Naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego opracowali pierwszą na świecie metodę szybkiego rozpoznawania bakterii oraz grzybów na zdjęciach pochodzących z mikroskopów świetlnych. Nowa technologia wykorzystuje głębokie sieci neuronowe i sztuczną inteligencję. Docelowo ma ona wspomagać pracę diagnostów laboratoryjnych i lekarzy, ale będzie mogła być też stosowana w przemyśle, monitorowaniu bezpieczeństwa żywności czy pracach badawczych. Krakowska uczelnia chce możliwie szybko wprowadzić nowe rozwiązanie do użytku klinicznego.

„Dla użytkownika tego rozwiązania wszystko wydaje się być bardzo proste. Do systemu informatycznego należy przesłać zrobione pod mikroskopem zdjęcia mikroorganizmów. W odpowiedzi system generuje raport z wykazem konkretnych gatunków bakterii czy grzybów, które są obecne w badanym materiale. Cała operacja zajmuje nie więcej niż minutę” – tłumaczy dr hab. Bartosz Zieliński, prof. UJ, z Instytutu Informatyki i Matematyki Komputerowej UJ.

 

To, co wydaje się być proste od strony operatora systemu, jest dużo bardziej złożone od strony technologii niezbędnej do uruchomienia takiego rozwiązania. A stoją za nim m.in. głębokie sieci neuronowe oraz blisko dziesięcioletnie rezultaty interdyscyplinarnych prac badawczych prowadzonych pod kierunkiem prof. dr hab. Moniki Brzychczy-Włoch, kierownika Zakładu Molekularnej Mikrobiologii Medycznej UJ oraz dr hab. Bartosza Zielińskiego, prof. UJ, z Instytutu Informatyki i Matematyki Komputerowej UJ.

 

„Wszystko zaczęło się od pomysłu rzuconego przed kilkoma laty, by spróbować połączyć siły zespołu informatyków i mikrobiologów. Zadaliśmy sobie pytanie, czy da się nauczyć sztuczną inteligencję rozpoznawać konkretne gatunki bakterii w obrazach widzianych pod mikroskopem .Na szczęście informatycy podjęli to wyzwanie i dziś mamy technologię, która jest gotowa do testowania w warunkach klinicznych” – mówi prof. dr hab. Monika Brzychczy-Włoch.

 

Nowe rozwiązanie działa dzięki specjalnie zoptymalizowanym głębokim sieciom neuronowym. Nowoczesne technologie pracują w oparciu o obrazy mikroskopowe, przedstawiające gatunki zarówno bakterii, jak i grzybów drożdżopodobnych. System analizuje te obrazy w celu detekcji mikroorganizmów w materiale biologicznym, a także ich precyzyjnej identyfikacji. Jak podkreśla dr hab. Bartosz Zieliński, prof. UJ, jednym z wyzwań na etapie doskonalenia rozwiązania było przystosowanie sieci neuronowych do efektywnej analizy w oparciu o ograniczone ilości danych wejściowych. Co do zasady, sieci neuronowe pracują na ogromnych ilościach danych, tu natomiast zespoły badaczy dysponowały stosunkowo niewielką jak na sieci neuronowe liczbą obrazów klinicznych oraz materiałów z hodowli mikroorganizmów. To wymagało prowadzenia szeregu prac, które adaptowały specyfikę sieci neuronowych na potrzeby tak konkretnego wyzwania.

 

„Pierwsze nasze badania były stosunkowo łatwe i postępowały szybko. Szczególnie gdy rozwiązanie miało identyfikować mikroorganizmy na podstawie fotografii z hodowli ściśle określonych bakterii czy grzybów. Schody pojawiają się jednak w sytuacji, gdy katalog mikroorganizmów, które system może rozpoznać, ulega ciągłemu poszerzaniu, a na zdjęciach z mikroskopu widać duże zagęszczenia wielu typów bakterii. W takich sytuacjach identyfikacja gatunków jest trudna, a dla ludzkiego oka niemożliwa. Dopracowanie algorytmów na tym poziomie i uzyskanie satysfakcjonującego poziomu predykcji, czyli przekraczającego 90 procent, uważam za nasze spore osiągnięcie” – dodaje dr hab. Bartosz Zieliński, prof. UJ.

 

Co ważne, na podstawie analizy obrazu morfologii mikroorganizmów stworzona technologia umożliwia identyfikację do poziomu konkretnego gatunku. Warunek ten jest spełniony, nawet gdy materiał zawiera w sobie kilka typów bakterii. Obecnie system jest w stanie zidentyfikować kilkadziesiąt gatunków bakterii oraz grzybów drożdżopodobnych. Jak zaznaczają twórcy rozwiązania, nie ma ono żadnych ograniczeń jeśli chodzi o dalszy rozwój i zdolności diagnostyczne. Docelowo system rozpozna każdy gatunek, o ile wcześniej się z nim zaznajomi i go nauczy. Dlatego właśnie badacze z UJ budując systemową bibliotekę mikroorganizmów, zaczęli od tych patogenów, które spotykane są najczęściej. Na kolejnych etapach będą „uczyć” system rozpoznawania gatunków, które rzadziej występują w materiałach biologicznych.

 

W opinii badaczy system może skutecznie identyfikować nie tylko bakterie czy grzyby, ale także pierwotniaki, w tym na przykład jednokomórkowe zarodźce malarii. Opracowana technologia może stanowić ciekawą alternatywę dla stosunkowo kosztownych w użyciu narzędzi metod diagnostycznych, takich jak Real-time PCR, MALDI TOF, czy innych metod, które – co warto podkreślić – również nie dają informacji zwrotnej natychmiast. Poza zastosowaniami klinicznymi może się ona sprawdzać również w innych obszarach – w zasadzie wszędzie tam, gdzie konieczne jest prowadzenie mikroskopowych badań pod kątem wykrywania oraz identyfikacji mikroorganizmów.

 

„Opracowany przez nas system może docelowo pełnić funkcję samodzielnego i autonomicznego narzędzia do identyfikowania mikroorganizmów w badanych materiałach biologicznych, jak również może być wsparciem czy uzupełnieniem dla dotychczas stosowanych metod laboratoryjnych. Wszystko zależy od przyjętego w laboratorium modelu. Ważne jest natomiast to, że wynik badania dostarczany jest praktycznie natychmiast od momentu wgrania zdjęcia do systemu. To kluczowa kwestia w sytuacjach, gdy pacjent już ma rozwinięte zakażenie i potrzebna jest szybka diagnoza, na przykład po to, by natychmiast wdrożyć odpowiednie leczenie” – wyjaśnia prof. dr hab. Monika Brzychczy-Włoch.

 

UJ zamierza wprowadzić nową technologię do użytku klinicznego możliwie szybko. Aby to się stało, konieczne jest jednak przeprowadzenie dalszych badań z udziałem klinicznych materiałów biologicznych, a także przejście szeregu procedur wymaganych do dopuszczenia technologii do zastosowania laboratoryjnego. „Do przejścia kolejnych etapów potrzebny nam jest partner branżowy oraz dodatkowe finansowanie badań. Oczywiście nie wykluczamy finansowania prac badawczych z udziałem środków publicznych czy unijnych, ważne jest jednak, by doskonalenie zdolności technologicznej tej metody przeprowadzać z podmiotem branżowym posiadającym odpowiednie doświadczenie. To zdecydowanie przyśpieszy komercjalizację” – ocenia dr hab. inż. Gabriela Konopka-Cupiał, Dyrektor Centrum Transferu Technologii UJ, CITTRU.

 

Opracowane rozwiązanie zostało objęte ochroną prawną na terenie UE. Jak podkreślają twórcy na etapie badania zdolności patentowej wykazano, iż jest to pierwsza tego rodzaju technologia opracowana na świecie.

Polskie wynalazki rozbiły bank nagród podczas tegorocznej, 16. już edycji, wystawy organizowanej przez Stowarzyszenie Polskich Wynalazców Racjonalizatorów. Ocenie jury poddanych zostało blisko 400 wynalazków z 21 państw świata. Te diagnozujące epilepsję zdobyły łącznie trzy nagrody. Neuroterminal triumfował w kategorii informatyka i elektronika, a Ictal pokonał konkurencję w kategorii medycyna i biotechnologia. Robot Ictal dodatkowo zdobył Grand Prix wystawy.

Wystawa IWIS pod patronatem Ministra Edukacji i Nauki to największe wydarzenie w Polsce promujące wynalazki i innowacje. Jej tegoroczna edycja przyciągnęła wystawców z całego świata, którzy poddali swoje osiągnięcia ocenie międzynarodowego jury i publiczności z całego świata. W tym roku eksperci docenili unikalny na skalę światową system diagnozujący epilepsję, który wspiera lekarzy i pacjentów w polskiej klinice Neurosphera.

– Wszyscy członkowie jury byli jednogłośni, że rozwiązanie przedstawione przez polski zespół jest w tym roku najlepsze. Neuroterminal i Ictal znajdują praktyczne zastosowanie. Wspomagają decyzję lekarską, jednocześnie pomagając pacjentom przez znaczne przyspieszenie diagnostyki. Jest to kluczowe w wielu przypadkach, ponieważ pacjent – szczególnie w wypadku napadu epilepsji – nie może czekać na długą pomoc. I, mimo że pozostałe, zaprezentowane na wystawie innowacje również znajdowały wdrożenia, to żadne z nich nie było tak komplementarne, jak to zaprezentowane przez zwycięski zespół – mówi dr hab. inż. prof. SGSP Michał Szota, członek jury.

Neuroterminal i Ictal to wynalazki stworzone przez grupę polskich naukowców. Inicjatorem i pomysłodawcą projektu jest dr n. med. Piotr Zwoliński, a za programowanie i wdrażanie systemu odpowiada dr inż. Mariusz Chmielewski. Poza nimi w pracę nad rozwojem technologii zaangażowany jest zespół IT, a także wybitni epileptolodzy oraz licząca blisko 30 specjalistów kadra medyczna Neurosphery.

– Jestem niezwykle dumny z miejsca, w którym teraz jesteśmy. Kiedy ponad 10 lat temu rozpoczynałem pracę nad robotem Ictal, byłem głęboko przekonany, że ten wynalazek pomoże w walce z tak wymagającą i trudną chorobą, jaką jest padaczka. Dzięki ciężkiej pracy całego zespołu moja wizja stała się rzeczywistością. Neuroterminal i Ictal to dwa potężne narzędzia, które nie tylko pomogły już tysiącom naszych pacjentów, ale w znaczący sposób usprawniają pracę całej kliniki. Cieszę się, że nasze osiągnięcia zostały docenione również przez międzynarodowe środowisko naukowe – mówi dr n. med. Piotr Zwoliński, Partner Medyczny w Centrum Neurologii, Padaczki i Psychiatrii Neurosphera.

Robot Ictal to cybernetyczny moduł zawierający narzędzia tzw. inteligencji asystującej. Jest „mózgiem” Neuroterminala, czyli chmurowego systemu opartego na zaawansowanych algorytmach cybernetycznych i uczeniu maszynowym. Razem tworzą jedyny na świecie system wspomagający pracę epileptologów, diagnozując padaczkę i wskazując metody jej leczenia.

W systemie znajduje się kilkadziesiąt typów napadów padaczkowych, sklasyfikowanych przez Międzynarodową Ligę Przeciwpadaczkową. Każdy z nich dodatkowo został scharakteryzowany zestawem ok. 100 unikalnych cech. Ponadto robot zawiera wszelkie znane sposoby terapii epilepsji za pomocą mono- oraz politerapii, jak również wspiera wybór leków w zależności od sytuacji klinicznej, ich dostępności i refundacji.

Obecnie robot składa się z trzech powiązanych ze sobą części: „e-diagnoza” – rozpoznaje typy napadów padaczkowych, „e-terapia” – dobiera terapię farmakologiczną oraz „IctalRemedy®”, który obserwuje zmiany stanu pacjenta objętego opieką w systemie Neuroterminal.

 

– Nasz system jest bardzo skuteczny. Dzięki niemu możemy analizować miliony cech u milionów pacjentów w tym samym momencie. Żaden zespół badawczy nie ma takich możliwości. Natomiast już teraz bardzo mocno pracujemy nad tym, aby w bliskiej przyszłości przynosił jeszcze większe korzyści naszym pacjentom. Jednym z kolejnych celów rozwojowych jest budowa cybernetycznej ontologii genetycznej, dzięki której system wyposaży lekarza w możliwość wnioskowania na najbardziej aktualnej wiedzy na temat rozwoju genetyki. To przełoży się na jeszcze trafniejsze diagnozy – dodaje dr Zwoliński.

Polskie wynalazki rozbiły bank nagród podczas tegorocznej, 16. już edycji, wystawy organizowanej przez Stowarzyszenie Polskich Wynalazców Racjonalizatorów. Ocenie jury poddanych zostało blisko 400 wynalazków z 21 państw świata. Te diagnozujące epilepsję zdobyły łącznie trzy nagrody. Neuroterminal triumfował w kategorii informatyka i elektronika, a Ictal pokonał konkurencję w kategorii medycyna i biotechnologia. Robot Ictal dodatkowo zdobył Grand Prix wystawy.

Wystawa IWIS pod patronatem Ministra Edukacji i Nauki to największe wydarzenie w Polsce promujące wynalazki i innowacje. Jej tegoroczna edycja przyciągnęła wystawców z całego świata, którzy poddali swoje osiągnięcia ocenie międzynarodowego jury i publiczności z całego świata. W tym roku eksperci docenili unikalny na skalę światową system diagnozujący epilepsję, który wspiera lekarzy i pacjentów w polskiej klinice Neurosphera.

– Wszyscy członkowie jury byli jednogłośni, że rozwiązanie przedstawione przez polski zespół jest w tym roku najlepsze. Neuroterminal i Ictal znajdują praktyczne zastosowanie. Wspomagają decyzję lekarską, jednocześnie pomagając pacjentom przez znaczne przyspieszenie diagnostyki. Jest to kluczowe w wielu przypadkach, ponieważ pacjent – szczególnie w wypadku napadu epilepsji – nie może czekać na długą pomoc. I, mimo że pozostałe, zaprezentowane na wystawie innowacje również znajdowały wdrożenia, to żadne z nich nie było tak komplementarne, jak to zaprezentowane przez zwycięski zespół – mówi dr hab. inż. prof. SGSP Michał Szota, członek jury.

Neuroterminal i Ictal to wynalazki stworzone przez grupę polskich naukowców. Inicjatorem i pomysłodawcą projektu jest dr n. med. Piotr Zwoliński, a za programowanie i wdrażanie systemu odpowiada dr inż. Mariusz Chmielewski. Poza nimi w pracę nad rozwojem technologii zaangażowany jest zespół IT, a także wybitni epileptolodzy oraz licząca blisko 30 specjalistów kadra medyczna Neurosphery.

– Jestem niezwykle dumny z miejsca, w którym teraz jesteśmy. Kiedy ponad 10 lat temu rozpoczynałem pracę nad robotem Ictal, byłem głęboko przekonany, że ten wynalazek pomoże w walce z tak wymagającą i trudną chorobą, jaką jest padaczka. Dzięki ciężkiej pracy całego zespołu moja wizja stała się rzeczywistością. Neuroterminal i Ictal to dwa potężne narzędzia, które nie tylko pomogły już tysiącom naszych pacjentów, ale w znaczący sposób usprawniają pracę całej kliniki. Cieszę się, że nasze osiągnięcia zostały docenione również przez międzynarodowe środowisko naukowe – mówi dr n. med. Piotr Zwoliński, Partner Medyczny w Centrum Neurologii, Padaczki i Psychiatrii Neurosphera.

Robot Ictal to cybernetyczny moduł zawierający narzędzia tzw. inteligencji asystującej. Jest „mózgiem” Neuroterminala, czyli chmurowego systemu opartego na zaawansowanych algorytmach cybernetycznych i uczeniu maszynowym. Razem tworzą jedyny na świecie system wspomagający pracę epileptologów, diagnozując padaczkę i wskazując metody jej leczenia.

W systemie znajduje się kilkadziesiąt typów napadów padaczkowych, sklasyfikowanych przez Międzynarodową Ligę Przeciwpadaczkową. Każdy z nich dodatkowo został scharakteryzowany zestawem ok. 100 unikalnych cech. Ponadto robot zawiera wszelkie znane sposoby terapii epilepsji za pomocą mono- oraz politerapii, jak również wspiera wybór leków w zależności od sytuacji klinicznej, ich dostępności i refundacji.

Obecnie robot składa się z trzech powiązanych ze sobą części: „e-diagnoza” – rozpoznaje typy napadów padaczkowych, „e-terapia” – dobiera terapię farmakologiczną oraz „IctalRemedy®”, który obserwuje zmiany stanu pacjenta objętego opieką w systemie Neuroterminal.

 

– Nasz system jest bardzo skuteczny. Dzięki niemu możemy analizować miliony cech u milionów pacjentów w tym samym momencie. Żaden zespół badawczy nie ma takich możliwości. Natomiast już teraz bardzo mocno pracujemy nad tym, aby w bliskiej przyszłości przynosił jeszcze większe korzyści naszym pacjentom. Jednym z kolejnych celów rozwojowych jest budowa cybernetycznej ontologii genetycznej, dzięki której system wyposaży lekarza w możliwość wnioskowania na najbardziej aktualnej wiedzy na temat rozwoju genetyki. To przełoży się na jeszcze trafniejsze diagnozy – dodaje dr Zwoliński.