Sztuczna inteligencja w echokardiografii

Echokardiografia jest powszechnym i niezbędnym narzędziem w diagnostyce chorób układu krążenia. Za pomocą ultradźwięków technika ta pozwala na nieinwazyjną ocenę czynności serca, w tym funkcji skurczowej, rozkurczowej, kwantyfikację komór serca oraz diagnostykę i kwantyfikację nieprawidłowości zastawkowych. Wykorzystanie echokardiografii wzrasta każdego roku; w samej populacji Medicare wykonano ponad 7 milionów echokardiogramów. Choroby sercowo-naczyniowe pozostają główną przyczyną zgonów na całym świecie, a umożliwienie powszechnego stosowania echokardiografii może skutkować wcześniejszym rozpoznaniem i leczeniem chorób układu krążenia oraz potencjalnym zmniejszeniem dysproporcji w opiece zdrowotnej.

Procedura echokardiogramu wymaga najpierw akwizycji obrazu, a następnie analizy i interpretacji obrazu. Akwizycja obrazu jest tradycyjnie wykonywana przez ultrasonografów serca (techników) lub lekarzy. Przeglądu i interpretacji obrazu dokonują lekarze specjaliści, najczęściej kardiolodzy lub radiologowie. Historycznie każdy etap tego procesu wymaga wysokiego poziomu wyszkolenia i specjalistycznego sprzętu, co ogranicza jego użycie na obszarach o niedostatecznych zasobach. Jednak biorąc pod uwagę wysoki poziom umiejętności wymaganych do obsługi tego sprzętu, nadal istnieje zapotrzebowanie na dodatkowe technologie pomagające w akwizycji i interpretacji obrazowania. Jednak wraz z ulepszeniem technologii ultrasonograficznej koszty i rozmiar sprzętu spadły, a stosowanie ultrasonografii przyłóżkowej do kierowania podejmowaniem decyzji klinicznych stało się coraz bardziej powszechne. To przyłóżkowe USG koncentruje się na konkretnych pytaniach, takich jak diagnoza wysięku opłucnowego lub osierdziowego, i może być łatwo nauczane przez osoby niebędące ekspertami.

Jednym z potencjalnych narzędzi do przezwyciężenia tych ograniczeń jest sztuczna inteligencja (AI). Sztuczna inteligencja to wykorzystanie programów komputerowych do naśladowania funkcji poznawczych ludzkiego umysłu w celu uczenia się i rozwiązywania problemów. Echokardiologia to szczególnie dojrzała dziedzina, która może skorzystać na wykorzystaniu sztucznej inteligencji. Ze względu na różnice anatomiczne i dynamiczne sytuacje kliniczne proces akwizycji i analizy obrazu może się znacznie różnić w zależności od pacjenta. Chociaż proste algorytmy komputerowe nie uwzględniają tych różnic, sztuczna inteligencja może pozwolić na akwizycję i analizę obrazu wspomaganą maszynowo. W ciągu ostatnich kilku lat pojawiło się wiele badań dotyczących wspomaganej komputerowo analizy echokardiografii. Zastosowanie tej technologii może przyspieszyć akwizycję obrazów echokardiograficznych, zmniejszyć ilość szkolenia potrzebnego do akwizycji i analizy obrazów, poprawić jakość diagnostyki i zmniejszyć zmienność między obserwatorami w analizie obrazów echokardiograficznych.

Dzięki integracji akwizycji i analizy obrazu wspomaganej sztuczną inteligencją z technologią ultrasonograficzną, minimalnie przeszkoleni operatorzy w obszarach o niedostatecznym dostępie do usług mogą być w stanie używać echokardiografii do dokładnego diagnozowania chorób sercowo-naczyniowych.

Badanie to będzie nadzorowane przez Laboratorium Echokardiografii i Program Rezydencji z Chorób Wewnętrznych na Wydziale Medycyny Centrum Medycznego Uniwersytetu Prezbiteriańskiego Uniwersytetu Columbia w Nowym Jorku. Badanie zostanie przeprowadzone na stacjonarnym oddziale kardiologii stacjonarnej, który mieści się głównie na oddziale Milstein Hospital 5 Garden South. Głównymi podmiotami badania są rezydenci medyczni Oddziału Lekarskiego, którzy rotują w oddziałach kardiologii stacjonarnej.

Podczas tego badania rezydenci przejdą szkolenie wprowadzające ich w podstawowe pojęcia dotyczące echokardiografii i korzystania z systemu ultrasonograficznego Bay Labs echocardiology AI lub standardowego systemu echokardiograficznego (natywnego aparatu echokardiograficznego Terasona). W tym protokole obrazy echokardiograficzne, które uzyskają za pomocą tych narzędzi, będą nazywane „echokardiogramem badawczym”. Kontrastuje to z „formalnym echokardiogramem”, który jest wykonywany przez ultrasonografów serca, kardiologów lub kardiologów i analizowany przez kardiologów specjalizujących się w echokardiografii. Rezydenci medyczni będą używać systemu Bay Labs lub natywnego systemu Terason do wykonywania echokardiogramów u pacjentów przyjmowanych do zespołów oddziałów kardiologii, którzy przeszli lub mają zostać poddani formalnemu badaniu echokardiograficznemu w ciągu 1 dnia od badania echokardiograficznego. Wyraźne cele tego projektu to (1) ustalenie, czy początkujący rezydenci medyczni mogą akwizyować i interpretować obrazy echokardiograficzne oraz (2) czy korzystanie z systemu Bay Labs pomaga w edukacji w porównaniu ze standardowym systemem. Echokardiogram firmy Bay Labs, który jest wykonywany w ramach tego badania, nie został zatwierdzony przez FDA jako pomoc w podejmowaniu decyzji klinicznych, a zatem wyniki badania echokardiogramów nie będą wykorzystywane do zmiany postępowania klinicznego.

Na stacjonarnych oddziałach kardiologicznych działają łącznie 4 zespoły rezydentów kardiologii, a zespoły są oznaczane systemem literowym: A, B, C i D. Każdy z tych zespołów składa się z rezydenta pierwszego roku i trzeciego roczny rezydent medyczny. Drużyny A i C tworzą jedną diadę drużynową, a drużyny B i D tworzą drugą diadę drużynową. Zespoły są obsługiwane w nocy przez oddzielny zespół rezydentów medycznych. Każda diada jest nadzorowana przede wszystkim przez parę kardiologów, którzy nadzorują opiekę nad pacjentami kardiologicznymi. Oprócz dyżurów kardiologicznych zespoły mogą zajmować się pacjentami pozostającymi pod opieką kardiologów niewydolności serca lub innych prywatnych kardiologów. Każdy zespół może przewozić łącznie 10 pacjentów. Struktura przyjęć zespołów pozwala na przyjęcie 7 nowych pacjentów do usług oddziału kardiologii w ciągu 24 godzin. W ciągu dnia 3 pacjentów może być przyjętych do zespołu długiego wezwania i 1 pacjent do zespołu krótkiego wezwania. W nocy do zespołu nocnego (długiego wezwania) może być przyjętych 3 pacjentów.

Przed rozpoczęciem badania zostanie utworzony harmonogram, w którym każdy 4-tygodniowy blok rotacyjny oddziału kardiologii stacjonarnej zostanie przydzielony do korzystania z technologii Bay Labs lub natywnego systemu Terason. Na początku rotacji oddziałów kardiologicznych rezydenci medyczni zostaną poproszeni o wyrażenie zgody na udział w badaniu. Rezydenci, którzy wyrażą zgodę na badanie, zostaną poddani badaniu wstępnemu, w którym zostaną zapytani o komfort wykonania i interpretacji echokardiografii. Następnie przejdą szkolenie wprowadzające ich w podstawy echokardiografii, protokół badania oraz działanie systemu echokardiograficznego Bay Labs lub natywnego systemu echokardiograficznego Terasona. Po odbyciu tego szkolenia będą mogli rozpocząć wykonywanie echokardiogramów w gabinecie.

Każdego ranka każdy rezydent medyczny będzie mógł wyznaczyć od 1 do 3 swoich podopiecznych do wykonania badania echokardiograficznego. Kryteria włączenia i wyłączenia są wymienione w protokole. Badacz lub asystent naukowy skontaktuje się z pacjentami w celu wyrażenia zgody na badanie. Uczestnicy zostaną następnie poddani echokardiogramowi wykonanemu przez rezydentów medycznych, a obrazy zostaną zapisane do późniejszej analizy. Po każdym echokardiogramie rezydenci wypełnią krótki formularz dokumentujący echokardiogram. Pytania w tym formularzu będą obejmować dane demograficzne, cechy kliniczne, aspekty techniczne dotyczące testu (takie jak możliwość uzyskania konkretnych opinii) oraz podstawowe pytania dotyczące ocenianej przez operatora funkcji serca obserwowanej podczas testu.

Na koniec rotacji uczestniczący pensjonariusze wykonają posttest dotyczący ich komfortu z wykonaniem i interpretacją echokardiografii. Będą mieli możliwość wyrażenia opinii na temat badania. Rezydenci medyczni otrzymają informacje zwrotne na temat swoich echokardiogramów w trakcie i po okresie studiów, aby pomóc w nauce.

Po zakończeniu okresu badania dane zostaną poddane analizie. Wyniki z pre-testu i post-testu zostaną przeanalizowane w celu ustalenia, czy rezydenci medyczni poprawili swoją wiedzę na temat echokardiografii podczas rotacji. Echokardiogramy zostaną przeanalizowane i porównane z formalnymi echokardiogramami przez badaczy badania i uczestniczących echokardiografów w celu określenia, czy można uzyskać wyznaczone widoki obrazu, czas potrzebny do uzyskania obrazów oraz jakość obrazów w porównaniu z formalnym echokardiogramem. Porównana zostanie funkcja skurczowa lewej komory obserwowana wizualnie przez rezydentów medycznych podczas badania echokardiograficznego, autoEF obliczony przez oprogramowanie Bay Labs u tych pacjentów w tych grupach oraz frakcja wyrzutowa lewej komory z formalnego echokardiogramu.

To badanie stanowi nie więcej niż minimalne ryzyko dla włączonych pacjentów. Samo badanie (echokardiogram przezklatkowy) jest nieinwazyjne i nie wiąże się z narażeniem na promieniowanie. Ponadto zespoły medyczne będą miały zakaz podejmowania decyzji klinicznych na podstawie echokardiogramu Bay Labs, który zamiast tego będzie oparty na formalnym echokardiogramie. Po zakończeniu badania dane zostaną trwale pozbawione elementów umożliwiających identyfikację.