Jednoduchá špirála alebo lomená čiara by v budúcnosti mohli byť súčasťou vyšetrenia Parkinsonovej choroby. Vedci vyvinuli systém umelej inteligencie, ktorý nesleduje iba výsledný obrázok, ale aj nepatrné zmeny tlaku pera, pohybu a koordinácie ruky. V experimente dokázal rozlíšiť ľudí s Parkinsonovou chorobou od zdravých účastníkov s presnosťou takmer 99 percent. Zatiaľ však nejde o test, ktorým by sa dala diagnóza stanoviť doma.
Výskumníci z indickej Siksha 'O' Anusandhan University a National Institute of Technology Jamshedpur využili jednu zo známych vlastností Parkinsonovej choroby – jej vplyv na jemnú motoriku. Výsledky publikovali 22. augusta vo vedeckom časopise.
Systém analyzuje dve jednoduché kresliace úlohy. Prvou je špirála, druhou takzvaný meander, teda súvislá čiara s opakujúcimi sa zmenami smeru. Podobné kresby sa pri výskume Parkinsonovej choroby používajú už dlhšie. Ochorenie môže ovplyvniť rýchlosť pohybu, koordináciu, plynulosť ťahov aj tlak vyvíjaný na pero.
Vedci pracovali s verejne dostupným súborom NewHandPD, ktorý vznikol na lekárskej fakulte São Paulo State University v Brazílii. Obsahuje údaje 66 ľudí – 31 pacientov s Parkinsonovou chorobou a 35 zdravých účastníkov.
Pri kreslení používali biometrické pero vybavené senzormi. Zaznamenávalo polohu pera, jeho tlak, náklon a zrýchlenie, ale aj ďalšie údaje súvisiace s pohybom ruky. Počítač tak mohol skúmať odchýlky, ktoré pri obyčajnom pohľade na kresbu nemusia byť viditeľné.
Samostatne analyzoval aj samotný obrázok. „Rukou kreslené obrázky poskytujú priestorové charakteristiky nepravidelností ťahov, deformácií spôsobených trasom a odchýlok tvaru,“ vysvetľujú autori štúdie. Senzorové údaje naopak zachytávajú napríklad kolísanie rýchlosti, nepravidelnosť tlaku či problémy s koordináciou.
Výskumníci nechali rôzne modely umelej inteligencie analyzovať oba typy informácií. Systémy počítačového videnia hľadali v obrázkoch drobné nepravidelnosti v čiarach, zakrivení a celkovom tvare. Senzory umožnili rekonštruovať priebeh kreslenia – teda ako sa ruka pohybovala, ako sa menil tlak na pero a nakoľko bol pohyb plynulý a koordinovaný.
Modely optimalizovali pomocou algoritmu nazvaného SNAKE a ich výsledky následne spojili do jedného rozhodnutia.
Pri kreslení špirály dosiahol systém na použitej databáze presnosť približne 97,7 percenta. Ešte lepšie dopadol meander, pri ktorom správne klasifikoval účastníkov v 98,95 percenta prípadov. Práve preto sa objavilo zaokrúhlené tvrdenie o 99-percentnej presnosti.
Obe kresby pritom odhaľovali trochu iné problémy. Meander s opakujúcimi sa ostrými zmenami smeru môže zvýrazniť problémy so stabilitou pohybu, zmenami smeru a kontrolou úchopu. Špirála zase vyžaduje nepretržitú koordináciu ruky a udržiavanie plynulého zakrivenia. Systém pri nej dokázal zachytiť nepravidelnosti súvisiace s koordináciou a kontrolou pohybu.
Myšlienka hľadať Parkinsonovu chorobu pomocou pera nie je nová. Ochorenie poškodzuje nervové bunky produkujúce dopamín a medzi jeho typické motorické prejavy patria spomalenie pohybu, svalová stuhnutosť či tras. Jemné motorické zmeny sa preto môžu prejaviť aj pri písaní a kreslení.
Staršie experimenty so „smart“ perom ukázali, že kresby pacientov s Parkinsonovou chorobou vykazovali nižšiu plynulosť pohybu a väčšie kolísanie sily vyvíjanej na pero. Senzory dokázali zachytiť aj charakteristické frekvencie trasu, ktoré obyčajné vizuálne posúdenie kresby neodhalilo.
Digitálna analýza Archimedovej špirály sa preto skúma ako potenciálny objektívny nástroj na hodnotenie trasu a motorických porúch. Zatiaľ však neexistuje jednotná štandardizovaná metóda vhodná na všeobecné klinické používanie.
Výsledok takmer 99 percent nemožno zamieňať za spoľahlivú domácu diagnózu. Štúdia pracovala iba so 66 ľuďmi z jednej existujúcej databázy. Vedci navyše systém netestovali v nezávislej veľkej skupine pacientov z viacerých nemocníc.
Autori upozorňujú, že nemali k dispozícii dostatok údajov na zohľadnenie možných rozdielov súvisiacich s vekom, pohlavím či dominantnou rukou. Databáza neobsahovala ani podrobné údaje o závažnosti Parkinsonovej choroby, dĺžke ochorenia či užívaných liekoch.
Najmä preto nemožno výsledok interpretovať tak, že nakreslenie špirály dokáže s 99-percentnou istotou diagnostikovať Parkinsonovu chorobu. Ani samotní autori to netvrdia. Systém označujú za výskumný nástroj, ktorý by po ďalšom overení mohol lekárom pomáhať pri rozhodovaní.
Pred reálnym nasadením bude potrebné testovanie na väčších a rozmanitejších skupinách pacientov, nezávislé overenie, multicentrické klinické skúšky aj priame porovnanie s neurológmi.
Ak sa výsledky potvrdia, výhodou podobného systému by mohla byť jeho jednoduchosť. Kreslenie nevyžaduje invazívny zákrok a digitálne pero alebo tablet dokáže počas niekoľkých okamihov zhromaždiť veľké množstvo údajov o jemnej motorike človeka. Autori preto vidia potenciál predovšetkým v lacnom a neinvazívnom skríningu, prípadne vo vzdialenom sledovaní pacientov.
Podobným smerom ide aj ďalší výskum. Štúdia publikovaná v júli kombinovala obrázky špirál a meandrov s údajmi o pohybe pera a tiež dosiahla pri experimentálnom rozlišovaní pacientov veľmi vysokú úspešnosť. Jej autori však rovnako zdôraznili potrebu overenia na väčších nezávislých skupinách.
Jednoduchá kresba tak môže poskytnúť prekvapivo veľa informácií o fungovaní nervového systému. Pero samo Parkinsonovu chorobu neodhalí, no v kombinácii so senzormi a umelou inteligenciou môže raz upozorniť lekára na zmeny, ktoré ľudské oko ešte nevidí.