南加州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)研究人員開發(fā)了一種新型人工智能系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確檢測(cè)癲癇發(fā)作類型，從而提高對(duì)罕見和復(fù)雜病例(甚至幼兒)的診斷能力。
美國(guó)有超過340萬人患有癲癇，全球有6500萬人患有癲癇，這是一種影響神經(jīng)系統(tǒng)并導(dǎo)致癲癇發(fā)作的神經(jīng)系統(tǒng)疾病。每26人中就有1人在一生中的某個(gè)階段會(huì)患上癲癇，每年每1000名癲癇患者中就有1人因意外死亡。
與許多疾病一樣，癲癇的治療始于早期發(fā)現(xiàn)。世界衛(wèi)生組織估計(jì)，如果得到充分診斷和治療，70%的癲癇患者可以擺脫癲癇發(fā)作。
多年來，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以通過大腦電極捕獲的腦電圖(EEG)信號(hào)來檢測(cè)和分類癲癇發(fā)作，尋找人類無法獨(dú)自解決的復(fù)雜關(guān)聯(lián)。
然而，這些系統(tǒng)在檢測(cè)罕見的癲癇發(fā)作方面一直舉步維艱。這是因?yàn)槿斯ぶ悄芤揽繑?shù)據(jù)來學(xué)習(xí)模式并做出預(yù)測(cè)——這些罕見癲癇發(fā)作的樣本不足限制了它在較不常見病例中表現(xiàn)良好的能力。
現(xiàn)在，南加州大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種人工智能系統(tǒng)，通過分析大腦相互作用來識(shí)別癲癇，從而改善罕見和復(fù)雜病例的診斷。該系統(tǒng)于2024年5月在知識(shí)發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)展(PAKDD)會(huì)議上展示，展示了比最先進(jìn)模型高出12%的改進(jìn)。
使用更少的數(shù)據(jù)生成準(zhǔn)確的結(jié)果
通過整合人工智能系統(tǒng)在癲癇檢測(cè)中通常會(huì)忽略的多種信息來源，包括腦電圖電極的位置和它們監(jiān)測(cè)的大腦區(qū)域，人工智能可以識(shí)別出表明癲癇發(fā)作可能發(fā)生時(shí)間的模式或特征。這種技術(shù)還可以幫助系統(tǒng)用較少的數(shù)據(jù)生成準(zhǔn)確的結(jié)果，即使在訓(xùn)練數(shù)據(jù)中可能只有少數(shù)示例的罕見癲癇類型中也是如此。
“通常，對(duì)于最簡(jiǎn)單的用例，人工智能系統(tǒng)可以判斷某人是否患有癲癇，因?yàn)檫@是一個(gè)簡(jiǎn)單的二元分類，”論文合著者、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電氣工程和空間科學(xué)教授賽勒斯·沙哈比(CyrusShahabi)表示。“但有些不同類型的罕見癲癇不容易分類——現(xiàn)有技術(shù)在這項(xiàng)任務(wù)中的準(zhǔn)確率很低。”
以失張力性癲癇為例，這是一種罕見的癲癇類型，經(jīng)常影響兒童，并引發(fā)突然失去肌肉控制和虛脫。在這種情況下，該系統(tǒng)將研究大腦區(qū)域的空間關(guān)系，并優(yōu)先考慮涉及肌肉控制的大腦區(qū)域，例如運(yùn)動(dòng)皮層、基底神經(jīng)節(jié)、小腦和腦干，以識(shí)別指示失張力性癲癇的活動(dòng)模式。
“在我們的框架中，我們擁有大腦各個(gè)部分的空間關(guān)系、語義和描述，”論文主要作者、由Shahabi指導(dǎo)的計(jì)算機(jī)科學(xué)博士生ArashHajisafi說道。“所有這些信息都被納入其中，以幫助模型找出此類癲癇發(fā)作的相關(guān)特征。因此，即使你向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入少量樣本，它仍然會(huì)學(xué)習(xí)。”
研究人員表示，這項(xiàng)研究的目的不是取代醫(yī)生，而是補(bǔ)充醫(yī)生對(duì)難以發(fā)現(xiàn)的病例的知識(shí)。南加州大學(xué)神經(jīng)學(xué)家、神經(jīng)學(xué)教授保羅·湯普森(PaulThompson)沒有參與這項(xiàng)研究，他認(rèn)為這是一個(gè)令人欣喜的突破，可能會(huì)改變臨床神經(jīng)學(xué)的“游戲規(guī)則”。
湯普森表示：“了解癲癇發(fā)作類型對(duì)于早期治療至關(guān)重要，但大腦活動(dòng)的記錄極其復(fù)雜。這一突破讓人工智能能夠檢測(cè)出人類難以識(shí)別的模式，讓臨床醫(yī)生能夠更輕松、更快速、更可靠地完成這項(xiàng)任務(wù)。”
研究人員希望該技術(shù)未來能夠被融入到向智能手機(jī)提供信息的可穿戴傳感器中。
“腦部癲癇發(fā)作非常突然，因此及早發(fā)現(xiàn)癲癇發(fā)作確實(shí)可以挽救生命，”Shahabi說道。“如果該系統(tǒng)檢測(cè)到腦電波有任何異常，就會(huì)發(fā)報(bào)。這將為癲癇的診斷和治療帶來難以置信的機(jī)會(huì)。”
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