Какие характерные особенности (многие из которых неслышимы для человеческого уха) отличают один вид кашля от другого? Ученые вот-вот смогут это выяснить с помощью нового инструмента машинного обучения, предназначенного для выявления характерных звуков туберкулеза.
Кашель является ведущим симптомом респираторных инфекций. А поскольку характер и частота эпизодов кашля различаются от одного заболевания к другому, в настоящее время предпринимаются усилия по разработке приложения для смартфонов , которое будет достаточно чувствительным, чтобы точно распознавать кашель, связанный с туберкулезом.
В течение многих лет исследователи искали недорогой и высокотехнологичный инструмент для скрининга туберкулеза, особенно для использования в регионах мира с ограниченными ресурсами, где отсутствует инфраструктура здравоохранения, а диагностических инструментов не хватает.
Заболеваемость и смертность от туберкулеза снова растут после нескольких лет спада, что усиливает потребность в точных инструментах скрининга. Текущие золотые стандарты диагностики туберкулеза включают посев мокроты или молекулярные тесты GeneXpert. Но хотя эти методы диагностики очень точны, их стоимость вызывает беспокойство в тех частях мира, которые больше всего пострадали от туберкулеза.
Международная группа исследователей проверяет гипотезу о том, что уникальный характер и частота кашля при туберкулезе могут предоставить достаточные данные для выявления высокоинфекционного бактериального заболевания с использованием технологии, встроенной в приложение для смартфона.
В настоящее время приложение находится на стадии исследования и еще не готово к распространению. В настоящее время это инструмент машинного обучения под названием TBscreen, но, учитывая рост числа случаев туберкулеза во всем мире, его разработка пришлась как нельзя более в подходящее время.
В статье для Science Advances группа сотрудников Вашингтонского университета в Сиэтле и Кенийского центра исследований респираторных заболеваний в Найроби опубликовала данные о своем исследовательском приложении. В исследовательскую группу входят инженеры и ученые-компьютерщики, а также врачи и специалисты по инфекционным заболеваниям.
Когда они ввели звук кашля через различные микрофоны в TBscreen, команда обнаружила, что TBscreen — исследовательское приложение — и микрофон смартфона идентифицируют активный туберкулез более точно, чем когда звук кашля подавался через дорогие микрофоны.
«Чтобы изучить характеристики кашля как точный классификатор туберкулезного и не связанного с туберкулезом кашля, мы включили в исследование взрослых с кашлем, вызванным легочным туберкулезом и не связанной с туберкулезом этиологией, в Найроби, Кения», — пишет Мануджа Шарма, инженер из Университета Кении. Вашингтон в Сиэтле.
Инструмент машинного обучения «обучается» распознавать характер и частоту кашля, вызванного туберкулезом. Исследовательское приложение также обучается отличать кашель, связанный с туберкулезом, от кашля, вызванного другими респираторными заболеваниями.
Исследователи обнаружили, что существует множество факторов, влияющих на основные закономерности кашля, нюансы (некоторые из которых неслышимы для человеческого уха), которые инструмент должен распознавать, чтобы точно выявить туберкулез.
«Механизм образования кашля варьируется в зависимости от свойств слизи, силы дыхательных мышц, механочувствительности, химиочувствительности дыхательных путей и других факторов, приводящих к разнообразным звукам кашля», — добавил Шарма, ведущий автор нового анализа.
«Мы разработали дизайн исследования с минимальным фоновым шумом и изменчивостью окружающей среды между контрольной группой и группами больных туберкулезом, чтобы гарантировать, что модель обучается на различиях в особенностях кашля, а не на окружающем шуме», — объяснил Шарма, ссылаясь на приложение, инструмент машинного обучения. .
Новая технология классификации кашля была протестирована путем анализа 33 000 случаев пассивного кашля и 1200 случаев принудительного кашля у 149 пациентов с туберкулезом легких и 46 пациентов с другими респираторными заболеваниями. TBscreen смог отличить активный туберкулез от нетуберкулезного кашля с общей точностью примерно 82%. Команда обнаружила, что приложение и микрофон смартфона точнее предсказывали, какой кашель указывает на активный туберкулез, чем использование более дорогих микрофонов.
TBscreen показал наилучшие результаты при использовании звука смартфона Pixel для оценки пассивного кашля и выявления кашля у пациентов с более высокой бактериальной нагрузкой. Последний элемент указывает на потенциал TBscreen как инструмента сортировки, поскольку пациенты с повышенной бактериальной нагрузкой, как правило, болеют хуже.
Все участники были включены в исследование в Кенийском медицинском научно-исследовательском институте в Найроби, где эту часть анализа возглавлял доктор Виделис Ндуба. Каждому участнику было предложено сесть в тихой комнате и позволить кашлевому рефлексу проявиться естественным путем. Их кашель записывался в течение двух часов. Группа из 46 человек из контрольной группы, чей кашель также регистрировался в течение двух часов, следовала тем же инструкциям.
Это не первый случай, когда ученые-медики рассматривают кашель как возможный звуковой маркер для диагностики, скрининга или мониторинга туберкулеза. В прошлом году ученые из Калифорнийского университета в Сан-Франциско сообщили о результатах исследования по использованию приложения для мобильных телефонов для мониторинга частоты кашля среди пациентов, проходящих лечение от туберкулеза.
В исследовании Калифорнийского университета в Сан-Франциско приняли участие сотрудники из Уганды, Южной Африки, Индии, Филиппин и Вьетнама – всех регионов мира, где заболеваемость туберкулезом остается значительно высокой. Это приложение позволяло круглосуточно собирать данные о кашле пациентов.
Шарма и ее команда сообщили, что туберкулез вызывается вдыханием бактерии Mycobacterium Tuberculosis и является второй по значимости инфекционной причиной смерти после COVID.
В 2022 году, последнем году по полной статистике Всемирной организации здравоохранения, туберкулезом заразились 10,6 миллиона человек во всем мире и погибло около 1,4 миллиона человек. Туберкулез, который в основном передается через кашель и чихание, заражает людей уже по меньшей мере 9000 лет и на протяжении веков был основной причиной смертности от инфекционных заболеваний. Пандемия COVID выдвинула туберкулез на второе место.
«Наши результаты подтверждают целесообразность использования широко доступного записывающего устройства — смартфонов — для скрининга на туберкулез по месту оказания медицинской помощи», — заключил Шарма, отметив, что базовая основа этой стратегии скрининга может также способствовать исследованиям в области диагностики туберкулеза. другие легочные заболевания.
