На вопрос «что делает вас вами?» кто-то скажет семья, работа, друзья, характер, таланты и т.д. Но самым универсальным для всех вариантов является наш разум. Именно он делает нас теми, кем мы есть. Однако, как и любой другой орган или система в организме человека, мозг не вечен. Потерять руку это ужасно, но потерять свой разум еще ужаснее, особенно если карьера человека всегда опиралась именно на умственную деятельность, то есть он был ученым, преподавателем, писателем, философом и т.д. Дегенеративные процессы головного мозга, часто именуемые деменцией, проще всего лечить на ранних этапах развития заболевания. Но для этого нужно сначала диагностировать эту самую деменцию, что является весьма непростой задачей.

Сегодня мы поговорим об исследовании нового метода диагностики деменции с использованием машинного обучения, визуального/звукового анализа и виртуального собеседника-диагноста. Насколько эффективен этот метод и какие, ранее неизвестные, симптомы он обнаружил мы узнаем из доклада ученых. Поехали.

Этиология деменции

Определение деменции гласит, что это приобретённое слабоумие, выраженное в снижении способности человека усваивать новые знания, навыки и информацию, а также в проблеме использовать ранее приобретенные знания, навыки и информацию.

Прежде всего стоит отметить слово «приобретённое», то есть данное заболевание, точнее группа болезней, не являются врожденными. Чаще всего деменцию ассоциируют с людьми преклонного возраста. Все мы слышали о таких заболеваниях как болезнь Альцгеймера, церебральный атеросклероз, реже о болезни Пика. Все эти жуткие болезни относятся к категории деменций.

МРТ снимки и иллюстрации разницы здорового мозга и пораженного болезнью Альцгеймера: значительное уменьшение гиппокампа, отвечающего за формирование новых воспоминаний; сморщивание коры негативно влияет на участки, ответственные за мышление, планирование и запоминание; желудочки мозга увеличены.

Люди с деменцией забывают кто они, не могут вспомнить даже самые яркие события в своей жизни, часто не помнят, что было пару минут назад. Их поведение порой неадекватно, иррационально, иногда напоминающее состояние бреда и даже галлюцинаций. Сей недуг несет много горя и проблем не только самому больному, но и родным, окружающим его. Осознание того, что человек, которого ты всю жизнь знал как умного и проницательного, вдруг начинает терять себя, это тяжелое бремя. Сколько бы времени вы не потратили на пересказы всей биографии больного, на толкование что и как работает вокруг, он все равно забудет это, не через 5 минут, так через час.

Как предотвратить деменцию? Ответ до абсурда прост — вести здоровый образ жизни. Вредные привычки, отсутствие нормированных физических нагрузок и, самое главное, регулярной разминки для ума становятся фундаментом для развития деменции при достижении преклонного возраста. Конечно, есть типы слабоумия, вызванные другими заболеваниями или травмами. В таких ситуация все зависит еще и от основного лечения первопричины, так как деменция становится уже косвенной, своего рода сильным симптомом.

Сейчас ученый свет уделяет значительно больше внимания не лечению деменции, а ее предотвращению. Для этого необходимо выявить сей недуг на самых ранних стадиях развития. Чем раньше он будет выявлен, тем больше вероятность остановить его развитие в дальнейшем. Методов диагностики много, и каждый чем-то хорош.

Герои сегодняшней истории это ученые, решившие применить компьютерные технологии для того, чтобы подстраховать и помочь медикам в столь сложной задаче как диагностика ранних стадий деменции. Нынешние методы обнаружения болезни сопряжены с анализами крови, МРТ, анализом спинномозговой жидкости и когнитивными тестами, которые проводят группы специалистов. Это работает, но занимает не мало времени и денег, которых у пациента может не быть.

Виртуальный собеседник

Когда речь идет о диагностике заболеваний, которые проявляются вербальными, лексическими и физиогномическими изменениями, важен метод уловить эти отклонения от нормы. Также важно расположить пациента к диалогу с диагностом. Когда этим диагностом является живой человек, то проблем не так много, но если роль врача отыгрывает компьютерный аватар, то нужно учесть определенные особенности пациентов.

Интерфейс программы диагностики деменции.

Прежде всего стоит отметить, что основой аватара стала программа MikuMikuDance — редактор анимации, с помощью которой человек может создавать трехмерные анимированные ролики. Учитывая страну происхождения данного исследования — Япония — язык сей программы также японский. Система виртуального собеседника способна распознавать речь, управлять диалогами, преобразовывать речь в текст и изменять поведение аватара, подстраиваясь под испытуемых.

В процессе создания системы участвовали практикующие медики, которые консультировали программистов касательно некоторых тонкостей работы с пожилыми людьми, выступающими в данном исследовании в качестве испытуемых. Во-первых, скорость речи аватара была немного снижена для улучшения восприятия до 3.38 слов в секунду. На экране отображаются субтитры (шрифт Gothic, размер букв — 80) на случай, если у испытуемого проблемы с восприятием устной речи (это может быть связано как с симптомами деменции, так и с банальными проблемами со слухом). Также был понижен на 0.7% изначально высокий тон голоса аватара.

Сам аватар представляет собой трехмерную модель молодой девушки на бежевом фоне без каких-либо изображений, так как они могли бы отвлекать испытуемых от процесса. Когда испытуемый произносит фразу, аватар кивает в ответ, если он ее распознал.

Этапы проведения диагностики

Всего есть 6 этапов, каждый из которых имеет свою задачу (на изображении выше отмечены буквами a, b, c, d, e, f).

I. Представление (а), когда система здоровается с испытуемым, называет свое имя и задает следующие вопросы:

— Как Вас зовут?

— Сколько Вам лет?

По словам исследователей, этот хоть и небольшой вступительный диалог позволяет снизить психологическое напряжение у испытуемых, а также знакомит их с тем, как работает данная система.

II. Зрительное отслеживание (b), когда на экране появляется черная точка, за которой испытуемый должен следить в течении двух минут. Этот тест позволяет проанализировать задержку реакции.

III. Чтение (с), когда проводится тест памяти Векслера (WMS-R). На экране появляется текст, который испытуемые читают вслух.

IV. Общие для всех вопросы (d), когда всем испытуемым задается 3 вопроса: какой сегодня день (Q1), расскажите о себе что-то (Q2) и как Вы сюда добрались, то есть до места проведения теста (Q3).

V. Случайные вопросы (е), когда аватар задает 5 вопросов, которые случайным образом выбираются системой из 13 заранее подготовленных:

• Какое сейчас время года?
• Какой сейчас год?
• Кто премьер-министр Японии?
• Вы левша или правша?
• Вы хорошо спите?
• Какой у Вас аппетит?
• Расскажите, пожалуйста, о недавнем событии, которое было для Вас стрессовым.
• Расскажите, пожалуйста, о Хибари Мисора (известная японская певица).
• Расскажите, пожалуйста, об Юдзиро Исихара (известный японский актер).
• Расскажите, пожалуйста, о Шигео Нагашима (известный японский бейсболист).
• Какое у Вас хобби?
• Какая Ваша любимая песня?
• Расскажите, пожалуйста, о Вашей семье.

VI. Пересказ (f), когда система проигрывает запись, на которой психолог читает текст, а испытуемые должны пересказать этот рассказ.

Важной особенностью являются паузы, которые делает система перед тем как задать следующий вопрос: 10 с — для простых вопросов с короткими ответами и 15 с — для сложных вопросов. Для интеракции между людьми подобные паузы являются довольно длинными. Однако для того, чтобы система могла распознавать речь даже с низкой амплитудой, было решено применить более продолжительные паузы.

Весь процесс общения испытуемого и аватара-диагноста записывался на камеру для дальнейшего анализа изображения и звука (физиогномики и речевых особенностей каждого испытуемого).

В данном исследовании приняли участие 33 испытуемых. У 16 (12 мужчин и 4 женщины) из них уже есть клиническое подтверждение деменции, а остальные 17 (13 мужчин и 4 женщины) — здоровы. Обе группы проходили тесты отдельно друг от друга в разных помещениях.

Данные испытуемых. Пометки: AD — болезнь Альцгеймера; NPH — гидроцефалия нормального давления; DLB — деменция с тельцами Леви; MCI — слабые когнитивные нарушения.

Таблица выше содержит краткую информацию о каждом испытуемом: наличие/отсутствие деменции, возраст, коэффициент образования, пол, балл по MMSE (краткая шкала оценки психического статуса — анкета из 30 вопросов) и время, потраченное на тест с аватаром-диагностом.

Далее из 33 участников исследования были исключены четверо, так как у двоих из группы с диагнозом он еще не был клинически подтвержден, а двое из здоровой группы набрали 22 и 23 балла по MMSE, что ниже проходного.

Тест MMSE уже служит хорошим подспорьем, поскольку его результаты по большей степени соответствуют наличию или отсутствию диагноза у испытуемых. Средний балл здоровой группы выше, чем у группы с деменцией.

Полученные аудио и видео данные прогонялись через систему распознавания наличия или отсутствия симптомов деменции, которая была построена на базе двух алгоритмов машинного обучения. Основными моделями классификаторов стали логистическая регрессия и метод опорных векторов. Основными критериями оценки состояния испытуемого стали:

• Gap — пауза между вопросом аватара и ответом испытуемого;
• F0cov — коэффициент вариаций произнесенных высказываний;
• Smile — показатель числа кадров в записи испытуемого, на котором он улыбается;
• h1a3 — разница между амплитудами первой гармоники (h1) и третьей форманты (a3), позволяющая определить «качество» голоса;
• Power — амплитуда голоса;
• Verbs — глаголы, использованные испытуемым;
• Corr. — исправления во время речи;
• # of pauses — число пауз между предложениями;
• Prop. of pauses — доля пауз во время ответа;
• Hesitations — коэффициент неуверенности во время ответа;
• Tokens — речевые токены (число слова);
• Nouns — существительные;
• AR — скорость артикуляции;
• TTR — соотношение уникальных слов и повторяющихся;
• D value — индекс разнообразия.

P-значение (P-value) — в данном случае чем ниже этот показатель, тем больше разница между результатами двух групп испытуемых. Cohen's D или размер эффекта показывает насколько сильно влияние того или иного критерия на формирование конечного результата, то есть диагноза. Trend — показывает вектор изменения тенденции в группе с деменцией.

В таблице выше показан коэффициент связи между показателем критерия «паузы» и типом вопросов, а также P-значение здоровой группы и группы с деменцией.

Как видно из этих данных, самым простым для испытуемых с деменцией вопросом был — как Вы сюда добрались, то есть до места проведения теста? Это связано с тем, что данная информация относится к событиям недалекого прошлого.

ROC-кривая оценки качества классификации логистической регрессией и методом опорных векторов.

Точность диагностики системы на базе логистической регрессии составил 0.91, а на базе опорных векторов — 0.93.

Для более детального изучения исследования можете ознакомиться с докладом ученых.

Эпилог

Данные результаты говорят о достаточно высокой точности этого необычного метода диагностики, который комбинирует в себе диалог с виртуальным собеседником, звуковой и визуальный анализ и машинное обучение.

Конечно, к данному исследованию могут быть претензии. Так, многие считают, что использование Р-значения позволяет манипулировать результатами опытов, подгоняя их под желаемые, тем самым дискредитируя его. Однако исследователи утверждают, что их труд основан на реальных измерениях. Будем надеяться, что это правда. Ведь подобные исследования, если они проведены честно и с большим вниманием, имеют огромное значение для человечества.

Я пишу эту статью не столько с целью поделиться информацией касательно вышеописанного исследования, сколько ради очередного, но не лишнего, оглашения той проблемы, которую часто не замечают. Деменция это не просто «старческий маразм», это серьезная проблема как для самого больного, так и для его родных. К сожалению, проблема деменции не столь ярко обсуждается в странах постсоветского пространства. Однако, уделив внимание разработке быстрого, дешевого и эффективного метода превентивной диагностики деменции, можно улучшить качество жизни миллионов людей. Не говоря уже о социальной пользе. Ведь многие страдающие деменцией не просто способны что-то делать для общества и/или хотя бы для родных, но и хотят этого. Но из-за болезни они становятся заложниками собственного разума, который по неудачному стечению обстоятельств и факторов не может работать так, как раньше. Человек, чье сознание возвращается из небытия лишь на мгновение, чтобы осознать свою неспособность нормально мыслить и ощутить этот ужас, выразив его даже не вербально, а лишь взглядом — такое «зрелище» позволяет понять одно — без нашего мозга мы просто мешки с мясом и костями.

Не буду спорить с тем, что данный материал не столь познавателен, как хотелось бы. Но, повторюсь, это исследование лишь повод выразить мысль человека, который напрямую каждый день сталкивается с деменцией. Как я говорил ранее — разъяснения, напоминания, логика, подсказки и прочие вещи работают только со здоровым человеком. Деменция забирает у человека не только память и умение здраво мыслить, она забирает у человека его самого.