Искусственный интеллект в отоларингологии

Искусственный интеллект (ИИ) стал одной из самых динамично развивающихся областей инноваций в медицине. Он помогает врачам выявлять закономерности в огромных массивах данных, уточнять диагнозы, разрабатывать более индивидуализированные планы лечения и повышать безопасность хирургических вмешательств. От радиологии до онкологии и хирургии ИИ меняет подход к пониманию и лечению заболеваний — зачастую незаметно, на втором плане, но с ощутимой пользой для пациентов. Особенно интересно то, насколько широко эти технологии проникли в оториноларингологию, где они выводят диагностику, навигацию и точность хирургических вмешательств на новый уровень.

По этому поводу редакция Leading Medicine Guide смогла поговорить со специалистом в области отоларингологии профессором д-ром мед. наук Марко Доменико Каверсаччо.

Авторские права: «Джанни Паучиелло, ЛОР-клиника Inselspital»

Технологии ИИ используются прежде всего в научных исследованиях, при обработке текстов и для выполнения аналогичных задач. ИИ уже давно стал бизнесом, а не экспериментом, и крупные поставщики к настоящему времени получают от этого значительную прибыль. В то же время границы между искусственным интеллектом, реальностью и виртуальным контентом всё больше стираются.

«Несмотря на все возможности, работа с ИИ по-прежнему остается сложной задачей. Нельзя слепо полагаться на него, ведь в нём отсутствует личностный подход. В ходе непосредственного разговора возникают иные точки зрения, нюансы, уточняющие вопросы — то, что машины не могут заменить. Кроме того, в Интернете циркулирует много ерунды, что делает критический подход к информации ещё более важным. Интересно, как изменились прежние прогнозы. Примерно двадцать лет назад утверждалось, что радиология будет в значительной степени автоматизирована за счет ИИ. На самом деле в США число радиологов выросло на четыре процента. Там ИИ скорее создал новые сферы деятельности, чем заменил рабочие места. Тем не менее технические разработки по-прежнему остаются увлекательными, особенно в медицинской сфере. В отоларингологии также возникает вопрос о том, как ИИ сможет помочь в будущем — например, в более раннем или точном выявлении опухолей в области головы и шеи посредством распознавания образов в визуализации или патологии. «Первые подходы уже существуют, и научные исследования в этом направлении продолжаются интенсивными темпами», — отмечает проф. д-р Каверсаччо в начале нашего разговора.

ИИ может обеспечить более раннее и точное выявление опухолей в области головы и шеи, поскольку на нескольких этапах диагностического процесса он обладает возможностями, которые значительно превосходят то, на что способен человеческий глаз или традиционные методы анализа. В визуализации модели ИИ анализируют снимки КТ, МРТ или ПЭТ не только поверхностно, но и математически, точка за точкой. 

«В этих данных заключен огромный потенциал для цифровых биопсий и распознавания образов, которые год от года совершенствуются. Цель состоит в том, чтобы связать радиологическую информацию с патологическими данными для более раннего и точного выявления опухолей. Если бы поверхностные или мелкие опухоли можно было бы надежно идентифицировать с помощью визуализации, то в будущем инвазивные процедуры, такие как панендоскопия, могли бы потребоваться реже. Пока это не стало реальностью, но различные исследовательские группы — например, в Вюрцбурге или Гейдельберге — интенсивно работают над объединением радиомики, патомики и анализа больших данных. Идея здесь ясна: чем больше данных видит система, тем лучше она может распознавать закономерности. Подобно крупным платформам данных, модели искусственного интеллекта обучаются с каждым новым исследованием. Тем не менее практическая реализация пока находится на начальном этапе. Многие концепции впечатляют с технической точки зрения, но переход к широкому клиническому применению сопряжен со сложностями. Опухоли сильно отличаются друг от друга, что затрудняет разработку универсальных моделей. В некоторых областях, таких как планирование и настройка кохлеарных имплантатов, уже достигнут больший прогресс — там диагностические данные и интраоперационные стратегии уже сегодня можно теснее увязывать», — поясняет проф. д-р Каверсаччо.

---

Радиомика, патомика и анализ больших данных олицетворяют новый подход в современной медицине: они преобразуют данные визуализации и ткани в высокоточную, поддающуюся анализу информацию. Радиомика извлекает тысячи характеристик из снимков КТ, МРТ или ПЭТ и выявляет закономерности, позволяющие сделать выводы о биологии опухоли, степени её агрессивности или ответе на лечение. Патомика работает по тому же принципу, но на основе оцифрованных образцов тканей, в которых искусственный интеллект распознает мельчайшие клеточные структуры и изменения. Анализ больших данных связывает эту информацию с генетическими данными, лабораторными показателями и клиническим течением заболевания. Таким образом формируется всеобъемлющая картина данных, которая повышает точность диагностики, позволяет планировать лечение с учетом индивидуальных особенностей и в долгосрочной перспективе способствует предотвращению ненужных хирургических вмешательств.

---

ИИ коренным образом меняет предоперационное планирование в ЛОР-хирургии, поскольку способен извлекать из сложных изображений гораздо больше информации, чем это возможно при исключительно человеческой интерпретации.

Авторские права: «Джанни Паучиелло, ЛОР-клиника Inselspital»

При операциях на основании черепа или в среднем ухе, где миллиметр решает вопрос безопасности и сохранения функций, ИИ анализирует рентгенологические снимки настолько точно, что становятся видимыми даже мельчайшие анатомические вариации, зоны риска или потенциальные сужения. В результате создаются виртуальные модели, которые точно отображают индивидуальное расположение нервов, сосудов или воздушных полостей и делают планирование значительно более надежным. Особенно в среднем ухе, где слуховые косточки, лицевой нерв и внутреннее ухо расположены чрезвычайно близко друг к другу, это значительно повышает безопасность операции.

По этому поводу профессор д-р Каверсаччо поясняет: «Сегодня в хирургическом планировании используются различные цифровые методы, основанные, прежде всего, на точной сегментации. С их помощью можно детально отобразить такие структуры, как вестибулярный нерв, лицевой нерв или слуховой нерв — частично в полуавтоматическом, частично в полностью автоматическом режиме, в зависимости от системы. Эта информация может либо учитываться в голове при разработке стратегии операции, либо напрямую вводиться в навигационную систему. Во время операции можно с точностью до миллиметра определить, насколько близко находится хирург к чувствительным структурам. Условием для этого являются высокоточные навигационные системы, поскольку, как только хирург выходит за пределы кости и попадает в подвижные области, такие как ликворная полость, точность снижается примерно до двух миллиметров — фактор, который необходимо всегда учитывать. Такие методы навигации и сегментации регулярно используются в повседневной клинической практике, часто в тесном сотрудничестве с нейрохирургией. Кроме того, существуют и другие вспомогательные средства, такие как модели быстрого прототипирования, которые позволяют визуализировать сложные ситуации в области основания черепа в трехмерном пространстве и помогают выбрать оптимальный путь доступа. Несмотря на то что эти модели не относятся к искусственному интеллекту, они значительно облегчают пространственную ориентацию. Параллельно с этим продолжают развиваться цифровые концепции, такие как симуляции, виртуальные системы обучения или так называемые «цифровые двойники». Они позволяют заранее планировать хирургические пути, выделять риски или более точно управлять роботизированными системами. В будущем технологии дополненной реальности смогут отображать дополнительную информацию непосредственно в поле зрения хирурга — аналогично тому, как это происходит в современных кабинах пилотов. Растущая цифровизация операционной среды приводит к появлению всё большего объёма доступных данных, которые необходимо грамотно интегрировать: визуализация, навигация, физиологические показатели или наложения дополненной реальности. Несмотря на все эти разработки, остается очевидным: ответственность всегда лежит на хирурге. Цифровые системы могут оказывать поддержку, визуализировать и предупреждать — но они не заменяют операционный опыт, понимание анатомии и принятие ситуативных решений в операционной».

Для многих хирургов растущая технизация в операционной действительно может стать чрезмерной нагрузкой. Особенно старшее поколение в значительной степени сформировано принципом «обучения в процессе работы» — с помощью анатомических препаратов, практического опыта и интуитивного пространственного восприятия. Цифровые системы, симуляторы и инструменты на базе искусственного интеллекта коренным образом меняют этот мир. Тем не менее ясно одно: качественная хирургия по-прежнему основана на знании анатомии, пространственном воображении и точности мелкой моторики. Некоторые люди обладают развитым трехмерным восприятием и высокой тактильной чувствительностью — способностями, которые не может заменить даже самая современная техника.

«Сегодня навигационные системы помогают при выполнении многих операций, но остаются пассивными инструментами. Они отображают положения, подобно автомобильному навигатору, однако не берут на себя активное управление. Следующим шагом стали бы системы с сенсорными приводами, которые распознают ткани, измеряют силы и дают обратную связь — однако эта технология пока находится в зачаточном состоянии. Параллельно с этим развиваются решения на основе дополненной реальности, интраоперационная визуализация и цифровые интерфейсы, которые предоставляют все больше информации в операционной. Задача состоит в том, чтобы разумно интегрировать эти данные, не перегружая хирурга. В то же время зависимость от техники таит в себе риски. Как и при вождении автомобиля, когда многие люди без навигатора едва ли могут сориентироваться, так и в медицине собственная компетентность может атрофироваться, если слишком полагаться на устройства. Поэтому базовая хирургическая подготовка по-прежнему остается важной: знания анатомии, практические занятия на моделях или препаратах и освоение ручных навыков по-прежнему составляют основу. Хотя молодое поколение, конечно, растет в цифровом мире, это не заменяет необходимости тренировать собственный мозг и уметь принимать самостоятельные решения. Системы ИИ могут распознавать закономерности, сравнивать данные и оказывать поддержку — но они редко создают что-то новое. Эмоциональный интеллект, интуиция и творческое решение проблем остаются сильными сторонами человека. Это проявляется и в таких областях, как исследование тиннитуса, где модели машинного обучения, несмотря на многолетнюю работу, едва ли могут извлечь надёжные закономерности из данных ЭЭГ, поскольку индивидуальные ощущения настолько различаются. В то же время существуют области, в которых цифровая поддержка уже сегодня позволяет добиться значительного прогресса: например, в сфере кохлеарных имплантатов, где диагностика, интраоперационные измерения и послеоперационные стратегии подбора могут всё более точно согласовываться друг с другом. Именно здесь рождается настоящая персонализированная медицина. В целом цифровые системы, искусственный интеллект и робототехника служат ценными дополнениями — в качестве поддержки, а не замены. Ответственность по-прежнему лежит на хирурге, который принимает решения, интерпретирует результаты и действует», — говорит проф. д-р Каверсаччо и добавляет:

«Благодаря современным методам измерения, таким как импедансный анализ (метод измерения, позволяющий определять электрическое сопротивление тканей или электродов) и измерение нейронного отклика (методы, позволяющие проверить, реагирует ли слуховой нерв на электрические раздражители), при имплантации кохлеарных имплантатов уже во время операции можно оценить, какой уровень слуха может быть достигнут впоследствии. Улитка имеет тонотопическую структуру, что облегчает сопоставление частот — от низких 125 герц до 8 килогерц. Эта структура позволяет на основе интраоперационных данных получить ранние указания на будущую функцию. Вопрос о том, приводит ли ИИ в целом к уменьшению числа осложнений, в значительной степени зависит от конкретной области применения. В некоторых областях уже имеются исследования, показывающие, что распознавание образов с помощью ИИ может помочь уточнить диагнозы или избежать ненужных вмешательств. Например, при хроническом риносинусите рентгенологические картины в будущем могут давать указания на определенные причины, такие как муковисцидоз, и тем самым сокращать диагностический путь. ИИ может тогда помочь определить, нужна ли биопсия, какая терапия представляется целесообразной или можно ли избежать операции. Такие системы способны на основе больших массивов данных формулировать рекомендации — например, какие лекарства целесообразно назначать или какая стратегия лечения обещает наибольшую пользу. Таким образом, создается дополнительная основа для принятия решений, которая может поддержать повседневную клиническую практику, не заменяя при этом ответственности врача».

Навигационные системы на базе ИИ обеспечивают значительную дополнительную пользу во время эндоскопических операций на околоносовых пазухах, поскольку они не только отображают статические изображения, но и активно интерпретируют их, сопоставляя в режиме реального времени с индивидуальной анатомией пациента. 

«Практическое обучение работе с современным хирургическим оборудованием традиционно начинается с анатомических препаратов и моделей. Для таких вмешательств, как операции на околоносовых пазухах, доступны специальные тренировочные системы, например модель FACON или анатомические препары, предписанные FMH (Foederatio Medicorum Helveticorum, Профессиональная ассоциация швейцарских врачей). Только после уверенного овладения этими основами следует постепенный переход в операционную. Навигационные системы являются там стандартом уже более двадцати лет, однако они требуют технического понимания: точность необходимо регулярно проверять, и нужно уметь оценивать, надежно ли работает система. С накоплением опыта появляются дополнительные цифровые инструменты — например, 3D-визуализация, маркировка опухолей или критически важных структур, таких как зрительный нерв, а также функции, подобные «Navigator-Control», которые обеспечивают защиту определённых областей. Такого уровня, как правило, достигают только через три–четыре года. При лечении сложных опухолей, особенно в области основания черепа, совместно работают специалисты нескольких направлений, например нейрохирургии или челюстно-лицевой хирургии. И здесь цифровое планирование играет важную роль: при реконструкции нижней челюсти необходимая костная структура — часто малоберцовая кость — заранее измеряется в цифровом формате, планируется и впоследствии точно подгоняется во время операции. Такие средства планирования и навигации облегчают ориентацию и повышают точность, но применяются не у каждого пациента. Некоторые методы, такие как цифровое планирование трансплантатов малоберцовой кости, оплачиваются медицинскими страховыми компаниями и благодаря этому получили широкое распространение. Другие технологии используются только в сложных случаях. Однако в целом ясно видно, что визуализация, моделирование и средства цифрового планирования приобретают всё большее значение и целесообразно дополняют хирургическую работу», — поясняет проф. д-р Каверсаччо.

---

ИИ может создавать точные 3D-модели на основе данных КТ и МРТ, выделять анатомические вариации и автоматически подчеркивать зоны риска. Благодаря этому ориентация в операционной становится значительно более интуитивной и безопасной. Во время операции система распознает малейшие отклонения от запланированной траектории инструмента и заблаговременно предупреждает о критических участках, что снижает риск осложнений. В то же время ИИ, анализируя большие объемы данных, учится предсказывать типичные зоны опасности и динамически адаптирует навигационную модель к изменениям, таким как кровотечения или отеки слизистой оболочки — преимущество, которого не дают классические статические наборы изображений.

---

ИИ может выявлять интраоперационные риски в отоларингологической хирургии значительно раньше и точнее, поскольку в ходе операции он непрерывно анализирует множество источников данных и на их основе выявляет признаки потенциальных опасностей, которые человеческим глазом часто можно обнаружить только позже.

Авторские права: «Джанни Паучиелло, ЛОР-клиника Inselspital»

При операциях на основании черепа или в непосредственной близости от чувствительных структур, таких как лицевой нерв, улиточного нерва или внутренней сонной артерии, ИИ в режиме реального времени сравнивает текущее положение инструмента с 3D-моделью, созданной до операции, и обнаруживает даже минимальные отклонения от запланированной траектории. Как только инструмент приближается к критической структуре, система может выдать предупреждение ещё до того, как она появится на эндоскопическом изображении. В то же время ИИ способна автоматически идентифицировать анатомические ориентиры во время операции — даже если кровотечение, отек слизистой оболочки или смещение тканей затрудняют ориентацию.

«Вопрос о том, может ли ИИ действительно предотвращать осложнения, пока остаётся открытым. В некоторых областях цифровые методы уже помогают лучше оценивать риски — например, благодаря автоматической или полуавтоматической сегментации, которая позволяет визуализировать нервы, сосуды или другие чувствительные структуры. Эти визуализации помогают в планировании и облегчают ориентацию в операционной, но не заменяют хирургический опыт. Подобно тому, как в пластической хирургии, где предоперационные фотографии используются для визуализации возможных результатов, модели на основе ИИ также могут давать прогнозы. Однако, как и в случае ринопластики, реальность остается сложной: мягкие ткани, мимика и индивидуальные процессы заживления предсказать полностью невозможно. Планирование может быть верным на 70 или 80 процентов — абсолютной точности достичь практически невозможно. Кроме того, ИИ может способствовать периоперационному ведению пациентов, например, при выборе подходящих лекарственных средств или оценке рисков. В будущем такие системы могли бы давать рекомендации на основе сопоставимых случаев и больших массивов данных. Однако многие из этих подходов пока находятся на стадии «доказательства концепции» (Proof of Concept). Решающим препятствием является их преобразование в сертифицированные медицинские изделия. Регуляторные требования высоки: перед получением разрешения системы должны продемонстрировать очень высокую чувствительность и специфичность. Ситуация становится особенно сложной, когда ИИ сочетается с робототехникой — здесь действуют строгие правила MDR для устройств класса III. Для таких применений часто отсутствуют большие наборы данных, необходимые для получения разрешения. Поэтому многие прототипы на базе ИИ остаются в сфере исследований, а лишь немногие находят применение в повседневной клинической практике. В то же время широко распространены доступные цифровые инструменты, симуляторы или обучающие приложения, поскольку они не сталкиваются с высокими нормативными барьерами. Однако настоящие системы на базе ИИ, которые влияют на хирургические решения или управляют этапами операции, по-прежнему остаются редкостью. Технология стремительно развивается, но путь к практическому применению сложен — особенно в таких высокочувствительных областях, как хирургия основания черепа, где максимальная точность является обязательным условием», — отмечает проф. д-р Каверсаччо.

---

Чтобы системы на основе ИИ в отоларингологии не привели к чрезмерной зависимости, с самого начала должно быть четко определено, какую роль они играют в повседневной клинической практике: поддержка — да, полномочия по принятию решений — нет. Ключевым моментом является прозрачность как с технической, так и с содержательной точки зрения.

---

ИИ играет всё более важную роль в имплантации кохлеарных аппаратов, поскольку улучшает как техническую точность операции, так и индивидуальный прогноз слуха.

Авторские права: «Джанни Паучиелло, ЛОР-клиника Inselspital»

«В сфере слуховых аппаратов ИИ уже сегодня играет заметную роль. Современные системы могут целенаправленно отфильтровывать фоновые шумы, выделять речевые сигналы и с помощью нейронных сетей создавать индивидуальные звуковые профили. Устройства адаптируются к высоте звука, окружающей среде и личным предпочтениям в слуховом восприятии — от усиления определенных частот до оптимизации восприятия музыки или речи. Разработки стремительно продвигаются, и отрасль интенсивно работает над тем, чтобы сделать слуховые аппараты и речевые процессоры всё более персонализированными. Поскольку эта технология является неинвазивной, она сравнительно быстро поступает на рынок и обеспечивает многим людям значительное улучшение качества жизни. В то же время остаются нерешённые проблемы, например, при односторонней глухоте или в области исследований тиннитуса. Тиннитус имеет крайне индивидуальный характер, что затрудняет разработку надёжных решений на основе искусственного интеллекта. При односторонней глухоте сегодня часто используются кроссоверные системы или кохлеарные имплантаты, при условии наличия необходимых предпосылок. Однако и здесь видно: идей много, проводится множество исследований — но их реализация сопряжена со сложностями. Особо активная область исследований касается голоса. Голосовые складки и фонетика дают ценные указания, например, на диабет, нейродегенеративные заболевания или ранние опухолевые изменения. Благодаря стробоскопии, видеоанализу и распознаванию образов с помощью ИИ появляются новые диагностические возможности, которые в настоящее время интенсивно изучаются. Сочетание методов визуализации, акустических данных и анализа с помощью ИИ открывает захватывающие перспективы. Параллельно с этим развиваются и другие технологии, такие как слияние данных КТ и МРТ, геномика и патомика. Робототехника также остается важной темой — однако решающий шаг пока не сделан: искусственный интеллект, который самостоятельно предлагает оптимальный хирургический подход, оценивает риски и надежно предотвращает осложнения. В медицине это гораздо сложнее, чем в промышленных приложениях, поскольку каждое вмешательство на человеке сопряжено с индивидуальными переменными», — подчеркивает проф. д-р Каверсаччо и в заключение нашего разговора отмечает:

«Поэтому робототехнические системы по-прежнему служат в качестве помощников, а не автономных исполнителей. Они оказывают поддержку, снижают риски и повышают точность, но не выполняют операции полностью. Ответственность лежит на человеке. В то же время растущая цифровизация меняет повседневную работу: информационные системы, стандартные процессы и программные решения всё в большей степени определяют, как функционируют рабочие процессы. Это во многом облегчает работу, но также приводит к тому, что люди вынуждены приспосабливаться к логике систем. В мире, который становится всё более стандартизированным, растёт опасность того, что мы сами в какой-то степени станем «более роботизированными». Тем не менее ясно одно: в медицине в центре внимания находится человек — как пациент, так и как лицо, принимающее решения в операционной. Техника может оказывать поддержку, структурировать и повышать точность, но она не заменяет опыт, интуицию и ответственность хирурга».

Большое спасибо, профессор д-р Каверсаччо, за эти познавательные сведения об ИИ в области отоларингологии!