富士膠片AI技術(shù)可預(yù)測認(rèn)知癥是否會進(jìn)展為阿爾茨海默病

與日本國立精神?神經(jīng)醫(yī)療研究中心共同研究 準(zhǔn)確率達(dá)88% 成果發(fā)表于《自然》雜志子刊

上海2022年4月21日 /美通社/ -- 富士膠片株式會社（以下簡稱“富士膠片”）和日本國立精神?神經(jīng)醫(yī)療研究中心宣布了利用富士膠片全新的AI技術(shù)預(yù)測輕度認(rèn)知功能障礙癥(MCI)患者是否會在兩年內(nèi)進(jìn)展為阿爾茨海默病(AD)的積極研究成果。這項用于AD進(jìn)展預(yù)測的人工智能技術(shù)^※1的準(zhǔn)確率達(dá)88%^※2，該研究成果已于4月12日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志子刊《npj Digital Medicine》上發(fā)表^※3。

該技術(shù)是由富士膠片基于其先進(jìn)的圖像識別技術(shù)以及機(jī)器學(xué)習(xí)方面的專業(yè)知識所開發(fā)的。

未來，富士膠片和日本國立精神?神經(jīng)醫(yī)療研究中心將進(jìn)一步驗證該技術(shù)，以期更好地應(yīng)用在針對AD疾病治療的臨床實驗中，對患者進(jìn)行分層。

研究背景與歷程

據(jù)估計，目前全球約有5500萬認(rèn)知障礙癥患者。而隨著人口老齡化，預(yù)計到2050年這一數(shù)字將增加到約1.39億。在認(rèn)知障礙癥中，AD患者（認(rèn)知障礙癥的一種）的人數(shù)最多，預(yù)計今后這一趨勢還會繼續(xù)。

近年來，在AD的新藥研發(fā)過程中更傾向于以早期的MCI患者為對象實施臨床試驗，以觀察β-淀粉樣蛋白的存在情況，因為β-淀粉樣蛋白是AD的主要致病物質(zhì)，在發(fā)病前就已經(jīng)開始蓄積。然而，大多數(shù)臨床試驗都沒有成功，其中一個原因是，兩年內(nèi)從MCI進(jìn)展到AD的患者比例不到20%^※5，臨床試驗期間有很多MCI患者未發(fā)現(xiàn)有進(jìn)展，被分配到對照組（服用安慰劑等）的患者也因未進(jìn)展到AD而被認(rèn)為其病情得到了控制。因此，從統(tǒng)計學(xué)角度而言無法得出可信結(jié)論。在這種情況下，富士膠片和日本國立精神?神經(jīng)醫(yī)療研究中心認(rèn)為，使用AI來預(yù)測哪些患者會從MCI發(fā)展到AD，并只對這些患者進(jìn)行臨床試驗，能夠正確地評估新藥的有效性，使治療與驗證取得成功。

研究內(nèi)容

近年來，大量研究報告表明，通過引入深度學(xué)習(xí)，圖像識別準(zhǔn)確率可以顯著提升，但要達(dá)到深度學(xué)習(xí)的效果，需要大量的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)支持。然而，目前世界最大的AD研究項目NA-ADNI^※6的公共數(shù)據(jù)庫中，也不過只有約1000名MCI患者的數(shù)據(jù)。通常，在物體識別研究領(lǐng)域，要形成深度學(xué)習(xí)需要超過1000萬張圖像。在這種情況下，如何通過有限的數(shù)據(jù)確立高準(zhǔn)確率的AI預(yù)測技術(shù)無疑是一項巨大的挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，富士膠片決定建立一種AD進(jìn)展預(yù)測AI技術(shù)，以大腦中與AD進(jìn)展高度相關(guān)的特定區(qū)域為對象，利用深度學(xué)習(xí)預(yù)測AD的進(jìn)展。

技術(shù)確立

• 富士膠片利用其在攝影和醫(yī)療領(lǐng)域積累的先進(jìn)圖像識別技術(shù)，從腦部三維MRI圖像中，分別對以(1)海馬體、(2)前顳葉為中心的區(qū)域進(jìn)行識別，因為，這兩塊區(qū)域被認(rèn)為與AD進(jìn)展最為相關(guān)。
• 利用深度學(xué)習(xí)，從以(1)海馬體、(2)前顳葉為中心的兩個區(qū)域，提取與AD進(jìn)展相關(guān)的詳細(xì)萎縮模式，并計算其圖像特征^※7。AI進(jìn)而專注于兩個區(qū)域確認(rèn)的、對讀片診斷起重要作用的海馬體區(qū)域和杏仁體區(qū)域的萎縮模式，并依據(jù)其模式識別其向AD的進(jìn)展（圖1）。
• 使用NA-ADNI公共數(shù)據(jù)庫的MCI患者數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)。除了被認(rèn)為與AD進(jìn)展高度相關(guān)的腦內(nèi)特定區(qū)域的圖像特征外，還確立了通過認(rèn)知能力測試評分等多種臨床信息進(jìn)行高精度AD進(jìn)展預(yù)測的技術(shù)。

[圖1]AI在預(yù)測AD進(jìn)展中關(guān)注的詳細(xì)萎縮模式（三維MRI檢查圖像）

技術(shù)驗證

• 富士膠片和日本國立精神?神經(jīng)醫(yī)療研究中心的研究小組，采用AD進(jìn)展預(yù)測AI技術(shù)，預(yù)測2年內(nèi)患者是否會從MCI進(jìn)展至AD。除了將AD進(jìn)展預(yù)測AI技術(shù)應(yīng)用于NA-ADNI數(shù)據(jù)庫外，還將其應(yīng)用于未學(xué)習(xí)過的J-ADNI^※8數(shù)據(jù)庫，對該技術(shù)的預(yù)測準(zhǔn)確性進(jìn)行了客觀的評估。
• 在預(yù)測MCI患者是否會發(fā)展為AD患者時，NA-ADNI的預(yù)測正確率為88%，J-ADNI為84%。
• 同時，與準(zhǔn)確率同等重要的AI精度指標(biāo)AUC^※9，NA-ADNI為0.95、J-ADNI為0.91（圖2）。

[圖2]表示NA-ADNI和J-ADNI評估結(jié)果的ROC曲線^※10

綜上所述，AD進(jìn)展預(yù)測AI技術(shù)可以高精度地預(yù)測不同人種從MCI到AD的進(jìn)展，屬于可推廣性較高的AI技術(shù)。

未來展望

富士膠片和日本國立精神?神經(jīng)醫(yī)療研究中心將在臨床試驗數(shù)據(jù)中，對根據(jù)AD進(jìn)展預(yù)測AI技術(shù)的預(yù)測結(jié)果分層的患者進(jìn)行分析，以進(jìn)一步驗證這項技術(shù)的有效性。具體而言，通過AD進(jìn)展預(yù)測AI技術(shù)預(yù)測患者的認(rèn)知障礙癥進(jìn)展速度，并通過(1)對沒有AD進(jìn)展的患者不進(jìn)行臨床試驗、(2)縮小對照組和治療組之間在進(jìn)展速度分布上的差異來研究提高臨床試驗成功率的可能性。力爭在AD治療藥物的新臨床試驗中使用AD進(jìn)展預(yù)測AI技術(shù)。

同時，還將探討將AD進(jìn)展預(yù)測AI技術(shù)的算法推廣到各種精神疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的腦部圖像和臨床數(shù)據(jù)中應(yīng)用。這關(guān)系到患者預(yù)后和對治療的反應(yīng)預(yù)測，我們希望在推動個性化醫(yī)療方面能發(fā)揮重要作用。

本研究是在日本國立研究開發(fā)法人科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)產(chǎn)學(xué)共創(chuàng)平臺共同研究推進(jìn)項目（JST、OPERA、JPMJOP1842）的贊助下實施的。