التقنيات المتقدمة لكشف الصدر باستخدام معالجة الصور الطبية

مقدمة إلى تجهيز الصور الطبية لكشف الثدي

وقد أصبحت معالجة الصور الطبية حجر الزاوية في علم الأورام الحديثة، مما مكّن العيادات من الكشف عن الأورام التي لم يسبق لها مثيل، ووصفها ورصدها، وطرائق مثل التصوير المغناطيسي، والتصوير المحاسبي، ورسم الخرائط، ورسم الخرائط المحتوية على انبعاثات مسببة للتدفقات، وتوليد كميات كبيرة من البيانات التي تُحدث بمجرد معالجة متطورة بواسطة مقاييس متطورة، تكشف عن وجود غير مرئي.

ويعود الطلب على الكشف عن الورم المحسن إلى ضرورة التشخيص المبكر، إذ أن معدلات البقاء في كثير من حالات السرطان ترتفع بشكل كبير عندما يُصاب المرض في مرحلة محلية، وتزيد تقنيات معالجة الصور الطبية من التناقض، وتخفض الضوضاء، وتسلط الضوء على السمات المرضية، مما يسهل اكتشاف الاختلالات الصغيرة التي قد تضيع، كما تساعد الأساليب المتقدمة على التمييز بين نهج الكشف عن الأمراض، وتخفض من الآثار غير الضرورية للصور، وتستكشف المادة المتطورة.

تطور كشف السموم في التصوير الطبي

من التفتيش اليدوي إلى التشخيص المطبعي

وقد فسر علماء الأشعة الصور الطبية تاريخياً عن طريق فحص تسلسل الشقع بصري، بالاعتماد على الخبرة والاعتراف بالنمط، وفي حين أن هذا النهج اليدوي فعال في كثير من الحالات، فإنه يعاني من القيود: التقلبات، والتفاوت بين أجهزة المراقبة، والصعوبة في الكشف عن التغيرات الخفية بمرور الوقت، وفي التسعينات، بدأت نظم التشخيص بمساعدة الحاسوب في مساعدة الأشعة بواسطة وضع علامات على أجهزة الكشف عن العلامات المريبة.

وقد وفر مدخل نظم التصوير الرقمي والتصوير والحفظ والاتصالات البنية الأساسية لإجراء تحليل أكثر تطورا، وبدأ الباحثون في تطبيق تحليل النسيج والعمليات الميكانيكية والاعتراف بالنمط الإحصائي بالصور الطبية، غير أن القفزة الحقيقية جاءت مع ارتفاع التعلم العميق، مما أدى إلى إلغاء الحاجة إلى سمات مصممة باليد عن طريق تعلم التسلسل الهرمي مباشرة من بيانات البكسل.

دور الاستخبارات الفنية في كشف حديثة

وقد حولت المعلومات الاستخبارية الفنية، ولا سيما التعلم العميق، اكتشاف الورم من مهمة شبه مقصودة إلى نظام آلي وعالي المخرجات، ويمكن لنماذج AI أن تجهز مجلدات ثلاثية الأبعاد بأكملها في ثوان، وورم جزئي على مستوى الأوكسل، وأن تخصص درجات للزواج ذات كثافة تنافسية من الخبراء في مجال الإذاعة، وتُقيّم أوجه التقدم الرئيسية بشبكات الأشعة الملتوية المصممة للمسح.

كما تتيح منظمة العفو الدولية إجراء تحليلات طويلة: مقارنة المسح الحالي للمريض بالمسحات السابقة لكشف النمو أو الاستجابة للعلاج، وهذه القدرة حاسمة في رصد فعالية العلاج، وفي الكشف المبكر عن التكرار، وعلاوة على ذلك، يمكن للمنظمة أن تدمج المعلومات المستمدة من طرائق التصوير المتعددة، مثل صمامات الصمامات المحتوية على التغليف وبيانات الأشعة المقطعية، وذلك لتوفير معلومات تكميلية، غير أن النشر العملي للكشف عن الأشعة والإشعاعية يتطلب التحقق الدقيق من صحة السلوك.

التقنيات المتقدمة الأساسية في تجهيز الصور الطبية

الشبكات العصبية العميقة للتعلم والثورة

How CNNs Work for Tumor Classification

والشبكات العصبية التي تبثها الثورة هي العمود الفقري للتعلم العميق الحديث للتصوير الطبي، وتتمثل إحدى الشبكات النموذجية للشبكة في تغيير طبقات الثورة (التي تتعلم المرشّحات لكشف الحواف والمنسوجات والشكلات) والطبقات المجمعة (التي تقلل من الأبعاد المكانية) وتجمع الطبقات الأعماق بين السمات المنخفضة المستوى وبين التمثيل الرفيع المستوى، مثل وجود مخرجات من مجموعات مصورة أو غير نظامية.

ومن بين مواطن القوة لدى هذه الشبكات قدرتها على تعلم الملامح من البيانات مباشرة، دون تصميم يدوي، غير أنها تحتاج إلى موارد حاسوبية كبيرة ومجموعات بيانات مشروحة كبيرة، ولتجاوز شح البيانات، يستخدم الباحثون التعلم في مجال النقل: بدءا بشبكة مدربة مسبقا على الصور الطبيعية (مثل شبكة المعلومات الرقمية) وضبطها على الصور الطبية، ويشمل هذا النهج تخفيضا جذريا كمية البيانات الطبية المصممة مسبقا.

المعمار الشعبي لفصل تومور

وفيما عدا التصنيف، فإن تقسيم المنطقة إلى أجزاء تحدد الحدود الدقيقة للورم - وهو أمر حاسم بالنسبة لقياس الحجم والتخطيط الجراحي، كما أن هيكل الشبكة، الذي بدأ العمل به في عام 2015 من أجل تقسيم الصور الطبية البيولوجية - الطبية، لا يزال هو الأكثر استخداماً، وتميز الشبكة مساراً قياسياً للمقاييس - ديكوردر مع ربطات لا تصلح للحفاظ على التفاصيل المكانية التي فقدت أثناء عملية أخذ العينات، وهذا التصميم يسمح للشبكة بأن تنتج خرائط ذات حجم عال.

وتشمل أطر أخرى للتجزئة ماسك ر - ن، الذي يؤدي تجزؤاً (تفكيك كل جسم وتجزيعه على حدة)، ونماذج لب الأعماق التي تنطوي على ثورة متعددة النطاق، وفيما يتعلق بتجزئة الأورام، فإن التحدي الذي يواجهه نظام براتس يحفز على تطوير أساليب تجمع بين هياكل متعددة، ويحقق هذان النموذجان درجات قياسية تفوق 0.90 على العديد من المعايير، مما يعني أنهما يتداخلان بدقة مع المقاييس.

فصل التصويري بعد التعلم العميق

الحياكة والمنطقة المتنامية

فقبل التعلّم العميق، يعتمد تجزؤ الأورام على تقنيات معالجة الصور التقليدية، حيث يفصل التكتلات القائمة على قيم الكثافة، على افتراض أن الأورام تبدو أكثر إشراقاً أو أكثر ظلماً من النسيج المحيط، ففي المسح الأشعة السيتي تُعد الأورام في كثير من الأحيان معامل تخفي مختلفة، مما يتيح الحد الأدنى العالمي أو التكييف، إلا أن العتبة تُسرّف عندما تتداخل مع الأنسجة الطبيعية.

ومن الأساليب التقليدية الأكثر تقدماً المخروط النشطة (المزمار) ومجموعات المستوى التي تحط من مستوى العطاء أو السطح لضبط حدود الجسم استناداً إلى درجات التصوير والقيود على التغيُّر، وهذه التقنيات هي فريدة من الناحية الرياضية ويمكن أن تنتج حدوداً سلسة ودقيقة دون المستوى، غير أنها حساسة بالنسبة للالتحاق بالركبة وتلقين البارامتر، وتكافح مع الضوضاء والضعف في أساليب التعليم.

أجهزة الراديو وتحليل المنسوجات

استخراج الرفات والنماذج الافتراضية

والأشعة هي طريقة عالية المخرجات تستخرج مئات السمات الكمية من الصور الطبية، بما في ذلك الشكل والكثافة والنسيج والمخطوطات الموجية، وتصف هذه السمات التغاير الوراثي، الذي يرتبط في كثير من الأحيان بالعدوان والاستجابة للعلاج، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يكون الورم الذي يحتوي على شكل غير منتظم، وجهازا عاليا (تأمين العشوائية)، وأجهزة التلقيح الضئية أكثر احتمالا.

وميزة الأشعة على التعلم العميق هي الترجمة الشفوية: لكل سمة معنى رياضي واضح، مما يتيح للباحثين فهم سبب وجود تنبؤ معين، غير أن الأشعة تعانى من قضايا إعادة الإنتاج؛ ويمكن أن تتفاوت السمات مع الظروف الماسحة، وخامات إعادة البناء، وطرق التجزؤ، ولمعالجة ذلك، وضعت مبادرة المعايير الحيوية للكشف عن سرطان الثدي مبادئ توجيهية لحساب السمات.

التصوير الهجين والوقود المتعدد الوسائط

PET-CT and PET-MRI for Integrated Diagnosis

ولا توفر نظم التصوير الهجينة التي تجمع بين الطرائق الوظيفية والطرائق التشريحية معلومات تكميلية ضرورية لكشف الورم بدقة، كما أن هذه التكنولوجيا هي أكثر التقنيات الهجينة: وتكشف هذه المادة عن نشاطات الأيض باستخدام أجهزة الأشعة مثل الفلورية الفلورية الفلورية الفلورية الفلورية (F18)، التي تتراكم في الأورام الفوقية، بينما تقدم CT سياقاً دقيقاً.

ويُعدّ جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي جهازاً هجيناً جديداً يتيح تناقضاً مع الأشعة السينية مقارنة بـ CT، مما يجعله ذا قيمة خاصة بالنسبة للدماغ والرأس والرقبة، وأورام الحوض، ويمكن أن يقدم جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي معلومات وظيفية مثل التصوير الموزّع، والبارامترات الاصطناعية، والتصوير الموحّر المُ، في كثير من الأحيان.

Multimodal Deep Learning for Tumor Detection

ويمكن تصميم نماذج التعلم العميق على قبول طرائق متعددة للمدخلات في آن واحد، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تأخذ شبكة صوراً من نوع PET وصورة من نوع CT وفوقية مُضبَّطة، وتعالج كل منها من خلال فروع منفصلة من أجهزة الترميز قبل دمج خصائص في أحد الألواح المشتركة، ويتعلم هذا النهج استغلال مواطن القوة في كل طريقة، ويمكن لآليات الاهتمام أن ترجح مساهمة كل طريقة من طرائق العمل، أي نماذج أخرى.

تحديات التنفيذ والنظر في البيانات

سماحة البيانات والطبقات المتوازنة

ومن أكثر العقبات استمرارا في معالجة الصور الطبية محدودية توافر مجموعات البيانات المشروحة الكبيرة العالية الجودة، وتتطلب الأورام المشروحة خبراء في مجال علم الأشعة، وهو ما يستغرق وقتا طويلا ويكلف ثمنا، وعلاوة على ذلك، فإن الأورام نادرة نسبيا في فحص السكان، مما يؤدي إلى اختلال في الفصول، حيث أن الكثير من الحالات التي تُجرى فيها مسحات عادية أكثر من الحالات الشاذة، تنحو إلى التحيز نحو درجة الغالبية، تشمل فرض عقوبات إيجابية.

كما أن زيادة البيانات تتوسع اصطناعيا في التدريب الذي يتم إعداده عن طريق تطبيق التحولات العشوائية: التناوب، والقوابل، والارتقاء، والتشوهات الفائقة، والتحولات في الشدة، ومن المهم في التصوير الطبي أن تحافظ زيادة القدرات على الواقعية السريرية، على سبيل المثال، وأن تؤدي عملية تغيير الأعضاء إلى تغيير العلاقات التشريحية اليسرى، التي يمكن أن تخلط بين النموذج، إن لم يتم التعامل معها بعناية.

توحيد المعايير وإعادة الإنتاج

الصور الطبية تأتي من مختلف المعالجين، والقوام الميداني، وحسابات إعادة البناء، مما يؤدي إلى تغيرات في نطاقات الكثافة، والتسوية، والضوضاء، وهذه التحولات في المجال يمكن أن تسبب نموذجاً مدرَّباً على بيانات مؤسسة ما للفشل في مجموعات أخرى، وتوحيد خطوات التجهيز الأولي إلى حجم الأوكسجين، والتحيز الميداني للتصويب، والتطّب المسبق للأشعة.

وعلاوة على ذلك، فإن الحقيقة القائمة على التجزؤ هي الحقيقة الذاتية؛ ويمكن أن يحدد الورم نفسه بصورة مختلفة خبيران، ويمكن أن يكون التقلب بين مختلف الفئات السكانية أعلى من 20 في المائة بالنسبة لأنواع معينة من الأورام، ومن أجل ذلك، تستخدم بعض الدراسات عدة مشروحات وتقيس اتفاق (مثلاً، درجات الارتداد بين المُعدِّلين).

الترجمة الشفوية والثقة السريرية

نماذج التعلم العميقة غالباً ما توصف بأنها "صناديق سوداء" لأن صنع القرار الداخلي غير لائق، لكي يثق عالم الإشعاعات بتوقعات النموذج، يجب أن يفهموا سبب كون المنطقة مريبة، تقنيات التنبيه المفصول يمكن تفسيرها عن طريق إحداث اضطرابات حرارية (مثلاً، (جراد كام) التي تسلط الضوء على المجالات التي تسهم في أكثر من غيرها في إنتاج النموذج.

وتعتمد الثقة السريرية أيضا على دراسات دقيقة للتحقق من صحة المعلومات تقارن أداء أجهزة الاستعلام بالعلماء اللاسلكيين في ظروف القراءة الحقيقية، وقد أظهرت التجارب المنظورة، مثل تلك المتعلقة بالأشعة المقطعية، أن الوكالة الدولية للطاقة الذرية يمكنها أن تقلل من عبء العمل في مجال الإشعاعات وأن تزيد معدلات الكشف دون زيادة معدلات التذكر، غير أن الاعتماد يعوقه الشواغل المتعلقة بالمسؤولية، والتحديات المتعلقة بتكامل سير العمل، والحاجة إلى الرصد المستمر للأشعة العائمة مع ظهور علم جديد للبيانات.

الاتجاهات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

التعليم الموحد من أجل حماية الخصوصية - حفظ الكشف عن الرُزم

فالتعليم الموحد يتيح لمؤسسات متعددة أن تقوم بالتعاون على تدريب نموذج مشترك للتعلم العميق دون نقل بيانات المرضى الخام إلى خادم مركزي، إذ يقوم كل مستشفى بتدريب النموذج محليا على بياناته الخاصة، ثم يرسل فقط الأوزان النموذجية المستكملة (المتخرجات) إلى مجمّع مركزي يجمع بينها لتحسين النموذج العالمي، ويحافظ هذا النهج على خصوصية البيانات، وهو شرط حرج بموجب أنظمة مثل نماذج التوزيع ذات النطاق الترددي والنماذج المحدثة.

ويبشر التعلم الموحد على وجه الخصوص بالكشف عن الأورام لأنه يتيح دراسة نماذج فرعية نادرة للسرطان في العديد من المواقع دون الكشف عن سجلات المرضى، فعلى سبيل المثال، جمعت مبادرة " تجزؤ الدماغ في الصدر " الموحدة بيانات من عشرات المؤسسات في جميع أنحاء العالم لتحسين قطاع الإصابة بمرض الغدد الصماء، حيث يمكن أن يصبح التعلم الموحد المعيار الذي يُطبق على نماذج التعليم العالي المثبتة بصورة طبية.

شبكات التنوع الجيني لتجميع البيانات وتجميعها

أما شبكات النزعات الخلقية الناجعة فهي تتألف من شبكتين عصبيتين: مولد يخلق صوراً جديدة ومفرق يحاول التمييز بشكل حقيقي عن المزيف، وفي التصوير الطبي، يمكن للشبكة العالمية أن تولد أوراماً اصطناعية واقعية مدمجة في المسح الطبيعي، ويزيد بشكل فعال من بيانات التدريب على الخيوط النادرة أو التي يصعب تقسيمها.

غير أن الشبكات العالمية للسواتل يصعب عليها بشكل ملحوظ تدريبها، ويمكنها إنتاج مواد أثرية تضلل نماذج المجرى، ولضمان الصحة السريرية، يجب فحص الصور التي تنتجها أجهزة الأشعة وتقييمها باستخدام مقاييس كمية (التشويه في الاختراع، والتشابه الهيكلي) وتتيح التطورات الأخيرة في نماذج الانتشار (مثلاً، نماذج الكشف عن الديفو) بديلاً لتقنيات الإصابة بالسرطان التي تنتجها الشبكة العالمية.

منظومات AI و Human-in-Loop

ومع تزايد إدماج منظمة العفو الدولية في تدفقات العمل السريري، تزداد الحاجة إلى نظم مترجمــة ومتفاعلة، إذ تسمح نظم الأخصائيين في مجال النشاط البشري بتقديم تعليقات على النموذج أثناء الاستدلال، وتصحيح حالات إيجابية زائفة، أو تنقيح حدود الشرائح في الوقت الحقيقي، مثلا، يمكن لأخصائي إشعاعي أن يضغط على منطقة مشبوهة، ويحسن النموذج التنبؤ به بناء على ذلك.

(أ) أن يُجمع بين المعهد العالي للإحصاء والباحثين، ويُعدّون لوحات مُدوّنة تبين خرائط للارتطام إلى جانب درجات الثقة، ويسمح لعلماء الأشعة بطرح نموذج للتفسيرات (مثلاً، لماذا سمّيت هذه المنطقة بأنها مُهينة)؟ وقد يستجيب النظام بتسليط الضوء على خصائص الأصابة الخلوية المستفادة من بيانات التدريب، وتساعد هذه الشفافية على تحديد متى يعتمد النموذج على التلازمات الراقية الراقية (ه).

كشف الزمن الحقيقي في عمليات التشغيل الداخلي ونقاط العمليات

كما أن التقدم في المعدات مثل الأجهزة المحمولة التي تستخدمها وحدة حماية البيئة العالمية والمسح السحابي للورم الذي يمكن أن يُكتشف في الوقت الحقيقي أثناء العمليات الجراحية أو في البيئات المنخفضة الموارد، مثلاً، فإن التخزين البصري للاتساق والنسخ المجهري يوفر صوراً للأنسجة عالية الاستبانة يمكن معالجتها على ذبابة تحديد هوامش الأورام أثناء إعادة التقطيع.

وتواجه هذه النظم في الوقت الحقيقي متطلبات صارمة تتعلق بالغرض (الاستقصاء الثاني) ويجب أن تعمل بشكل موثوق على البيانات المضغوطة أو المزعجة، كما أن كفاءة هياكل الشبكات (الشبكة المتنقلة، وتقنيات القياس الكمي) تحد من حجم وحساب المعدات النموذجية دون فقدان دقيق كبير، حيث أن 5 جي وأجهزة حسابية حافة تتوسع، ومشاورات الخبراء عن بعد، مقترنة بشروط الاكتشاف في العالم.

خاتمة

وقد تطورت التقنيات المتقدمة لكشف الورم باستخدام معالجة الصور الطبية من العتبة بدائية إلى نظم تعلم عميق متطورة تتنافس الأداء البشري، فدمج التصوير المتعدد الوسائط والشعارات اللاسلكية، وأجهزة الاستعلام الآلي قد مكّن من إجراء تشخيصات في وقت سابق وأكثر دقة وأكثر شخصية، وتظل نماذج التعلم العميق مثل شريحة البرمجيات وقطع الوصلات المتعددة، وتصنيف الأورام ذات نماذج عالية الدقة، بينما تُعنى بالتعلم المجاز.

ومستقبل اكتشاف الورم يكمن في تآزر لا يرقى بين الخبرة البشرية والاستخبارات الآلاتية، وسيتيح استكشاف الأدوات التفاعلية وتجهيزها في الوقت الحقيقي إمكانية الوصول إلى هذه التقنيات المتقدمة للمستوصفين في جميع أنحاء العالم، حيث أن البحث يواصل دفع الحدود، سيكون المستفيدون النهائيون من المرضى الذين سيستفيدون من الكشف السريع الأقل غموضاً والعلاجات الأكثر استهدافاً، ومن الضروري مواصلة الاستثمار في مجموعات البيانات المتنوعة الواسعة النطاق، وإجراء اختبارات طبية صارمة من أجل البقاء.

For further reading, see AI in medical imaging: current applications and future directions, ]Deep learning for brain tumor segmentation: a survey, and ]Radiomics: extracting more information from medical images.