Платформа для исследований в онкологии, дерматологии и хирургии

Клиент и задача

Вместе с компанией «Оптикэластограф» мы разработали веб-платформу с вычислительным кластером, которая помогает ученым и исследователям бороться с раком и другими серьезными заболеваниями. Ее будут использовать для исследований в области онкологии, хирургии, косметологии и дерматологии.

Сервис, адаптированный для англоязычных пользователей, вызвал интерес на мировом рынке: его уже успели представить на презентациях в Китае и ОАЭ, в планах демонстрация в США.

Веб-платформа OpticElastograph:

• позволяет запускать и применять программы для глубокого анализа томографических сканов;
• может собирать и анализировать данные, которые до этого были недоступны;
• позволяет ускорить исследование с помощью пакетной обработки сканов;
• справляется с образцами, которые раньше было сложно анализировать;
• автоматически выдает необходимую информацию врачам и ученым;
• позволяет делиться результатами с коллегами.

Заказчики — специалисты компании «Оптикэластограф», куда входят ученые ИПФ РАН. Они разработали алгоритмы, которые обрабатывают томографические сканы и дают новую информацию о свойствах биоткани. Мы интегрировали их с платформой, которую могут применять в медицинских исследованиях во всем мире. 

Например, эти программы могут визуализировать кровеносные сосуды, находить зависимости между параметрами, строить карты деформаций и жесткости тканей, моделировать новые сканы — подсветить то, что нужно увидеть врачу или исследователю.

Новые данные помогают ученым в борьбе с раком. Повышают точность диагноза, помогают увидеть четкие края опухоли и подобрать лечение, увеличивают шансы сохранить орган при операции. Кроме онкологии данные такого порядка нужны в хирургии, косметологии, разработке и тестировании лекарств. 

Выведение программ на веб-платформу открывает новые возможности для исследований, поскольку позволяет врачам и ученым:

• экономить время на обработке сканов;
• обмениваться опытом с коллегами;
• выводить новые методы и подходы;
• обучать специалистов;
• собирать и размечать большие data-сеты для обучения искусственного интеллекта (ИИ).

Как платформа анализирует томографические сканы

Веб-платформа OpticElastograph позволяет запускать обработчики томографических сканов. Это программы, анализирующие сканы обычных ОКТ и записи ОКЭ — оптического когерентного эластографа. При создании алгоритмов использовали методы статистического машинного обучения PCA, LDA, SVM. Обработка происходит потоково посредством Octave в контейнерном исполнении на вычислительном кластере. Его архитектура спроектирована DevOps инженерами компании Riverstart. Он разворачивается в  любом облачном дата-центре. 

Обработчики можно установить на ПК исследователя или медицинского работника и использовать стационарно. Выведение обработчиков на веб-платформу открывает новые возможности для исследований. 

Разработанный нами веб-сервис OpticElastograph переносит обработку на облачный вычислительный кластер нужной мощности и позволяет:

• обрабатывать сканы пакетно и за меньшее время;
• создавать единый аккаунт на несколько ПК для сотрудников организации;
• запускать обработку с любого устройства и любую ОС через личный кабинет в сервисе.

Платформа содержит множество программ для обработки и позволяет индивидуально настраивать ПО под потребности отдельных клиентов. Например, добавлять алгоритмы под конкретные задачи, биоткани, органы и приборы разных производителей.

Функциональность и интерфейс веб-платформы для обработки сканов

Администрирование

Администрируют сервис сотрудники ООО «Оптикэластограф». У них есть доступ к пользовательским аккаунтам и балансу, они назначают пользователям уникальные контейнеры для обработки и настраивают в контейнерах поля, по которым система будет анализировать сканы.

Так в интерфейсе выглядит добавление нового обработчика на платформу. Есть возможность внести нужные параметры и мощность виртуальной машины, необходимой для обработки:

Использование веб-платформы OpticElastograph

Пользователи платформы — исследователи, ученые, медицинские работники клиник и лабораторий — загружают в систему сканы и запускают задачи на обработку. 

В личном кабинете платформы пользователь может загрузить в облако ОКТ-томограммы и применить модальности, разработанные для анализа. К примеру:

• эластографию — картирование жёсткости биоткани;
• деформационный имаджинг — картирование деформаций различной природы;
• анализ амплитудного сигнала;
• ангиографию — контрастное исследование кровеносных сосудов;
• другие модальности.

Сканы томографа тяжеловесные, их неудобно загружать через веб-интерфейс, поэтому для загрузки сканов используется S3-хранилище.

Управление задачами

После загрузки сканов пользователь формирует задачу и запускает анализ. Сервис интегрирован с кластером обработки: кластер выполняет задачу, сервис выводит результат в интерфейсе.

Задачи можно запускать массово, выбрав несколько сканов из файлового хранилища. Пользователь выбирает группы и поля параметров анализа в зависимости от результата, который он хочет получить. В аккаунте пользователя сохраняются результаты обработки сканов, чтобы он мог к ним вернуться.

Для оптимизации работы в сервисе предусмотрено динамическое управление нагрузкой: при появлении нагрузки система создает виртуальные машины для обработки задач и удаляет их, если нагрузки больше нет.

Для оптимизации работы можно настроить создание массовых задач. Выбранный обработчик в автоматическом режиме применяется  к целому набору файлов:

К примеру, так выглядит вывод  результата в интерфейс платформы. Обработка позволяет сегментировать верхний слой биоткани трёхмерного ОКТ-скана с возможностью просмотреть и оценить среднюю толщину слоя покадрово и на всем трехмерном снимке.

Обработка позволяет анализировать биомеханику ткани по ОКТ-записи. В интерфейс выводится структурное изображение, эластограмма, спектр жёсткости и зависимости параметров друг от друга: давления от деформации биоткани, жесткости от деформации и жесткости от давления.

Обработанными задачами в списке можно управлять: открыть для просмотра, загрузить результаты, повторить или закончить, если задача ещё не выполнена:

Управление тарифами

Сервис монетизируется с помощью тарифов. У пользователя есть баланс — количество доступных ему запусков контейнеров на обработку, баланс можно пополнять через запрос к администратору. Задачи на обработку сканов запускаются по очереди, приоритет обработки имеют задачи от пользователя с наивысшим тарифом. 

Пользователям с более низкими тарифами нужно ждать чуть дольше: на 10 задач пользователя с наивысшим тарифом система обрабатывает одну задачу простого пользователя. 

Так выглядит отображение текущего баланса: количество запусков обработчиков с историей списаний и зачислений.

Отчеты и статистика

Пользователю и администратору доступна подробная статистика по выполненным задачам и расходам. Исследовательский центр, клиника или другая организация могут формировать отчеты по затратам и проведенным обработкам сканов, а также следить за объемом файлового хранилища, куда они загружают сканы.

Использование платформы OpticElastograph в исследованиях, медицине и косметологии

Методы анализа, которые OpticElastograph позволяет применить к биотканям, помогают работать над актуальными клиническими задачами, решение которых сейчас ищут во всем мире. Они выводят на новый уровень лабораторные и хирургические исследования в областях онкологии, косметологии и дерматологии, разработку и тестирование лекарств.

Методы анализа сканов с помощью OpticElastograph дают информацию, которую раньше было невозможно получить. 

Сотрудники ООО «Оптикэластограф» в коллаборации с НИИ Экспериментальной онкологии и биомедицинских технологий ПИМУ, Институтом фотонных технологий РАН и Сеченовским университетом провели уникальные по мировым меркам исследования с применением мультимодальной ОКТ.

Использование мультимодальной ОКТ подразумевает, что анализировали не только структурные изображения, но и более глубокие параметры: например, вычисляли деформации биотканей, анализировали жёсткость. Эти данные можно получить с помощью платформы OpticElastograph.

Исследования и разработка препаратов

Лабораторные апробации подтверждают, что использование мультимодальной ОКТ эффективно при анализе действия препаратов против опухолей на лабораторных животных, и помогает:

1. Повысить качество анализа данных

Эластографические изображения, полученные с помощью ОКТ, позволяют неинвазивно контролировать состояние раковых опухолей, выращенных на коже экспериментальных животных. Это позволяет вести постоянный контроль за опухолями на разных стадиях, не выводя животных из эксперимента для гистологического обследования.

2. Экономить подопытных животных

Можно применять неинвазивно, поэтому сокращает количество необходимых инвазивных биопсий, а значит экономит животных, которые требуются для исследования.

3. Оптимизировать процесс исследования

Позволяет исследовать границы резекции во время операции без дополнительной окраски и в автоматическом режиме. Это автоматизирует сбор информации, сокращает трудозатраты и количество времени, которое требовалось на окраску.

Косметология

Предварительные исследования показали, что использование мультимодальной ОКТ обладает потенциалом в косметологии и способно:

1. Повысить эффективности лечения

Помогает более точно подбирать препараты и дозировки, уменьшать вероятность осложнений, поскольку позволяет в реальном времени детально отслеживать, как свойства кожи меняются от воздействия препаратов по ходу лечения.

2. Проверить эффективность антивозрастных средств и процедур

Позволяет отслеживать влияние косметических средств и процедур на возрастные изменения жесткости кожи. На кожу рук добровольцев применяли увлажняющий крем, спиртовой раствор и фиксировали изменения упругости прямо в процессе применения, также отслеживали остаточный эффект от курса косметологических процедур.

Хирургия

Исследования в области хирургии показали, что применение мультимодальной ОКТ помогает:

1. Определить подтип рака

Благодаря статистике из 500 эластограмм 150 образцов рака программа может автоматически сегментировать объекты, получать морфологический состав,  определить границы резекции и агрессивность опухоли, а также определять молекулярный тип рака, что влияет на выбор лечения. Метод позволяет получить эту информацию без традиционных гистологических процедур.

2. Увеличить шансы сохранить органы

Играет важную роль в проведении органосохраняющих операций. Метод  автоматизировано определяет подтип рака молочной железы, обнаруживает остаточные раковые клетки и позволяет точнее отделить участки похожих по свойствам жировых клеток и некротических раковых. Это позволяет точно определить границы опухоли и с большей вероятностью сохранить орган.

3. Получить новую информацию

Позволяет анализировать информацию, которую раньше было невозможно получить. К примеру, эластичность образцов тоньше одного миллиметра. Благодаря чему можно проанализировать биомеханику ткани перикарда человека, чтобы провести кардиохирургическую операцию.

4. Контролировать лазерное воздействие

Например, с помощью методов, используемых в OpticElastograph, можно определить безопасную температуру лазера при формовании хрящевых имплантатов в отоларингологии и челюстно-лицевой хирургии. Другой пример — во время лазерной коррекции формы роговицы глаза можно обнаружить пороговые температуры, необходимые для пластификации тканей, и изменять форму роговицы, не влияя на ее прозрачность.

Источники — статьи в ведущих международных научных изданиях:

• Histological validation of in vivo assessment of cancer tissue inhomogeneity and automated morphological segmentation enabled by Optical Coherence Elastography
• In vivo assessment of functional and morphological alterations in tumors under treatment using OCT-angiography combined with OCT-elastography
• Diagnostic Accuracy of Cross-Polarization OCT and OCT-Elastography for Differentiation of Breast Cancer Subtypes: Comparative Study
• Compression OCT-elastography combined with speckle-contrast analysis as an approach to the morphological assessment of breast cancer tissue
• Interplay of temperature, thermal‐stresses and strains in laser‐assisted modification of collagenous tissues: Speckle‐contrast and OCT‐based studies
• Optical coherence elastography for strain dynamics measurements in laser correction of cornea shape

Результаты и планы

Платформа для обработки сканов OpticElastograph создана, протестирована и готовится к выходу на массовый рынок. На первом этапе планируется перевод текущих пользователей эластографического ПО — медицинских учреждений и университетов — на использование веб-платформы для обработки сканов.

Использование интуитивно понятной платформы позволит исследователям, ученым и медицинским работникам:

• предоставить no-code доступ к разрабатываемым решениям широкому классу пользователей;
• обмениваться опытом и наработками, в том числе предоставлять защищенный доступ к своим разработкам коллегам и партнерам;
• предоставлять широкой публике в тестовом режиме новые методы и подходы, в том числе и для обучения специалистов;
• собирать и размечать большие data-сеты для обучения ИИ.

Тренд в здравоохранении — использование технологий искусственного интеллекта, чтобы автоматизировать диагностику заболеваний, отслеживать динамику показателей, подбирать дозировки лекарств и увеличивать точность хирургических манипуляций. Разработчики также тестируют применение нейронных сетей для обработки показателей сканов и обнаружения патологий. 

Сервис, адаптированный для англоязычных пользователей, вызвал интерес на мировом рынке: его уже успели представить на презентациях в Китае и ОАЭ, в планах демонстрация в США.