ИИ научился предсказывать головную боль за сутки — пока только после сотрясения мозга

Норвежские исследователи обнаружили, что изменения в работе сердца, температуре кожи и мышечном напряжении помогают оценить риск головной боли и усталости на следующий день

Учёные из Норвежского университета науки и технологий (NTNU) и Норвежского центра исследований головной боли (NorHead) показали, что сочетание физиологических измерений и ежедневных записей о самочувствии позволяет прогнозировать дни с выраженной головной болью за 24 часа.

Исследование опубликовано в Journal of Head Trauma Rehabilitation. Пока технология проверена только на небольшой группе пациентов, но результаты позволяют по-новому взглянуть на возможность прогнозирования симптомов, которые принято считать непредсказуемыми.

Почему головная боль может сохраняться месяцами после сотрясения

Сотрясение мозга относится к лёгким черепно-мозговым травмам. Однако слово «лёгкая» характеризует тяжесть первоначального повреждения, а не обязательно продолжительность его последствий.

У большинства людей состояние постепенно улучшается в течение нескольких недель. Но у части пациентов головные боли, повышенная утомляемость, нарушения концентрации внимания и другие симптомы сохраняются значительно дольше.

По данным, на которые ссылаются норвежские исследователи, более 20% людей после сотрясения продолжают испытывать симптомы спустя три месяца после травмы. Оценки распространённости различаются в зависимости от критериев и обследуемой популяции.

Для таких пациентов серьёзной проблемой становится изменчивость самочувствия.

Человек может относительно хорошо чувствовать себя утром, но уже на следующий день столкнуться с сильной головной болью. Иногда симптомы усиливаются после нагрузки, недостаточного сна или эмоционального напряжения. Однако установить устойчивую связь между отдельным фактором и последующим ухудшением удаётся далеко не всегда.

Именно эту неопределённость исследователи решили изучить с помощью искусственного интеллекта.

Как учёные искали предупреждающие сигналы организма

В исследовании участвовали 20 человек с длительно сохраняющимися симптомами после сотрясения мозга. Наблюдение проводилось в реабилитационной клинике университетской больницы Святого Олафа в Норвегии.

Программа была рассчитана на 28 дней.

Каждый день участники регистрировали своё самочувствие в мобильном приложении и проходили короткие сеансы физиологических измерений.

Исследователи собирали несколько типов информации:

• Вариабельность сердечного ритма — изменения продолжительности интервалов между последовательными сокращениями сердца.
• Температуру кожи — показатель, который может меняться под влиянием сосудистых реакций и процессов терморегуляции.
• Напряжение трапециевидной мышцы — крупной мышцы верхней части спины и шеи, участвующей в движениях головы и плечевого пояса.
• Субъективные симптомы — ежедневные оценки головной боли, усталости и других проявлений состояния пациента.

Вариабельность сердечного ритма представляет особый интерес, поскольку отражает особенности регуляции сердечной деятельности автономной нервной системой. Эта система управляет многими непроизвольными процессами организма.

Температура кожи и мышечное напряжение дают дополнительную информацию о физиологическом состоянии человека.

Однако ни один из этих показателей сам по себе не является надёжным предвестником головной боли.

Исследователи предположили, что полезную информацию можно получить, если анализировать показатели совместно и учитывать, как они меняются во времени.

Из запланированных ежедневных наблюдений удалось сформировать набор из 338 дней данных, пригодных для анализа.

Почему искусственный интеллект замечает то, что трудно увидеть человеку

Представим пациента, который несколько недель записывает интенсивность головной боли, измеряет показатели сердечного ритма и следит за напряжением мышц.

Просматривая записи, он может заметить отдельные совпадения. Например, после периода повышенной усталости у него чаще болит голова.

Но что произойдёт, если одновременно изменятся температура кожи, вариабельность сердечного ритма и мышечное напряжение? Имеет ли значение последовательность этих изменений? Отличаются ли показатели перед относительно благополучными днями от показателей перед ухудшением состояния?

Количество возможных сочетаний быстро становится слишком большим для простого визуального анализа.

Здесь и применяется машинное обучение.

Алгоритм получает данные за предыдущие дни и пытается определить, какие сочетания признаков чаще предшествуют ухудшению самочувствия.

Для анализа норвежские учёные использовали модели семейства TabPFN, в том числе модификацию, учитывающую последовательность наблюдений во времени.

TabPFN относится к так называемым фундаментальным моделям искусственного интеллекта. Такие модели предварительно обучаются на больших массивах данных, после чего могут адаптироваться к новым задачам.

По этому принципу они напоминают большие языковые модели, включая ChatGPT. Но предназначены для другого типа информации: вместо человеческой речи они анализируют структурированные числовые данные.

Особенность подхода заключается в возможности использовать закономерности, освоенные при предварительном обучении, для анализа сравнительно небольших новых наборов наблюдений.

Это особенно интересно в медицине, где собрать большие массивы индивидуальных физиологических измерений часто бывает трудно.

Насколько точно ИИ предсказывал головную боль

Исследователи поставили перед алгоритмом конкретную задачу: определить вероятность того, что в течение следующих 24 часов у пациента будет день с умеренной или сильной головной болью.

Для этого использовался порог не менее 4 баллов по шкале интенсивности боли от 0 до 10.

Модели обучали на одной части данных, а затем оценивали их работу на отдельно выделенной тестовой выборке.

Наиболее устойчивые результаты показала модель longitudinal TabPFN, учитывающая временную последовательность наблюдений.

Для прогнозирования головной боли значение AUC составило 0,69.

Для другой версии TabPFN показатель был близким — 0,68.

Затем исследователи проверили, насколько хорошо более устойчивая модель способна прогнозировать дни с выраженной усталостью.

Здесь результат оказался выше: AUC достиг 0,81.

Но что означают эти цифры?

AUC (Area Under the Curve) — показатель способности алгоритма различать два состояния, например дни с выраженными симптомами и дни без них.

Значение 0,5 соответствует отсутствию полезной способности различать состояния, а 1,0 означает идеальное разделение.

Представим, что мы случайным образом выбрали два дня: один с выраженной головной болью, другой без неё. AUC 0,69 означает, что примерно в 69% таких пар модель присвоит более высокий риск дню с головной болью.

Это не означает, что алгоритм правильно предсказывает 69 из каждых 100 дней.

Для оценки практической системы предупреждений необходимо отдельно изучить, сколько реальных ухудшений она обнаруживает, сколько пропускает и как часто подаёт ложные сигналы.

Таким образом, результаты для головной боли следует считать умеренными. Прогноз усталости оказался более убедительным, хотя также далёким от идеального.

Главный результат — симптомы оказались не полностью случайными

Самое интересное в исследовании заключается не в конкретной величине AUC.

Работа показывает, что информация о будущем самочувствии пациента частично содержится в его предыдущих физиологических показателях и сообщениях о симптомах.

Иными словами, день с выраженной головной болью может отличаться от относительно благополучного дня ещё до того, как становится известна его окончательная клиническая картина.

При этом исследователи не обнаружили единственного универсального признака, который заранее предупреждает о боли.

Доступные результаты указывают на значимость сочетания физиологических измерений и субъективных симптомов.

Это принципиально важное различие.

Повышенное напряжение мышц шеи ещё не означает, что завтра обязательно заболит голова. Изменение вариабельности сердечного ритма также не позволяет поставить диагноз или уверенно предсказать ухудшение.

Модель оценивает статистические связи между несколькими показателями и последующим состоянием пациента.

Более того, исследование не доказывает, что обнаруженные физиологические изменения вызывают головную боль.

Они могут отражать процессы, сопровождающие развитие симптомов, общие регулирующие механизмы или другие факторы, которые пока не удалось установить.

Поэтому работу правильнее рассматривать как исследование прогнозирования, а не как раскрытие биологической причины посттравматической головной боли.

Что изменится, если пациент узнает о плохом дне заранее

Потенциальное применение технологии достаточно очевидно.

Представим человека, который после сотрясения мозга уже несколько месяцев испытывает периодические головные боли и выраженную усталость.

Он постепенно возвращается к работе, но не всегда способен оценить, какую нагрузку сможет выдержать завтра.

Если мобильное приложение научится предупреждать о повышенной вероятности ухудшения состояния, это может помочь планировать день.

Пациент сможет заранее учитывать риск при распределении физических и интеллектуальных нагрузок, планировании поездок и других занятий.

Для врача подобная система могла бы стать дополнительным источником информации о динамике состояния пациента между консультациями.

Однако здесь существует существенное ограничение.

Норвежское исследование не проверяло, приводит ли получение предупреждений к уменьшению головной боли, улучшению качества жизни или сокращению продолжительности восстановления.

Способность прогнозировать симптом и способность предотвращать его — совершенно разные задачи.

Даже достаточно точное предупреждение само по себе не гарантирует улучшения здоровья.

Поэтому пока преждевременно рекомендовать пациентам менять лечение или самостоятельно принимать обезболивающие препараты на основании подобных прогнозов.

Почему исследование на 20 пациентах ещё не означает готовую технологию

Главное ограничение работы — небольшой размер исследуемой группы.

В анализ вошли данные всего 20 человек и 338 дней наблюдений.

Хотя модель оценивалась на отдельно выделенных тестовых данных, это ещё не эквивалентно независимому клиническому испытанию на большой группе новых пациентов.

Кроме того, наблюдения, полученные от одного человека в разные дни, могут быть взаимосвязаны. Поэтому количество дней не следует воспринимать как количество независимых участников исследования.

Остаются и другие вопросы.

Неизвестно, насколько хорошо алгоритм будет работать у пациентов другого возраста, с другими сопутствующими заболеваниями или с иной продолжительностью симптомов.

Предстоит выяснить, можно ли добиться сопоставимых результатов при использовании обычных носимых устройств.

Важно также определить, насколько длительный период предварительных измерений необходим для получения полезного прогноза.

И наконец, исследование касается именно людей с сохраняющимися симптомами после сотрясения мозга.

Его результаты нельзя автоматически переносить на мигрень, головную боль напряжения и другие распространённые виды головной боли.

Следующий этап — исследование как минимум на 200 пациентах

Авторы рассматривают опубликованную работу как методологическое доказательство концепции.

Это означает, что исследователи продемонстрировали принципиальную осуществимость подхода, но ещё не подтвердили его эффективность в повседневной медицинской практике.

Команда NorHead уже обновила приложение, использовавшееся для регистрации симптомов и измерений.

Весной 2027 года исследователи планируют начать новый этап работы с участием как минимум 200 пациентов, испытывающих длительные симптомы после сотрясения мозга.

Более масштабное наблюдение должно помочь оценить устойчивость обнаруженных закономерностей и пригодность алгоритмов для практического применения.

В дальнейшем потребуется разработать удобную систему предупреждений и проверить, действительно ли она помогает пациентам.

Не менее важными останутся вопросы защиты медицинских данных, конфиденциальности и соответствия цифровой технологии требованиям регулирования.

При этом прогнозирующее приложение не должно заменять медицинскую оценку симптомов после травмы головы.

Если головная боль сохраняется неделями, следует обратиться к врачу. При нарастающей сильной боли, повторной рвоте, выраженной сонливости, слабости конечностей или нарушении речи после травмы необходима срочная медицинская помощь.