Emory Universityn tutkijat käyttävät Google Cloud sepsiksen ennustamiseen tehohoidon potilaiden keskuudessa

Sepsis on eräs immuunijärjestelmän autoimmuunivasteista tulehdukseen. Sepsiksen saa vuosittain noin 750 000 amerikkalaista, ja se on Yhdysvaltain sairaaloissa hoidetuista sairauksista tappavimpia ja hoitokustannuksiltaan kalleimpia. Sen diagnosointiin ei ole nopeaa keinoa, mutta sepsiksen aikaisella havaitsemisella ja ennaltaehkäisyllä voitaisiin pelastaa paljon henkiä sekä säästää rahaa ja resursseja. Emory Universityn lääketieteellisen tiedekunnan biolääketieteellisen informatiikan laitoksen tohtorit Shamim Nemati ja Ashish Sharma lähestyvät tätä haastetta innovatiivisella tavalla: Nemati on luonut tekoälyalgoritmin, joka hyödyntää 30 000:n Emoryn teho-osastoilla hoidetun potilaan anonyymejä potilastietoja sekä analysoi 65:tä niiden muuttujaa, kuten vitaaliparametreja, demografisia tietoja ja laboratoriotutkimusten tuloksia. Algoritmi seuraa potilaan tietovirtaa viiden minuutin välein, kokoaa tulokset lääkärin arvioitavaksi ja koostaa niiden perusteella reaaliaikaisen pistearvon, joka kuvastaa sepsiksen todennäköisyyttä. Sepsiksen havaitseminen varhaisessa vaiheessa on ensiarvoisen tärkeää; lääkäri näkee pistearvon ja sen perusteet silloin kun antibioottihoidolle saadaan paras vaste.

Ratkaisu kriittisen hoidon tarpeisiin

Algoritmilla on kolme pääkomponenttia: syötetyt ja tallennetut tietojoukot, tietoja analysoiva tekoälyalgoritmi ja lääkäreiden käyttöliittymä. Tietojen syöttö- ja tallennusjärjestelmä on erityisen monimutkainen: jokaisesta potilaasta on kymmeniätuhansia megatavuja erittäin tarkkoja tietoja (mm. verenpaine, hengitystiheys), joissa on oltava aikaleima ja jotka on suojattava tarkasti, ja lisäksi tietoja on voitava käsitellä välittömästi äärimmäisen kiireellisissä tapauksissa. Algoritmi näyttää lääkärille sepsiksen riskiä kuvastavan, helppolukuisen koontipistemäärän. Hälytysjärjestelmä ilmoittaa lääkärille, kun potilaan arvot ylittävät sepsiksen riskirajat, minkä ansiosta kiireinenkin henkilökunta voi aloittaa hoidon nopeasti.

Tohtori Sharma suunnitteli sovelluksen Google Cloud ‑alustalla yhdistelemällä Google Cloud:n ja avoimen lähdekoodin työkaluja (mm. TensorFlow) ja mikropalvelusäiliöitä. Tämä mahdollistaa syötettyjen tietojen sulavan ja lähes välittömän käsittelyn, ennakoivan analyysin ja tulosten näyttämisen suoraan käyttöliittymän kautta – kaikki tämä reaaliajassa. Nemati ja Sharma loivat Google Cloud:hen FHIR (Fast Healthcare Interoperability Resources) ‑tietokannan, jonka ansiosta sovellusta voidaan skaalata ja käyttää eri laitosten kesken luotettavalla, vakaalla ja tietosuojatulla alustalla, joka voidaan integroida muihin pilvitekniikkaa käyttäviin hankkeisiin, kuten Emoryn sairaaloissa jo käytössä oleviin puettaviin seurantalaitteisiin.

Google Cloudin skaalautuvuus

Nemati ja Sharma sekä heidän työryhmänsä Emoryssa tekevät yhteistyötä Emory eICU Centerin kanssa tavoitteenaan vahvistaa algoritmin toimivuus paikallisten palvelinten sisältämillä tiedoilla. Algoritmia testattiin eri aikaväleillä niin, että sepsis voitiin ennustaa 85 %:n tarkkuudella 4‒6 tuntia ennakkoon. Kun ohjelmaa alettiin ottaa käyttöön muualla, avuksi otettiin App Engine. ”Muunsimme TensorFlow-pohjaisen sepsiksen ennustavan algoritmin Google App Enginella suoritettavaksi sovellukseksi. Näin meidän ei tarvitse huolehtia algoritmin suorittamiseen ja skaalaamiseen tarvittavasta infrastruktuurista, vaan voimme keskittyä täysin algoritmin parantamiseen,” Nemati kertoo.

Nyt kun algoritmin tiedetään toimivan, sen testausta aiotaan laajentaa kattamaan yhä useampia lääkäreitä ja potilaita. Algoritmi aiotaan myös sovittaa Google Cloud Machine Learning Enginelle ja sen TPU:ille, mikä parantaisi suorituskykyä ja skaalattavuutta, ja siihen aiotaan sisällyttää potilaiden tietojen vuotoriskin minimoiva salaus molemmissa päissä. Google Cloud-alustalla suoritettavan laajan, hajautetun tutkimuksen perusteella tutkijat voivat pohtia uusia kysymyksiä: Mikä on tarkkojen ennusteiden ja parhaiden hoitojen kannalta ihanteellinen aikaväli? Parantaako algoritmi hoitoa? Miten riskin pistemäärä vaikuttaa hoitoon eri sairaaloissa, joiden työnkulut ja työkulttuuri vaihtelevat?

"Sharma ymmärtää, että lopulta teho-osastojen hoitotulokset ratkaisevat. ”Algoritmi on niin tehokas siksi, että sen avulla lääkärit saavat toimintoikkunaan tietoja silloin, kun merkityksellisiin hoitotoimenpiteisiin voidaan ryhtyä. Algoritmi perustuu läpinäkyvään syväoppimiseen, joka kertoo lääkärille, mihin potilaan riskin arvio perustuu.” Nemati on samaa mieltä: ”NEJM:ssä vuonna 2017 julkaistussa artikkelissa osoitettiin, että sepsiksen hoidossa jokainen tunnin viivästyminen nostaa potilaan kuoleman riskiä neljällä prosentilla. Miten monta henkeä pelastuisi, jos sepsis voitaisiin tunnistaa algoritmin avulla ja potilaille antaa antibiootteja ajoissa? Emme tiedä vielä, mutta asiaa tutkitaan Emoryssa, ja tulosten on oltava yleistettäviä.”