تیم متخصصان هوش مصنوعی شرکت تحولات نوین یادمان (مارکوپکس) موفق به کسب مدال برنز مسابقات جهانی هوش مصنوعی Kaggle در رقابت تشخیص آمبولی ریه (Pulmonary embolism) از روی سی تی آنژیوگرافی (CTPA) شدند.

گاهی اوقات ممکن است بر اثر عواملی همچون استراحت طولانی در بستر (بدلیل هرنوع بیماری)، نشستن در یک حالت ثابت به مدت طولانی (برای نمونه در مسافرت با هواپیما)، جراحی گذشته، نارسایی احتقانی قلب، اختلالات ریتم قلب، پرخونی پلی سیتمی، کم خونی همولیتیک، شکستگی استخوان، چاقی، مصرف دخانیات، بارداری، مصرف قرص‌های ضد بارداری به ویژه در خانم‌های سیگاری، فشار خون بالا و … باعث لخته شدن خون در سیاهرگ‌های عمقی( خون در داخل رگ تجمع یافته و به خوبی جریان نداشته باشد) می شود. این لخته خونی که ابتدا در یکی از سیاهرگ‌های عمقی اندام تحتانی یا لگن شکل گرفته از راه جریان خون و با گذشتن از قلب به یکی از سرخرگ‌های خونرسان بافت شُش راه یافته و در آنجا مستقر می‌گردد. این پدیده سبب بسته شدن سرخرگ شده و بنابراین توانایی تنفسی کاهش می‌یابد و گاهی بافت ریه از میان می‌رود. در نهایت به وجود لخته خون یا گاهی چربی در یکی از سرخرگ‌های  ریوی ویا بافت شش‌ها آمبولی ریه گفته می‌شود. آمبولی ریوی هر ساله در اروپا ۴۳۰،۰۰۰ نفر را تحت تأثیر قرار می دهد. در ایالات متحده ، هر ساله بین ۳۰۰،۰۰۰ تا ۶۰۰،۰۰۰ مورد رخ می دهد که به ۶۰,۰۰۰ تا ۱۰۰,۰۰۰ مرگ منجر می شود. نرخ ها در مردان و زنان مشابه است و با افزایش سن افراد شایعتر می شوند. بدلیل اهمیت موضوع انجمن رادیولوژی آمریکا(RSNA) تصمیم گرفت با همکاری سایت Kaggle (که از زیر مجموعه های گوگل است و بالاترین سطح از رقابت های هوش مصنوعی در آن برگزار می شود) داده های بزرگ جمع آوری شده را به صورت یک رقابت در اختیار متخصصین علوم داده قرار دهد تا بهترین نتایج را بدست آورند. در بخش پایانی این مطلب به توضیح این رقابت خواهیم پرداخت.

لینک دسترسی به رقابت: https://www.kaggle.com/c/rsna-str-pulmonary-embolism-detection (به دلیل تحریم باید ip خود را تغییر دهید و بعد وارد شوید)

واژه های خلاصه شده در متن: آمبولی ریه = PE ،  سی تی اسکن آنژیوگرافی = CTPA

علائم بیماری

هر یک علائم زیر ممکن است بروز پیدا کند:

1. درد یا قرمزی در پاها
2.  تنگی نفس
3. تب
4. سینه درد
5. سرفه خونی
6. سبکی سر یا سرگیجه
7. ضربان قلب سریع یا نامنظم
8. پوست مرطوب یا بی‌رنگ (سیانوز)

حدود ۵۰ درصد از افراد مبتلا به آمبولی ریه هیچ علائمی را تجربه نکرده و ممکن است زمانی از بیماری خود آگاه شوند که دیگر دیر شده است. بسیاری از بیماری ها می توانند هیچ نشانه مشهودی نداشته باشند. فهرست علائم آمبولی ریه می تواند شبیه به یک حمله قلبی به نظر برسد. آمبولی ریه برای بیماران و پزشکان بسیار گیج کننده است. این شرایط می تواند همانند سوزش سردل، یک حمله قلبی، نارسایی قلبی، سینه پهلو، و بیماری های دیگر به نظر رسد. در شرایطی که تشخیص بیماری وظیفه شما نیست، اما باید در صورت مواجهه با این علائم به سرعت در پی دریافت کمک پزشکی باشید. بدون در نظر گرفتن دلیلی که در پس تنگی نفس یا سینه درد قرار دارد، باید به مشکل زمینه ای به سرعت رسیدگی شود.

تشخیص

همانطور که گفتیم تشخیص این بیماری سخت است و پزشکان از روش های زیر برای تشخیص استفاده می کنند:

1. آزمایش‌های خون
2. تصویربرداری با اشعه‌ی ایکس از قفسه‌ی سینه
3. سونوگرافی
4. سی‌تی‌اسکن
5. آنژیوگرافی ریه
6. ام‌آر‌آی

در رابطه با روش های بالا می توان گفت که CT اسکن می توان با تزریق ماده همراه باشد(CTPA) تا گرفتگی عروق بهتر نمایان شود و کمترین هزینه و خطر را نسبت به دقت آن ارائه می دهد. اما دقیق ترین روش استفاده از آنژیوگرافی ریه است که بسیار خطرناک است و ممکن است در شرایط خاص تجویز شود. از MRI نیز بخاطر هزینه بیشتر تنها در زمانی که خطر اشعه CT (معمولا برای زنان باردار) وجود دارد، استفاده می شود.

درمان

بهترین راه پیشگیری و داشتن تحرک است ولی در صورت وقوع می توان از روش های درمانی زیر بهره گرفت:

1. رقیق‌کننده‌های خون (داروهای ضدانعقاد)
2. داروهای حل‌کننده‌ی لخته (ترومبولیتیک‌ها)
3. برداشتن لخته
4. فیلتر رگ
5. عمل های جراحی

مسابقه Kaggle در رقابت تشخیص آمبولی ریه (Pulmonary embolism) از روی سی تی آنژیوگرافی(CTPA)

مسئله

همانطور که گفته شده است، هدف این رقابت تشخیص آمبولی ریه از روی سی تی آنژیوگرافی است. این تصویر CT با کمک ماده حاجب تزریقی باعث افزایش کنتراست رگ های خونی می شود. همچنین تحول زمانی در هنگام تصویربرداری در نظر گرفته می شود تا حرکت خون درون رگ ها واضح تر باشد و گرفتگی عروق مشخص شود. در صورت درنظرنگرفتن تحول زمانی هنگام تصویربرداری، تکان خوردن بیمار یا عوامل دیگر باعث ایجاد ابهام در تشخیص می شود. تصویر زیر یک برش محوری از  CTPA (یا CTPE) را در این سطح از بدنه ریه نشان می دهد. در بدنه ریه یک رگ خونی اصلی وجود دارد که از سمت راست قلب شما می آید تا خون را به ریه ها برساند. توجه داشته باشید که رگ های خونی چقدر روشن هستند(این به دلیل کنتراست داخل وریدی و گذر کردن خون است).

اما در تصویر زیر، می توانید متوجه شوید که “نقص پر کردن” در بدنه ریوی وجود دارد. برخلاف تصویر قبلی ، در رگ های خونی مناطقی وجود دارد که بیشتر خاکستری هستند. این شواهدی از آمبولی ریوی در رگ خونی است، زیرا لخته خون مانع از پر شدن کنتراست در تمام رگ می شود. این نوع PE در مجموعه داده های ما یک PE مرکزی است(در رگ خونی مرکزی ریه ها است).

توجه داشته باشید که PE می تواند در هر جای عروق ریه رخ دهد، که بسیار گسترده است و عروق همانند تصویر زیر شبیه شاخه های درخت است. با این حال ، یافته ای که ما به دنبال آن هستیم یکسان است. بیماران می توانند چندین PE در هر دو ریه داشته باشند: از این رو ، ما برچسب هایی برای PE راست ، چپ و مرکزی داریم ، اما اینها از یکدیگر جدا نیستند و ممکن است با هم رخ دهند.

 

برچسب‌های مسابقه

در این رقابت باید موارد زیر تشخیص داده شود:

1. وجود علائم PE در هر برش از تصویر CTPA شامل یک دسته می شود.
2. تشخیص عدم وجود PE در کل یک CTPA شامل یک دسته می شود.
3. حاد یا مزمن بودن PE شامل دو دسته می شود.
4. نسبت بطن راست به چپ شامل دو دسته بزرگتر و کوچکتر از نسبت یک می شود.
5. مبهم بودن تصویر شامل یک دسته می شود.
6. مکان وجود PE(چپ – مرکز – راست) ریه شامل سه دست می شود.

در مجموع باید برای ۱۰ دسته محتلف اعدادی را در بازه احتمال صفر تا یک پیشبینی کرد. همچنین نمودار زیر را رابطه با برچسب ها ببینید.

 

نکته در رابطه با مورد ۳: همه PE ها منجر به علائم نمی شوند. به طور کلی ، PE های حاد (با شروع ناگهانی) به احتمال زیاد علائم ایجاد می کنند، زیرا بدن شما وقت نکرده است تا با وجود لخته سازگار شود. یافته های تصویربرداری وجود دارد که می تواند PE های حاد را از مزمن تشخیص دهد، اما تشخیص این مسئله می تواند چالش برانگیز باشد.

نکته در رابطه با مورد ۴: در رابطه با نسبت بطن راست / بطن چپ بهتر است چند مورد را ذکر کنیم. قلب شما ۴ اتاق(جا یا حجره) دارد. محفظه های عضلانی که بیشتر پمپاژ را انجام می دهند به بطن معروف هستند. بطن راست شما خون را به ریه ها پمپ می کند. بطن چپ خون را به بقیه بدن خود پمپ می کند. (به یاد داشته باشید که همه چیز در رادیولوژی چرخانده می شود، بنابراین سمت راست بدن در سمت چپ قرار دارد و بالعکس.) این توپ غول پیکر که فقط در خارج از مرکز قرار دارد در تصویر زیر، قلب است. به طور معمول ، بطن چپ (پایین سمت راست) شما بزرگتر از بطن راست (سمت چپ بالا) است. دلیل آن این است که بطن چپ کار بسیار دشوارتری دارد: پمپاژ بدن در کل بدن در مقابل ریه ها. با این حال، داشتن PE می تواند فشار زیادی در سمت راست قلب شما ایجاد کند. به صورت بصری، این منطقی است اگر انسداد رگهای خونی در ریه ها دارید، سمت راست قلب شما باید تلاش بیشتری کند تا خون را از طریق انسداد پمپاژ کند. گاهی اوقات، ما می توانیم شواهد این موضوع را در CT ببینیم. ما این فشار قلبی را کشیدگی راست قلب می نامیم. این نشان دهنده PE شدیدتر است زیرا لخته خون سمت راست قلب شما را مجبور به کار بیشتر می کند و باعث می شود که خون در بطن راست جمع آوری شود. می توانیم نسبت قطرهای بطن راست به بطن چپ را اندازه گیری کنیم تا ببینیم آیا این بالا است. نسبت زیاد، فشار روی سمت راست قلبی را نشان می دهد و اگر نسبت گفته شده بیشتر از یک باشد، بیمار با وضعیت بدی رو به رو است!

 

همچنین در تصویر قسمت فوقانی سمت چپ (بطن راست) بسیار بزرگتر از قسمت پایین سمت راست (بطن چپ) است. این بیمار دارای PE شدید است که باعث فشار شدید روی راست قلب می شود.

 

به دلیل اهمیت آن به عنوان یک شاخص پیش آگهی ، تشخیص نسبت RV / LV> 1 در این رقابت بیشترین وزن و اهمیت را در بین تمام گروه های دیگر دارد. لطفا توجه داشته باشید که این یک تصویر سه بعدی است. روش مناسب برای محاسبه نسبت RV / LV یافتن حداکثر قطر در تمام برش ها است. حداکثر قطر بطن معمولاً در برشهای مختلف معمولا در نظر گرفته می شود.

داده‌های مسابقه Kaggle

در این رقابت داده ها شامل ۳ دست می شود:

1. داده های آموزش: مربوط به ۷۲۷۹ فرد مورد مطالعه است و بیش از ۱,۷۰۰,۰۰۰ برش تصویر را شامل می شود و ۹۱۹ گیگابایت حجم دارد!
2. داده های ارزیابی عمومی: مربوط به ۶۵۰ فرد مورد مطالعه و بدون برچسب است و حدود ۷۰ گیگابایت حجم دارد.
3. داده های ارزیابی خصوصی: مربوط به ۸۶۷ بیمار است و ۱۶۰ گیگابایت حجم دارد و حتی تصاویر خام آن نیز در دسترس نیست.

تعداد تیم (فرد) شرکت کننده در رقابت Kaggle و نحوه ارزیابی

در این رقابت ۹۸۴ تیم(حدود ۱۰۰۰ نفر) شرکت کردند و در نهایت تیم مارکوپکس به رتبه ۹۵ در بخش رتبه بندی عمومی (در تصویر زیر ببینید) و مدال برنز دست پیدا کرد که با توجه به اولین تجربه و نبود امکانات سخت افزاری مشابه تیم های خارجی موفقیت خوبی محسوب می شود. همانطور که در تصویر زیر می بینید فاصله افراد بسیار کم و رقابت بسیار نزدیک بود. رقابت Kaggle شامل دو رده بندی عمومی (روی داده های ارزیابی عمومی + خصوصی که شامل ۱۵۱۷ نمونه CTPA می شود) و رده بندی خصوصی( که فقط شامل ۸۶۷ نمونه خصوصی می شود) برگزار شد.

 

به ۱۰ تیم برتر این مسابقه ۳۰ هزار دلار جایزه اهدا شد و نفر اول مسابقه فردی بنام Guanshuo Xu است که در رده بندی کلی Kaggle نیز(در مجموعه تمام مسابقات برگزار شده) نفر اول نفر اول است!

 

جمع بندی

در این مطلب سعی کردیم آمبولی ریه را توضیح داده و یک رقابت در این زمینه ( Kaggle ) را که با موفقیت گروه هوش مصنوعی مارکوپکس همراه بود، مورد بحث قرار دهیم. در آینده سعی خواهیم کرد به صورت تخصصی در رابطه با مدل های هوش مصنوعی مورد کاربرد در تشخیص از روی CT بحث کنیم.