Dźwięki jelitowe pomogą w diagnozie chorób układu pokarmowego

Dźwięki pochodzące z jelit są zjawiskiem wszechobecnym i odzwierciedlają aktywność naszego przewodu pokarmowego. Choć ich analogowa analiza jest trudna i niezwykle czasochłonna, to dzięki wykorzystaniu metod sztucznej inteligencji można je przetwarzać szybko i skutecznie. Dzięki temu stają się użytecznym narzędziem dla lekarzy do wspomagania diagnozy chorób układu pokarmowego, m.in zespołu jelita drażliwego.

Zespół prof. Roberta Nowaka z Zakładu Sztucznej Inteligencji Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej (WEITI) opracował innowacyjne rozwiązanie, które analizuje aktywność akustyczną przewodu pokarmowego w celu wspomagania nieinwazyjnej diagnozy chorób gastrologicznych. Badanie było wspólnym projektem specjalistów z PW oraz lekarzy z Uniwersytetu Medycznego im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu. Ci ostatni zajęli się gromadzeniem danych i testowaniem rozwiązania w warunkach klinicznych.

"Manualne wykrywanie dźwięków jelitowych przez lekarzy jest kosztowne i czasochłonne. Z tego powodu, dla celów medycznych, istotne jest opracowanie metody pozwalającej na automatyzację tej czynności” - zaznacza inż. Jakub Ficek, student prof. Nowaka, będący pierwszym autorem publikacji w czasopiśmie „Sensors”, omawiającej prace nad urządzeniem.

„Spośród prawie ośmiu miliardów ludzi obecnie zamieszkujących Ziemię prawie wszyscy emitują i słyszą odgłosy jelit” - piszą we wstępie tej publikacji naukowcy z PW. „Burczenie w brzuchu” jest zjawiskiem wszechobecnym. Dlatego już w starożytności próbowano je wykorzystać do rozpoznawania i leczenia różnych dolegliwości ze strony układu pokarmowego: od niedrożności jelit po biegunkę.

Od lat 60. ubiegłego wieku na całym świecie rozpoczęły się liczne projekty, których celem było opracowanie rozwiązań technicznych, które dałoby się wykorzystać do rejestrowania i analizowania tonów jelitowych. I choć kilka nich okazało się w miarę skutecznych, to jednak dalszy postęp był utrudniony ze względu brak standardowej metodologii do zastosowania w warunkach klinicznych oraz ogromną ilość danych do przetworzenia.

„Ponieważ dźwięki jelitowe są generowane przez skurcze jelita, to w naturalny sposób odzwierciedlają one jego aktywność motoryczną, która jest niezwykle trudna do bezpośredniej oceny” - podkreślają autorzy. Obecnie, aby ją zmierzyć, lekarze wykorzystuję dość inwazyjne i nieprzyjemne metody, np. kolonoskopię, podawanie pacjentowi znaczników izotopowych (doustnie lub doodbytniczo) itp.

Naukowcy uważają, że dźwięki jelitowe można porównać do tonów serca, gdyż tak jak one są ściśle powiązane z procesami życiowymi. Są też wydawane często (choć nie rytmicznie), mogą się zmieniać pod wpływem czynników wewnętrznych i zewnętrznych. Wcześniejsze badania pokazują ich naprawdę duży potencjał w nieinwazyjnej diagnostyce zespołu jelita drażliwego, w chirurgii oraz w badaniu motoryki przewodu pokarmowego.

„Kiedy pokarm w jelitach się przesuwa, to generuje dużą ilość cichych dźwięków. One są mocno zakłócone przez inne odgłosy, takie jak bicie serca, szumy generowane przez układ oddechowy czy przepływ krwi, ale jeśli odfiltrujemy te zakłócenia, możemy zmierzyć, ile dźwięków jelitowych mieści się w jednostce czasu - wyjaśnia prof. Robert Nowak, kierownik grupy badawczej. - Wynik w jakimś przedziale oznacza normę, natomiast każde odstępstwo sugeruje stan chorobowy, np. zespół jelita drażliwego”.

„To badanie całkowicie nieinwazyjne i niebolesne - dodaje. - Nagranie robi się w nocy, aby wyeliminować dźwięki z otoczenia, np. rozmowy, ocieranie się odzieży itp, oraz aby mieć odpowiednio długą próbkę do analizy. Mikrofon pacjent ma przyklejony do brzucha. Tą częścią badania zajmowali się koledzy z Uniwersytetu Medycznego w Poznaniu. Potem my zebrane dane analizowaliśmy”.

Naukowiec mówi, że do tej pory (mimo wielu prób) analiza, która mogłaby zostać wykorzystana w praktyce klinicznej, nie była jednak taka prosta. „Chociażby dlatego, że nikt nie może sobie pozwolić na siedzenie przy pacjencie przez całą noc, nasłuchując odgłosów z jego brzucha. A potrzeba naprawdę kilkugodzinnej próbki, aby badanie było miarodajne. Także wcześniejsze algorytmy nie dawały sobie rady z odpowiednim przetworzeniem tak ogromnej ilości danych” - opowiada.

„Dopiero teraz, gdy mamy odpowiednią moc obliczeniową komputerów oraz dysponujemy sztucznymi sieciami neuronowymi, możemy uzyskać wysoce dokładny wynik. A wynikiem jest ilość dźwięków na minutę oraz to, w jakich seriach dźwięki te występuję: czy są raczej pojedyncze i miarowe, czy grupują się i są przeplatane momentami ciszy” - mówi.

Jeśli chodzi o dokładność, to opracowany na PW algorytm osiągnął 97,7 proc. dokładności, 99 proc. swoistości i 77,3 proc. czułości przy zbiorze danych obejmującym 321 000 rekordów.

„Nasze rozwiązanie działa następująco: używamy algorytmów sztucznej inteligencji, które dobierają parametry na podstawie analizowanych danych. Na początku algorytm przetwarzania sygnałów usuwa zakłócenia za pomocą filtrów. Następnie nagranie dzielimy na ramki, odpowiednio krótkie, aby zawierały jeden dźwięk. W badanym przypadku ramka ma 20 ms długości, czyli w jednej sekundzie mieści się ich 50. Algorytm oparty o sztuczną sieć neuronową określa, czy w danej ramce jest dźwięk jelitowy, czy też nie. Na końcu komputer bada decyzje dla wszystkich ramek, porządkuje statystycznie i to jest nasz wynik. W takiej postaci przedstawiamy do lekarzowi” - tłumaczy Robert Nowak.

„To po prostu wsparcie diagnozy lekarskiej - dodaje. - Pomysłodawcą całego projektu jest dr n. med. Jan Nowak z Uniwersytetu Medycznego w Poznaniu. Potrzebował takiego rozwiązania, żeby usprawnić proces diagnozy”.

Profesor podkreśla, że w prace nad projektem zaangażowani byli studenci WEITI. Jeden z nich, wspomniany wyżej inż. Jakub Ficek, którego praca inżynierska była częścią omawianego badania, otrzymał za nią 1. miejsce w kategorii „Informatyka” w konkursie prac dyplomowych pod patronatem Polskiej Sekcji IEEE 2021. Inny autor tej pracy – mgr inż. Kacper Radzikowski jest doktorantem w WASEDA University w Japonii.

„Główną zaletą prezentowanego przez nas podejścia jest wysoka jakość pod względem dokładności, specyficzności i czułości - podsumowują autorzy rozwiązania. - Wykorzystywanie dźwięków jelit w diagnostyce to zagadnienie bardzo interesujące i warte dalszego badania”.

Źródło informacji: Nauka w Polsce