Co chcą nam powiedzieć jelita

Choć nieco nas krępują i wydają się zabawne, dźwięki jelitowe odgrywają ważną rolę w procesie diagnozowania schorzeń z zakresu gastroenterologii. Nad analizą dźwięków jelitowych pochylili się specjaliści z Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych współpracujący z Uniwersytetem Medycznym w Poznaniu.

Badacze z PW zajmujący się sztuczną inteligencją opracowali narzędzie, które pomaga w analizowaniu aktywności akustycznej przewodu pokarmowego. Rozwiązanie pozwala na nieinwazyjne i niekosztowne diagnozowanie niektórych chorób układu pokarmowego.

Nocne kiszek marsza granie

Zespół pod kierownictwem prof. Roberta Nowaka z Wydziału EiTI bazował na nagraniach wykonanych przez lekarzy z poznańskiego Uniwersytetu Medycznego im. Karola Marcinkowskiego. Za pomocą specjalnych, czułych mikrofonów kontaktowych mocowanych do brzucha nagrano odgłosy jelit 20 pacjentów. Nagrania wykonywano w nocy — to czas, kiedy jest najmniej dodatkowych zakłóceń. W efekcie otrzymano cyfrowe materiały dźwiękowe wysokiej jakości.

Selekcja

Żeby uzyskać odpowiednie próbki audio, należy dokonać filtracji, żeby usunąć zakłócenia oraz dźwięki bicia serca, oddechu i szumu krwi w żyłach. Następnie lekarze oznaczali w nagraniach miejsca, w których słyszą dźwięki jelitowe. To ogrom pracy, jednak zbiór potwierdzonych przez medyka przykładów jest niezbędny, aby algorytm miał wysokiej jakości fundament, a w konsekwencji — bardzo wysoką skuteczność.

- Sygnał audio, reprezentowany jako sekwencja próbek pobranych z odpowiednią częstotliwością i odpowiednio wysokiej jakości, jest oczyszczany z szumów i zamieniany na spektrogram. Spektrogram jest wygodnym z punktu widzenia analizy sposobem zapisu sygnału. Następnie program do analiz dzieli sygnał na ramki o długości 20 milisekund, co odpowiada 441 próbkom  — mówi prof. Robert Nowak, kierownik Zakładu Sztucznej Inteligencji Wydziału EiTI. — Następnie algorytm podejmuje decyzją binarną i na podstawie opisów ramek określa wartość logiczną prawda/fałsz — zaznacza, czy w ramce występuje dźwięk jelitowy. Tak przeanalizowany i uporządkowany statystycznie materiał o wszystkich ramkach z nagrania trafia do rąk lekarza.

Skutecznie i bezstresowo

Efekt pracy wytrenowanego algorytmu jest dla medyków doskonałym narzędziem wspomagającym diagnostykę. Metoda jest nieinwazyjna — wystarczy nagranie przeanalizowane za pomocą sztucznej inteligencji i wiedza lekarza. Dla pacjentów oznacza to wygodną alternatywę dla kłopotliwych badań, takich jak choćby kolonoskopia. Dla służby zdrowia — oszczędność. Testy wskazują na bardzo wysoką jakość (dokładność, swoistość i czułość) rozwiązania przygotowanego przez specjalistów od SI z Politechniki.

Więcej o analizie dźwięków jelitowych z wykorzystaniem głębokich sieci neuronowych można przeczytać w artykule opublikowanym w miesięczniku Sensors.

 
Zainteresowanym tematyką SI i poszukującym opracowania porządkującego wiedzę dotyczącą m.in. uczenia maszynowego, sztucznych sieci neuronowych oraz aspektów etycznych, polecamy najnowsze opracowanie prof. Mirosława Muraszkiewicza i prof. Roberta Nowaka — „Sztuczna inteligencja dla inżynierów. Metody ogólne”.

Projekt „Automatyczna analiza aktywności akustycznej przewodu pokarmowego” zdobył finansowanie w konkursie BIOTECHMED-1 realizowanym na PW w ramach projektu „Inicjatywa doskonałości - uczelnia badawcza”.