интеллект, да и машина опорных векторов тоже на него не тянет

      Ну нейронные сети в принципе от этих методов не сильно отличаются. И по-русски SVM называется метод опорных векторов

      • ilmarin77
        /#19153527

        скоро метод наименьших квадратов тоже будут называть ИИ. Он тоже не сильно отличается.

    • vics001
      /#19153579

      93% — это огромное число. Интересно, какие пороговые значения надо брать, чтобы вероятность ошибки неверного диагностирования (FP) было 0.01% к примеру и чему будет равен при этом (FN).

      • ilmarin77
        /#19153585

        image

        • vics001
          /#19154719

          То есть можно прочитать так?
          1. Мы можем диагностировать почти 70% больных из всех больных со 100% уверенностью т.е. не дав диагноз здоровому человеку (график снизу)
          2. Мы можем диагностировать 100% больных, но при этом мы дадим диагноз 35% здоровым
          3. Мы можем диагностировать 97% больных, но при этом мы дадим диагноз 21% здоровым

          • ilmarin77
            /#19156855

            это всё имеет смысл в контексте кросс-валидации ( leave-one-out) которую они проделали, поэтому и ступеньки такие большие.

  5. BalinTomsk
    /#19155701

    ---«Кто премьер-министр Японии?»

    Блин, не могу вспомнить, — а ведь знал же. Наверное началось.