یادگیری عمیق با نتایج تجربی موفق و کاربردهای گسترده، پتانسیل تغییر آینده علم پزشکی را داراست. امروزه استفاده از هوش مصنوعی به طور فزاینده ای رایج شده است و در رشته های مختلفی همچون تشخیص سرطان مورد استفاده قرار می گیرد. یادگیری عمیق همچنین دید رایانه ای، تصویر برداری و تشخیص پزشکی دقیق تر را امکان پذیر می کند.
بنابراین تعجبی ندارد که در گزارشی از Report Linker اشاره شده است که انتظار می رود بازار هوش مصنوعی در صنعت پزشکی از ١/٢ میلیارد دلار در سال ٢٠١٨ به ٣۶ میلیارد دلار در سال ٢٠٢۵ برسد!! در این مقاله، پتانسیل یادگیری عمیق در صنعت مراقبت های بهداشتی و پزشکی و کاربردهای فراوان آن در این زمینه را بررسی می کنیم.
آنچه در این نوشته خواهیم داشت
یادگیری عمیق : آینده علم پزشکی
از آنجا که یادگیری عمیق و هوش مصنوعی در صنعت محبوبیت فراوانی پیدا کرده اند، این سوال مطرح می شود که چگونه در چند سال آینده زندگی ما را تحت تاثیر قرار خواهند داد. در زمینه پزشکی، اگرچه ما طی چند سال اخیر تعداد زیادی از داده های بیماران را ضبط کرده ایم، اما تاکنون یادگیری عمیق بیشتر برای تجزیه و تحلیل داده ها از تصویر یا متن استفاده شده است. اما علاوه بر آن، به تازگی یادگیری عمیق برای پیش بینی طیف گسترده ای از مشکلات و نتایج بالینی نیز مورد استفاده قرار می گیرد. یادگیری عمیق آینده فوق العاده ای در زمینه پزشکی خواهد داشت.
علاقه امروز به دیپ لرنینگ در علم پزشکی از دو عامل ناشی می شود. اول، رشد تکنینک های یادگیری عمیق به طور گسترده. به ویژه روش های یادگیری بدون نظارت در حوزه هایی مانند فیس بوک و گوگل. دوم، افزایش چشمگیر داده های مراقبت بهداشتی
استفاده از یادگیری عمیق در سوابق سلامت الکترونیکی
سیستم های سلامت الکترونیکی، داده های بیمار از قبیل اطلاعات دموگرافیک، سوابق پزشکی و نتایج آزمایش ها را ذخیره می کنند. این سیستم ها با استفاده از الگوریتم های یادگیری عمیق میزان تشخیص صحیح و مدت زمان لازم برای تشخیص بیماری را بهبود می بخشند. این الگوریتم ها از داده های ذخیره شده در سیستم های سلامت الکترونیک استفاده می کنند تا الگوهای روند سلامت و عوامل خطر را تشخیص داده و براساس الگوهای شناسایی شده، نتیجه بگیرند. همچنین محققان می توانند از داده های موجود در سیستم های سلامت الکترونیک در راستای ایجاد مدل هایی در یادگیری عمیق استفاده کنند که احتمال بروز برخی از نتایج مرتبط با سلامتی را پیش بینی می کند.
خواندن مقالات زیر نیز در حوزه یادگیری عمیق به شما عزیزان توصیه می‌شود:
دو روش برای استفاده از داده های سیستم های سلامت الکترونیک
١. پیش بینی استاتیک
پیش بینی استاتیک، احتمال وقوع یک رویداد بر اساس مجموعه داده های محققان از سیستم طبقه بندی آماری بین المللی بیماری ها و مشکلات بهداشتی را بیان می کند. به عنوان مثال، Choi و همکارانش یک مدل را براساس داده های سیستم سلامت الکترونیک، از قبیل سوابق پزشکی و میزان مراجعه به بیمارستان بررسی کردند. براساس این اطلاعات، سیستم، احتمال بروز نارسایی قلبی را پیش بینی کرد.
٢. پیش بینی مبتنی بر مجموعه ای از ورودی ها
از داده های سیستم های سلامت الکترونیک برای پیش بینی بر اساس مجموعه ورودی ها استفاده می شود. می توان پیش بینی را با هر ورودی یا با کل مجموعه داده ها انجام داد. به عنوان مثال ، Choi و همکارانش، توسط این روش مدلی را توسعه داده اند. این مدل با استفاده از شبکه های عصبی مصنوعی زمان مراجعه بعدی به بیمارستان و دلیل مراجعه را پیش بینی می کند.
کاربرد دیپ لرنینگ در پزشکی
تکنیک های یادگیری عمیق از داده های ذخیره شده در سوابق سیستم های سلامت الکترونیک برای رفع بسیاری از نگرانی های مورد نیاز مراقبت های پزشکی ، مانند کاهش میزان تشخیص نادرست و پیش بینی نتیجه مراحل استفاده می کنند. با پردازش مقادیر زیادی از منابع مختلف مانند تصویربرداری پزشکی، شبکه های عصبی مصنوعی می توانند به پزشکان در تجزیه و تحلیل اطلاعات و تشخیص چندین بیماری کمک کنند:
• تجزیه و تحلیل نمونه خون
• بررسی سطح گلوکز در بیماران دیابتی
• تشخیص مشکلات قلبی
• تجزیه و تحلیل تصویر برای تشخیص تومورها
• تشخیص سلولهای سرطانی و تشخیص سرطان
• تشخیص آرتروز از MRI قبل از شروع آسیب
استفاده از یادگیری عمیق برای تشخیص سرطان
انکولوژیست ها سالهاست که از روشهای تصویربرداری پزشکی مانند توموگرافی کامپیوتری، تصویربرداری با رزونانس مغناطیسی و اشعه ایکس استفاده می کنند. در حالی که ثابت شده است که این سیستم ها برای بسیاری از انواع سرطان مؤثر هستند؛ تعداد زیادی از بیماران از سرطان هایی رنج می برند که با این دستگاه ها قابل تشخیص نیستند. شبکه های عصبی مانند شبکه های عصبی پیچشی، وعده های مربوط به آینده تشخیص سرطان را محقق می کنند. براساس همان تصاویر پزشکی، شبکه های عصبی مصنوعی می توانند سرطان را در مراحل اولیه با درصد خطای کمتر تشخیص داده و نتایج بهتری را برای بیماران فراهم کنند. به تازگی، دانشمندان موفق به آموزش مدل های مختلفی از یادگیری عمیق برای تشخیص انواع مختلف سرطان با دقت بالا شده اند.
سیستم های مبنی بر یادگیری عمیق با تقلید از الگوهای فکری انسانی و از طریق الگوریتم شبکه های عصبی به تصمیم گیری و اجرای دستورات خاص می‌پردازند.
لایه های عصبی سیستم های دیپ لرنینگ توسط مهندسین طراحی و ساخته نمی شوند؛ بلکه این داده ها و اطلاعات مختلف هستند که موجب پیشرفت و بهبود فرایند یادگیری این الگوریتم ها می‌شوند.
در ادامه نمونه هایی از تحقیقات دانشمندان را بررسی می کنیم:
- در مطالعه‌ای که توسط Nvidia منتشر شده است، یک مدل یادگیری عمیق توانسته است ٨۵ درصد از میزان تشخیص نادرست سرطان سینه را کاهش دهد.
- Hossam Haick با الهام از هم اتاقی خود، که به سرطان خون مبتلا شده بود، تلاش کرد وسیله ای را برای درمان سرطان ایجاد کند. براساس طرح او، تیمی از دانشمندان، مدلی از شبکه های عصبی را آموزش دادند تا ١٧ بیماری مختلف را براساس بوی تنفس بیماران با دقت ٨۵ درصد شناسایی کنند.
- تیمی از محققان Enlitic وسیله ای را معرفی کردند که از توانایی گروهی از رادیولوژیست های متخصص در تشخیص گره های سرطان ریه پیشی گرفته و به میزان تشخیص ۵٠ درصد دقیق تر از تشخیص انساتی در شرایط آزمایش رسید.
- دانشمندان گوگل یک مدل از شبکه عصبی پیچشی ایجاد کرده اند که سرطان پستان متاستاز شده را از تصاویر آسیب شناسی سریعتر و با دقت بیشتری تشخیص می دهد. این مدل به موفقیت ٩٩ درصدی دست یافت.
یادگیری عمیق در پیش بینی بیماری و درمان
در سال ٢٠٠۶ هزینه بستری افرادی که به بیماری قابل پیش پیشگیری دچار شده بودند در آمریکا به ٣٠ میلیارد دلار رسید. نیمی از بیماران بستری شده از دو بیماری رنج می برند: مشکلات قلبی و دیابت. از دیپ لرنینگ می توان برای بهبود میزان تشخیص و مدت زمان لازم برای ایجاد پیش آگاهی استفاده کرد.این امر می تواند تعداد بستری شدگان را به شدت کاهش دهد.
برخی از تیم های تحقیقاتی در حال حاضر راه حل های خود را برای این مشکل به کار می گیرند.
رتینوپاتی دیابتی
در کشورهای در حال توسعه ، بیش از ۴١۵ میلیون نفر از نوعی نابینایی به نام رتینوپاتی دیابتی رنج می برند که از عوارض ناشی از دیابت است. یادگیری عمیق می تواند به جلوگیری از این بیماری کمک کند. یک مدل از شبکه های عصبی مصنوعی، می تواند با داده های گرفته شده از تصویربرداری شبکیه، تشخیص خونریزی، علائم اولیه و شاخص های رتینوپاتی دیابتی کار کند.
بیماران دیابتی به دلیل تغییرات شدید سطح قند خون، به این عارضه دچار می شوند. این در حالی است که بیماران دیابتی را می توان از نظر سطح گلوکز کنترل کرد. یک مدل دیپ لرنینگ می تواند از این داده ها برای پیش بینی زمان افزایش و کاهش سطحح گلوکز خون بیماران استفاده کرده و به آن ها اجازه می دهد تا با خوردن یک میان وعده پر قند یا تزریق انسولین، عکس العمل نشان دهند.
ویروس نقص سیستم ایمنی انسان ( HIV )
بیش از ٣۶ میلیون نفر در سراسر جهان از ویروس نقص سیستم ایمنی بدن رنج می برند. این افراد برای درمان وضعیت خود نیاز به دریافت دوز روزانه داروهای ضد ویروس دارند. HIV می تواند به سرعت جهش یابد. بنابراین، برای ادامه درمان HIV، باید داروهای تجویز شده برای بیماران را تغییر دهیم. استفاده از یک الگوی یادگیری عمیق به نام یادگیری تقویتی می تواند به ما در مقابله با این نوع ویروس ها کمک کند. در این روش، مدل پیچشی می تواند بسیاری از نشانگرهای زیستی را با استفاده از هر دوز دارو ردیابی کرده و بهترین مسیر عملی را برای درمان مداوم فراهم کند.
تیمی از محققان در دانشگاه تورنتو ابزاری به نام DeepBind ایجاد کرده اند. طوری که یک مدل شبکه عصبی پیچشی که داده های ژنومی را می گیرد و توالی پروتئین های اتصال دهنده DNA و RNA را پیش بینی می کند. محققان می توانند از DeepBind برای ایجاد مدلهای رایانه ای استفاده کنند که اثرات تغییرات در توالی DNA را نشان دهد. آنها می توانند از این اطلاعات برای توسعه ابزارها و داروهای تشخیصی پیشرفته تر استفاده کنند.
موارد مربوط به حریم خصوصی ناشی از استفاده از یادگیری عمیق در بهداشت و درمان
با وجود مزایای بسیاری که استفاده از سیستم های سلامت الکترونیک به همراه دارند؛ همچنان ریسک هایی را نیز به دنبال خواهند داشت. داده های ذخیره شده در این سیستم ها حامل اطلاعات شخصی بیماران بوده که در بسیاری موارد افراد ترجیح می دهند این اطلاعات محرمانه باقی بمانند. بیمارستان ها همچنین داده های غیر پزشکی، مانند آدرس بیماران و اطلاعات کارت اعتباری آن ها را ذخیره می کنند؛ که این سیستم ها را به عنوان هدف اصلی برای حمله می کند. با وجود داده های حساس ذخیره شده در سیستم های سلامت الکترونیک و آسیب پذیری آن ها، محافظت از آن و حفظ حریم خصوصی بیماران بسیار مهم است.
تعجب آور نیست که در آینده نزدیک، شاهد باشیم که میانگین “امید به زندگی” بشر ٢٠ سال افزایش یابد؛ و این امر میسر نخواهد شد مگر توسط تکنیک های هوش مصنوعی و یادگیری عمیق.