Пермские учёные превратили смартфон в диагностический прибор для выявления инсульта и головокружений

Исследователи Пермского Политеха создали программное обеспечение для обычного смартфона. Никаких дополнительных датчиков или носимых устройств не нужно — достаточно самого телефона, штатива и разработанного приложения. Оно обрабатывает видеопоток с камеры и с помощью специальных алгоритмов вычисляет положение головы с точностью, почти в 8 раз превышающей минимально необходимую для постановки диагноза, а стоимость такого решения в десятки раз ниже зарубежных аналогов. Уже сейчас программу тестируют в одной из поликлиник Перми — собирают обезличенные данные пациентов, чтобы дальше улучшать алгоритмы.

Статья опубликована в журнале «Физические приборы для экологии, медицины, биологии».

Когда вы резко поворачиваете голову, ваш внутренний орган равновесия (вестибулярный аппарат) сам заставляет глаза двигаться так, чтобы картинка перед вами оставалась чёткой — это как встроенный стабилизатор, а сам механизм называется вестибулоокулярный рефлекс. Но при некоторых болезнях он ломается: глаза не успевают подстроиться под поворот головы, изображение начинает «плыть», и человек чувствует головокружение. К таким патологиям относятся, например, вестибулярный неврит — это воспаление нерва, которое часто случается после гриппа или простуды, а ещё двусторонняя вестибулопатия, когда плохо работают оба вестибулярных аппарата сразу и болезнь Меньера, дающая приступы сильного головокружения вместе с шумом в ушах и снижением слуха.

Чтобы понять, насколько сильно нарушен тот самый рефлекс, который держит картинку чёткой при поворотах головы, врачи делают простой тест, который называется видео-импульсный тест поворота головы (ИТПГ). Пациента просят смотреть в одну точку, а доктор резко поворачивает его голову в стороны, проверяя, успевают ли глаза подстроиться. Специальная камера и датчики движения замеряют, не «плывёт» ли взгляд относительно поворота головы. Чем больше глаза отстают, тем серьёзнее проблема с вестибулярным аппаратом.

Важно, что этот же тест помогает врачам заподозрить и гораздо более опасное состояние — инсульт. Дело в том, что при нем вестибулоокулярный рефлекс часто остаётся нормальным, хотя у человека сильное головокружение. Если тест показывает, что рефлекс в порядке, а пациент жалуется на резкое головокружение, то возможно, дело не в вестибулярном аппарате, а в нарушении кровообращения в мозге, то есть в инсульте.

Проблема в том, что профессиональное оборудование для такого теста стоит от полутора миллионов рублей, оно зарубежного производства и доступно далеко не каждой поликлинике. К тому же разные марки этих приборов дают заметно различающиеся результаты. В одном исследовании одних и тех же пациентов проверили на нескольких системах, и оказалось, что показатели отличались в четыре раза. Получается, один и тот же пациент получает разные диагнозы — от лёгкого до тяжёлого, в зависимости от того, на каком аппарате его проверяют.  

Исследователи Пермского Политеха создали программу для обычного смартфона — без каких-либо дополнительных датчиков или навесного оборудования. Достаточно самого телефона, штатива, чтобы закрепить его перед пациентом, и приложения, которое разработали ученые. Оно обрабатывает видеопоток с камеры и с помощью специальных алгоритмов вычисляет положение головы с точностью, достаточной для медицинского применения.

— Прежде чем внедрять программу в реальную практику, нужно было убедиться, что алгоритмы работают правильно. На первом этапе мы провели испытания с участием добровольцев. Человек садился на стул, перед ним на штативе закрепляли смартфон, и он поворачивал голову влево и вправо, а телефон записывал видео — каждая запись длилась около минуты.  Чтобы оценить точность определения положения головы, нужно было с чем-то сравнить результат, поэтому на затылок участника крепили специальные эталонные датчики — небольшие устройства, которые очень точно измеряют повороты и резкие движения, и их данные использовали как образец, — объясняет Геннадий Мамыкин, аспирант кафедры «Прикладная математика» ПНИПУ.

Далее к видеозаписи применили несколько нейросетевых моделей, которые определяют положение головы, а затем очистили полученные данные от мелких помех — примерно так же, как в фоторедакторе убирают зернистость с фото.

— Всё это нужно, чтобы из видео получить точные числовые значения углов поворота головы в каждый момент времени. Поскольку модели уже обучили на больших массивах данных, на новых добровольцах они показали стабильно высокую точность. Результат превзошёл ожидания: лучшая комбинация алгоритмов дала ошибку измерений почти в семь раз точнее, чем требуется для постановки диагноза. Это значит, что результаты работы программы и алгоритмов на смартфоне очень близки к показаниям высокоточных эталонных датчиков, — рассказывает Владимир Первадчук, заведующий кафедрой «Прикладная математика» ПНИПУ, доктор технических наук.

Программа с высокой точностью отслеживает и положение головы, и движение зрачков. Погрешность для них составляет около трёх градусов — этого достаточно для уверенной диагностики. А значит, тест может стать доступным для районных поликлиник, небольших больниц и даже для выездной диагностики.

Уже сейчас разработку тестируют в одной из поликлиник Перми. Специалисты используют приложение в реальной практике, параллельно собирая базу данных — обезличенные результаты тестов пациентов с разными формами головокружений. Это в будущем позволит обучать и совершенствовать алгоритмы программы, делая диагностику ещё точнее.