Dopis redakci

Vážený pane šéfredaktore,

ve 4. čísle 14. ročníku časopisu Nukleární medicína byla publikována přehledová práce "Umělá inteligence v nukleární medicíně: historické milníky a principy" ¹, která seznamuje čtenáře s vývojem umělé inteligence od 50. let 20. století do současnosti. Ve snaze inspirovat mladší kolegy a kolegyně k překračování hranic každodenní rutiny bych tento přehled rád doplnil o několik poznámek k příspěvku našich autorů k rozvíjení a testování metod, z nichž některé později přispěly ke vzniku toho, čemu se dnes říká umělá inteligence (AI).

Jak je uvedeno v citované práci ¹, umělá inteligence vyrůstá z několika původně nesouvisejících základů (expertní systémy, data mining, neuronové sítě, analogové modely, symbolické programování, aj.), jejichž principy se v průběhu času více či méně integrovaly do nástrojů AI. Jedním ze zdrojů, které článek částečně opomíjí, jsou metody vícerozměrné analýzy dat, původně samostatné, později integrované s neuronovými sítěmi ^2,3,4, mezi které patří analýza hlavních komponent, faktorová analýza, shluková analýza, vícerozměrná regrese, diskriminační analýza, vícerozměrná analýza rozptylu, vícerozměrné škálování aj. ^5,6 Na tyto postupy později navazovaly aplikace AI a k jejich uplatnění v nukleární medicíně začátkem 80. let 20. století přispěli také naši autoři vývojem metod faktorové analýzy pro hodnocení dynamické scintigrafie. První práce na toto téma u nás publikovali Bakala a kol. ⁷ a autor tohoto textu se spolupracovníky. ⁸

Faktorová analýza vychází z představy, že proměnné veličiny pozorované na zkoumaných objektech mohou být považovány za vnější projev "skrytých" veličin –⁠ faktorů, které obvykle nemůžeme pozorovat a měřit přímo, ale které můžeme detekovat a kvantifikovat analýzou pozorovaných znaků měřených ve velkých souborech dat. Klasickým příkladem je prospěch dětí ve škole, kde známky na vysvědčení v jednotlivých předmětech ovlivňují faktory jako je jazykové, matematické, výtvarné anebo hudební nadání, nebo výsledky atletického desetiboje, kde výkon v jednotlivých disciplínách ovlivňují faktory jako je rychlost, síla, obratnost anebo vytrvalost. Faktorovou analýzou velkého počtu školních vysvědčení anebo výsledkových listin atletického desetiboje můžeme faktory identifikovat, interpretovat a kvantifikovat jejich příspěvek k výkonu jednotlivých účastníků studie.

V nukleární medicíně se faktorová analýza uplatnila při automatické segmentaci snímků dynamické scintigrafie na oblasti s odlišným časovým průběhem akumulace radiofarmaka. ^9–16 Výsledkem byly snímky jednotlivých "dynamických struktur" a jim odpovídající křivky čas –⁠ aktivita. (Obr. 1 a 2) K analyzovaným vyšetřením patřila dynamická scintigrafie ledvin, rovnovážná hradlovaná ventrikulografie, prvoprůtoková kardioangiografie, dynamická scintigrafie jater a žlučových cest aj. Data byla hodnocena dvěma odlišnými postupy. Původní zahraniční práce analyzovaly soubor elementárních histogramů v jednotlivých obrazových bodech snímků, odhadovaly faktorové histogramy a s jejich pomocí sestavovaly faktorové snímky segmentů se stejnou dynamikou. Přínos českých autorů spočíval mimo jiné v návrhu jednodušší a výpočetně méně náročné varianty analýzy snímků vedoucí k odhadu dynamických segmentů s následným výpočtem faktorových křivek. Při tomto (v principu jinak rovnocenném) způsobu analýzy bylo také možné snáze nastavit omezující kritéria vedoucí k přesnějším výsledkům.

Obr. 1: Příklady automatické "neostré" segmentace snímků prvoprůtokové kardioangiografie a dynamické scintigrafie ledvin pomocí faktorové analýzy na základě rozdílného průběhu četnosti impulzů v čase. Barevné segmenty generují příslušné křivky čas –⁠ aktivita podobně jako klasické oblasti zájmu (viz obr. 2), příspěvek každého pixelu ke křivce je zde ale vážen místním "faktorovým skóre" (jeden pixel tak může s různou vahou přispívat k více křivkám, pokud se faktory v daném místě snímku překrývají). Archiv autora.

Aplikace vícerozměrné analýzy scintigrafických snímků u nás iniciovali Ing. Erhard Tschernoster, který prosazoval výpočetní zpracování dat v medicíně na nově instalovaném počítači v IKEM, a prof. MUDr. Vladimír Štich, Ph.D. (tehdy Katedra a ústav biofyziky a nukleární medicíny FVL UK), který se s faktorovou analýzou seznámil při svém studijním pobytu ve Francii. ¹³ Na jejich podněty navázala práce kolektivu výpočetního střediska KÚBNM vedeného Ing. Evou Maříkovou. Koncepci vlastního přístupu k faktorové analýze dynamické scintigrafie vypracovali Ing. Miroslav Kárný, DrSc. (Ústav teorie informace a automatizace AV ČR), Ing. Helena Trojanová-Sůrová, CSc., a autor tohoto textu. Výpočetní programy psali Helena Trojanová-Sůrová (v jazyce Fortran), Martin Šámal (Basic, C, a později Matlab) a prof. Andrew Todd-Pokropek z University College London (C, C++). Zpracování jednoho vyšetření (~60 snímků 64 x 64, tehdy zhruba odpovídajících kapacitě paměti a jednoho "přenosného" disku) na počítači PDP-11 trvalo v 80. letech kolem půl hodiny, ladění programu a zpřesňování postupu byla práce na více dní (a často i nocí).

Kromě pracovníků výpočetního střediska a oddělení nukleární medicíny tehdejšího KÚBNM v Praze pod vedením prof. MUDr. Zdeňka Dienstbiera, DrSc. a doc. MUDr. Karla Bakose, CSc., program klinicky ověřovali prim. MUDr. Jiří Bakala ve Zlíně, doc. MUDr. Tomáš Blažek, CSc. ve FN Motol, prim. MUDr. Jozef Kubinyi, Ph.D., FEBNM v Ostravě, prim. MUDr. Jaroslav Masopust, CSc. ve Státním sanatoriu v Praze, MUDr. Oleg Reich, Ph.D. v Dětském kardiocentru 2. LF UK a FN Motol a další spolupracovníci u nás i na několika zahraničních pracovištích. Primář Bakala s kolektivem spoluautorů přihlásili v roce 1983 výsledky hodnocení rovnovážné hradlované ventrikulografie faktorovou analýzou do soutěže mladých kardiologů pořádané IKEM a v silné konkurenci klinických pracovišť získali první cenu. ⁷

Práce autorů z KÚBNM FVL UK na poli vícerozměrné analýzy scintigrafických snímků vedla (i díky tehdejšímu politickému uvolňování) k dlouhodobé mezinárodní spolupráci s několika pracovními skupinami v Evropě a v USA (Eberhard Karls Universität Tübingen, Inselspital –⁠ Universitätsspital Bern, University College London, St. Bartholomew's Hospital, Charing Cross Hospital a Great Ormond Street Hospital for Children v Londýně, University of Sheffield, Royal Naval Hospital Gosport, Medizinische Universität Wien, University of Illinois v Chicagu, Emory University v Atlantě, Johns Hopkins University v Baltimore, Mount Sinai Hospital v New Yorku aj.), která pokračovala až do druhé dekády 21. století a zahrnovala kromě společných publikací a přednášek stipendijní zahraniční pobyty, návštěvy zahraničních pracovníků v Praze a získání jedněch z prvních evropských grantů v České republice. Na téma faktorové analýzy a výpočetního zpracování obrazů v nukleární medicíně byla uspořádána mezinárodní satelitní sympozia ke kongresům EANM ve Vídni (Bratislava, 1991, České Budějovice, 2002), a ke kongresu EANM a WFNMB v Berlíně (Praha, 1998), a problematika vícerozměrné analýzy obrazové informace byla součástí programu 16. mezinárodního sympozia Information Processing in Medical Imaging (Visegrád, 1999) a 14. mezinárodního sympozia International Scientific Committee in Nephro-Urology (Mikulov, 2010), na jejichž organizaci a programu se pracovníci Ústavu nukleární medicíny 1. LF UK a VFN (klinického pracoviště vzniklého rozdělením KÚBNM FVL UK na ústav biofyziky a nukleární medicíny) podstatnou měrou podíleli.

Ještě nedávno se zjednodušená verze faktorové analýzy uplatnila jako nástroj poloautomatické subtrakce snímků [^99mTc]Tc-sestamibi a [^99mTc]NaTcO₄ SPECT při lokalizaci adenomů příštítných tělísek. ¹⁹ (Obr. 3) Budoucí vývoj aplikací metod AI v nukleární medicíně při zpracování a hodnocení výsledků klasických scintigrafických vyšetření (segmentace snímků, zvýšení kvality obrazu, snižování radiační zátěže atd.) a zejména při analýze velkého množství dat z dynamické tomografie SPECT/CT s detektory CZT a PET/CT (včetně celotělové) bude záležet mimo jiné na tom, jak se podaří sjednotit a standardizovat vyšetřovací postupy na jednotlivých pracovištích (nejenom u nás). Zkušenost i aktuální průzkumy ukazují, jak komplikovaná je v tomto směru situace například ve výše zmíněné scintigrafii ledvin u dětí. ²⁰

Martin Šámal,

Ústav nukleární medicíny

LF UK a VFN v Praze