Будущее патоморфологии: цифровые технологии и искусственный интеллект в медицинской лаборатории26.10.2022 15:33

Мы поговорили с врачом-патологоанатомом, к.м.н. Артемом Борбатом, об истории и настоящем патологической анатомии, а также о прогнозах развития этой области медицины.

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.