Illusory Objects in Radiology: Leveraging Pareidolia to Enhance Physician and AI Performance

Full Text

Введение

Термин «парейдолия» в настоящее время используется для обозначения зрительных иллюзий, при которых бессмысленные сенсорные сигналы обретают значимость. Бытовые примеры парейдолии включают в себя обнаружение лица на Луне или животных в облаках. Необходимо отметить, что парейдолия не всегда приводит к зрительным иллюзиям и может возникать в других сенсорных областях: например, при прослушивании текста музыки, проигрываемой задом наперед. Парейдолии возникают в результате тех же нейронных процессов, которые извлекают действительный (а не воображаемый) смысл из значимых объектов реального мира [1].

Данные лучевых исследований, указывающие на сходство с чем-либо, в реальности отсутствующим на изображении, по аналогии с бытовыми ситуациями называют парейдолическими иллюзиями (а также метафорическими признаками или зрительными иллюзиями). Такие признаки широко описаны в литературе и часто применяются в обучении врачей. Было выявлено, что использование парейдолических признаков по данным лучевых исследований в обучении студентов-медиков повышает интерес, описательные способности и кратковременное запоминание материала по сравнению с ситуациями, когда тот же материал преподавался со стандартными объяснениями анатомии [2].

Кроме обучения, парейдолии могут использоваться для уменьшения количества ошибок в лучевой диагностике. Частота ошибок в лучевой диагностике оценивается примерно в 4% (примерно 40 миллионов ошибок в год)  и сохраняется на стабильном уровне последние 70 лет [3, 4]. Ожидается, что компьютерные методы поддержки принятия решений будут способствовать повышению точности диагностики, однако в настоящее время эти же технологии предъявляют новые требования к рентгенологам и могут привести к появлению новых источников ошибок восприятия [5–7].

В связи в этим, рентгенологи, вооружённые знаниями о распространенных иллюзиях, смогут не только лучше избегать ошибочного диагноза, но даже использовать иллюзии, если таковые имеются, для установления диагноза[8].

Несмотря на то, что парейдолия часто служит неожиданной находкой, в диагностике парейдолии могут быть репрезентативными для конкретных состояний и, следовательно, полезны для постановки диагноза [9]. Рентгенологи описали большое количество таких диагностических «признаков» — зрительных иллюзий, указывающих на наличие определенного состояния или заболевания [10, 11]. В таблице 1 приведено некоторое количество парейдолий, которые часто служат эффективными диагностическими эвристиками [12, 13].

Название зрительной иллюзии	Описание	Литературный источник
Снеговик	Визуализируется в области гипофиза.  Указывает на то, что макроаденома гипофиза более вероятна, чем менингиома.	Hess, C. P., and Dillon, W. P. (2012). Imaging the pituitary and parasellar region. Neurosurg. Clin. 23, 529–542. doi: 10.1016/j.nec.2012.06.002
Ласточкин хвост	В некоторых случаях отсутствие парейдолии может сигнализировать о наличии заболевания. Например, некоторые линейные формы или формы запятой (напоминающие хвост ласточки) присутствуют на нормальных изображениях черной субстанции, но отсутствуют у большинства пациентов с болезнью Паркинсона или деменцией с тельцами Леви.	Shams, S., Fällmar, D., Schwarz, S., Wahlund, L.-O., Van Westen, D., Hansson, O., et al. (2017). MRI of the swallow tail sign: a useful marker in the diagnosis of Lewy body dementia? Am. J. Neuroradiol. 38, 1737–1741. doi: 10.3174/ajnr.a5274
Зуб мудрости (коренной зуб)	В данном случае средний мозг на аксиальной компьютерной томографии напоминает коренной зуб или зуб мудрости. Признак коренного зуба впервые наблюдался при синдроме Жубера и  цилиопатии.	Maria, B. L., Quisling, R. G., Rosainz, L. C., Yachnis, A. T., Gitten, J., Dede, D., et al. (1999b). Molar tooth sign in Joubert syndrome: clinical, radiologic, and pathologic significance. J. Child Neurol. 14, 368–376. doi: 10.1177/088307389901400605 Poretti, A., Snow, J., Summers, A. C., Tekes, A., Huisman, T. A., Aygun, N., et al. (2017). Joubert syndrome: neuroimaging findings in 110 patients in correlation with cognitive function and genetic cause. J. Med. Genet. 54, 521–529. doi: 10.1136/jmedgenet-2016-104425
Колибри, пингвин, Микки Маус	На среднесагиттальной обзорной МРТ пациентов с прогрессирующим супрануклеарным параличом атрофия среднего мозга напоминает колибри или пингвина. При просмотре на аксиальной визуализации атрофический средний мозг образует лицо Микки с парой «ушей» на ножке мозга.	Kato, N., Arai, K., and Hattori, T. (2003). Study of the rostral midbrain atrophy in progressive supranuclear palsy. J. Neurol. Sci. 210, 57–60. doi: 10.1016/s0022-510x(03)00014-5 Verma, R., and Gupta, M. (2012). Hummingbird sign in progressive supranuclear palsy. Ann. Saudi Med. 32, 663–664. doi: 10.5144/0256-4947.2012.663
Двойная панда	Знак ассоциирован с болезнью Вильсона Он включает в себя две отдельные морды панды: «лицо большой панды» на среднем мозге и «лицо миниатюрной панды» на покрышке моста. Другие расстройства, такие как отравление метиловым спиртом и болезнь Ли, также могут вызывать признак двойной панды; таким образом, его наличие не приводит к окончательному диагнозу без дополнительных данных.	(Das and Ray, 2006).
Глаз тигра	Нейродегенерация с накоплением железа в мозгу типа 1 . Характерный внешний вид глаза тигра, наблюдаемый в бледном шаре на Т2-взвешенной МРТ, состоит из двух элементов: переднемедиального фокуса с высоким сигналом, вероятно, из-за потери нейронов, глиоза и повышенного содержания воды, окруженного полным кольцом очень сильного сигнала. низкий сигнал, вызванный патологическим накоплением железа.  Хотя патогномоничен (присутствует в >95% случаев) для ПКАН, признак глаза тигра не специфичен для этого состояния, о нем сообщалось и при других синдромах накопление железа в нейронах головного мозга и у бессимптомных здоровых людей.	Sethi KD, Adams RJ, Loring DW, el Gammal T. Hallervorden-Spatz syndrome: clinical and magnetic resonance imaging correlations. Ann Neurol 1988; 24: 692–694. Guillerman RP. The eye-of-the-tiger sign. Radiology 2000; 217: 895–896. van den Bogaard SJ, Kruit MC, Dumas EM, Roos RA. Eye-of-the-tiger-sign in a 48 year healthy adult. J Neurol Sci 2014; 336: 254–256.
Головастик	Симптом головастика является классическим нейрорадиологическим признаком болезни Александера у взрослых. Поздний вариант заболевания, вызванный мутацией в гене глиального фибриллярного кислого белка, обычно проявляется стволовыми, мозжечковыми или миелопатическими симптомами.21 Появление головастика (рис. 8) вызвано значительной атрофией продолговатого мозга и шейного отдела позвоночника. спинной мозг (тонкий хвост головастика), но сохранение объема моста (голова).	Graff-Radford J, Schwartz K, Gavrilova RH, Lachance DH, Kumar N. Neuroimaging and clinical features in type II (late-onset) Alexander disease. Neurology 2014; 82: 49–56.

Табл. 1

 

До недавнего времени такие синдромы имели преимущественно эмпирический характер, однако с появлением ТИИ открываются новые возможности для анализа таких изображений. ТИИ, в том числе и компьютерное зрение, предназначенное для анализа изображений, прочно вошли в нашу жизнь [14]. Не стало исключением и здравоохранение: например, одним из крупнейших проектов является Эксперимент по использованию инновационных технологий в области компьютерного зрения для анализа медицинских изображений и дальнейшего применения этих технологий в системе здравоохранения [15, 16]. Цифровизация медицинской информации и появление ПО на основе ТИИ, способных ее анализировать, может помочь систематизировать знания о парейдолиях, найти и обосновать новые связи и способы их применения.

Медицина – не единственная область для применения таких знаний, например, в работе [17]  ученые применили ТИИ для поиска «внеземного разума» на фотографиях космических объектов и предположили, что результаты их работы могут быть полезны в не только в изучении космоса, но и «природы ИИ», понимании его работы, ряда этических вопросов. Кроме того, парейдолии активно используются в психологии [18], психотерапии [18], педагогике [19] [],искусстве [20] и многих других сферах жизни [21].

Интерес к парейдолиям настолько высок в последнее время, что создаются специальные нейросети, которые не только находят парейдолии , но и генерируют такие изображения [22, 23]. Поэтому мы поставили цель изучить, какие парейдолии встречаются в ходе диагностического процесса на рентгенологических изображениях, а также в повседневной жизни для определения дальнейших направлений их использования.

Материалы и методы

Сбор данных

Для получения набора данных (НД) с парейдолическими иллюзиями с целью дальнейшего его анализа и использования нами был организован конкурс – волонтерский проект, в котором могли принять участие как специалисты, работающие с медицинскими изображениями, так и все желающие. Конкурс, проводившийся с июня по декабрь 2023 года, был объявлен через различные средства коммуникации, включая сайт ГБУЗ «НПКЦ ДиТ ДЗМ», а также платформу Science ID (национальная идентификационно-коммуникационная сервисная платформа для молодых учёных) и привлек 31 участника. Позже вне рамок конкурса были собраны изображения еще от 9 участников.

Для проведения исследования производился сбор следующих изображений:

Бытовые изображения: немедицинские изображения с парейдолиями, предоставленные всеми желающими.

Рентгенологические изображения: анонимизированные изображения лучевых методов диагностики (КТ, МРТ, РГ, УЗИ), предоставленные медицинскими сотрудниками (врачами-рентгенологами) или участниками имеющие официальный доступ к данным изображениям, на которых они наблюдали парейдолии.

Для сбора данных использовалась платформа Яндекс. Формы©, обеспечивающая удобную и стандартизированную передачу изображений. Было создано 2 формы: для медицинских и немедицинских изображений (Рисунок 1).

 

Рисунок 1 – Схема форм для медицинских и немедицинских изображений. Все поля обязательны для заполнения. Поддерживаемые для загрузки изображений форматы - JPEG, PNG.

Критерии включения: 

1. Возраст участников больше18 лет. Участие несовершеннолетних возможно только через законных представителей (например, родителей).
2. Подача изображений должна осуществляться через специальную форму на платформе Яндекс, с обязательным принятием участниками согласия на обработку персональных данных.
3. Для медицинских изображений требуется анонимизация данных (изображения не должны содержать никакой информации о пациентах) и предоставление краткого описания изображения.
4. Для бытовых изображений необходимо точное описание парейдолии (зрительной иллюзии), включая указание того, где на изображении находится ассоциируемый объект.

Критерии исключения:

1. Нарушение требований к изображениям: изображения, содержащие личную информацию пациентов, не соответствующие теме конкурса, а также изображения, нарушающие законы РФ или принципы гуманности и морали.
2. Участники, не достигшие совершеннолетия, или работы, представленные от имени несовершеннолетних без участия законных представителей, исключаются из исследования.
3. Изображения с недостаточным разрешением или низким качеством, которые затрудняют распознавание парейдолических иллюзий.
4. Изображения без четкого указания ассоциируемой области или объекта.
5. Изображения из Интернета

Анализ данных

Изображения отбирались жюри конкурса с выставлением оценки по пятибалльной шкале:

• Качество изображения – максимально 1 балл
• Оригинальность – максимально 2 балла
• Степень ассоциативной схожести - максимально 2 балла

Далее изображения были разделены на группы по зрительному признаку

Этические соображения

Исследование было проведено в соответствии с этическими принципами, обеспечивающими соблюдение законодательства РФ, прав участников, а также принципам гуманности и морали. Все участники были проинформированы о цели исследования и им была предоставлена возможность отказаться от участия в любое время.

 

Результаты

По результатам конкурса нами был собран НД из 81 изображения с парейдолическими иллюзиями: 10 – с немедицинскими и 71 – с медицинскими. Детализация изображений приведена в таблице 2.

Таблица 2. Зрительные признаки на парейдолических изображениях.

Зрительный признак	Количество изображений	Тип изображения
Лицо	18	КТ, фото (скрепка, обувная ложка, пакет)
Мордочка животного	11	КТ, фото (облако)
Сердечко	11	КТ, УЗИ
Лебедь	4	КТ
Вирус	3	КТ
Чернильное пятно	2	КТ
Звезда	2	МРТ
Мандарин	2	КТ
Динозавр	2	Фото (облако)
Глаз	1	КТ
Слоеный пирог	1	КТ
Знак мерседеса	1	КТ
Зёрна граната	1	КТ
Привидение	1	КТ
Закат	1	КТ
Реснички	1	КТ
Лось	1	Фото (облако)
Слон	1	Фото (облако)
Авокадо	1	МРТ
Птица	1	Фото (облако)
Битлз	1	Фото (лебеди)
Летучая мышь	1	КТ
Гриб	1	КТ
Стопа (след)	1	МРТ
Пингвин	1	КТ
Знак вопроса	1	КТ
Солнце	1	КТ
Огонь	1	КТ
Взрыв	1	КТ
Ёжик	1	КТ
Часы (бесконечность)	1	МРТ
Собаки	1	КТ (реконструкция)
Кленовый лист	1	КТ
Паучьи лапы	1	КТ (реконструкция)
Тушь в воде	1	МРТ

 

Примеры наиболее интересных изображений приведены на Рисунках 1-11

 

Рисунок  1 – «Зайчик, который хочет обниматься», МРТ, Т2-ВИ, корональная проекция. желудочковая система головного мозга (расширена). Автор – Абуладзе Л.Р.

 

Рисунок 2 – «Кленовый лист», КТ, аксиальная проекция, в нижней полой вене установлен кава-фильтр. Автор – Гомболевский В.А.

 

Рисунок  3 – «Гранатовые зерна» МРТ (Т2 взвешенное изображение), массивный незрелый синовиальный хондроматоз. Автор – Попов А.Ю.

 

Рисунок 4 – «Морда енота (панды)», КТ (фронтальная проекция), сужены конвекситальные борозды, расширенные боковые и III желудочки (на видимом изображении), сглаженность дифференциации серого и белого вещества - в рамках отека головного мозга и внутренней гидроцефалии. Автор – Сомов В.С.

 

Рисунок 5 – «Гиена», МРТ (Т2 взвешенное изображение) крестец, норма.Автор – Цыбульская Ю.А.

 

Рисунок 6 – «Отпечаток стопы человека», МРТ (Т1 взвешенное изображение, аксиальная проекция) аномалия развития мужской мочеполовой системы: увеличенный в виде кисты семенной пузырек. Автор Частоедов П.А.

 

Рисунок 7 – «Авокадо», МРТ Т2 ИП, сагитальная проекция, дермоидная киста. Автор Шихмурадов Д.У.

 

Рисунок 8 – «Смайлики», КТ (аксиальная проекция), зубные бугорки и впадины между ними у моляров. Автор – Ярославцева О.А.

 

Рисунок 9 – «Сердечко», КТ головы в коронарном срезе, гидроцефалия. Автор Славущева Е.А.

 

Рисунок 10 – «Динозавр, ревущий на закате». Автор – Казаринова В.Е.

 

Рисунок 11 – «Слоненок». Автор Черкасская М.В.

Обсуждение

По результатам анализа полученных изображений отмечается преобладание парейдолических изображений лица, что является социальным механизмом, развившимся у человека в ходе эволюции [24]. На втором месте по частоте встречаемости – мордочки животных – зайцев, собак, енотов, гиен, кальмаров и т.д. Кроме того, отмечается большое количество изображений «сердца» (не органа, как такого на медицинских изображениях, а его символа), что может являться направлением дальнейшего изучения, т.к. научных публикаций, объясняющих данный феномен, найдено не было. Также часто встречаются силуэты животных, как на медицинских (пингвин, ёж, собаки, лебедь), так и на немедицинских изображениях (преимущественно облака – динозавр, лось, слоненок, птица)

К сожалению, большинство парейдолий получены в единичном варианте, что не позволяет провести дальнейший анализ взаимосвязей в текущем виде и требует дополнительного поиска аналогичных патологий и анатомических локализаций, тем не менее полученные результаты можно использовать для различных целей. Во-первых, для разработки нейронных сетей анализа лучевых исследований, для дальнейшего автоматизированного поиска подобных изображений. Найденные изображения необходимо разметить на предмет выявления парейдолий и сформировать из них наборы данных согласно описанной методологии [25], включая процесс анонимизации исследований [26]. Полученные таким образом наборы данных подвергаются анализу на поиск зависимостей между парейдолиями и патологическими признаками или особенностями анатомии. Это в дальнейшем позволит систематизировать такие признаки и может использоваться в процессе обучения и способствовать повышению качества диагностики [2, 27, 28].

Кроме того, данное исследование можно продолжить с психолого-педагогической и даже психиатрической точки зрения, используя полученные немедицинские изображения для поиска взаимосвязей между различными признаками, состояниями и характеристиками личности. Такие взаимосвязи уже найдены в некоторых направлениях: парейдолии используются в различных тестах, наиболее известный из которых – тест Роршаха для исследования личности, позволяющий выявить психические нарушения. Парейдолии могут индуцировать изменения состояния сознания, сопровождать различные виды делирия, помогать в диагностике болезни Альцгеймера [29–32]  и даже являться признаками шизофрении [33, 34]. Также были найдены взаимосвязи между способностью распознавать лица и недоношенностью у детей [35]. Парейдолия, как часть ассоциативного мышления, может использоваться в образовании, например, для стимуляции психологической раскрепощенности, развития речи и эмоциональной культуры [36], развития творческого мышления [19, 37], а также в арт-терапии [18].

Наконец, данный феномен изучается и в далеких от медицины и педагогики областях. Например, рассматривается взаимосвязь способности видеть парейдолии и уровнем креативности [38], роль оптических иллюзий в дизайне [39] и архитектуре [40]. В работе парейдолии упоминаются в контексте расшифровки древних наскальных изображений [41]. Тем не менее, научные публикации на тему парейдолий – единичные (по запросу «парейдолия» - 57 результатов в библиотеке e-library, 28 – Cyberleninka, 124 – PubMed), а вот в научно-популярных источниках они упоминаются часто, интересны многим, вызывают различные эмоции и желание сфотографировать и поделиться с окружающими своим наблюдением. Именно поэтому родилась идея такого проекта, который позволит не только провести полноценное научное исследование в области лучевой диагностики, но и экстраполировать его на другие направления, а также популяризировать среди широкого круга лиц, индуцировать интерес к науке в целом.

Заключение:

В рамках дальнейшего развития проекта предусмотрены следующие ключевые шаги:

Научная работа: На основе собранных изображений будет проводиться обучение алгоритмов искусственного интеллекта с целью дальнейшего поиска и подробного анализа причин и взаимосвязей парейдолий и диагностического и педагогического процессов. Предполагается, что эти данные могут помочь улучшить способность как врачей-рентгенологов (при использовании в процессе обучения), так и алгоритмов ИИ распознавать патологические признаки на медицинских изображениях, что повысит точность и эффективность диагностики в клинической практике.

Расширение базы данных: Проект продолжит сбор изображений с парейдолиями для увеличения объема данных, используемых как в обучении ИИ, так и в научных исследованиях.  Это даст возможность изучить новые аспекты применения парейдолий в медицине и образовании.

Развитие образовательных программ: Планируется создание образовательных программ для студентов медицинских вузов и практикующих врачей, в которых будут использоваться примеры парейдолий для улучшения навыков визуального восприятия и диагностики. Эти программы также могут быть адаптированы для образовательных целей в общеобразовательных учреждениях, способствуя развитию творческого и ассоциативного мышления у детей.

Организация новых мероприятий: новый этап будет направлен на привлечение молодежи к профессии врача-рентгенолога, а также популяризацию медицины и науки через образовательные мероприятия, такие как экскурсии в медицинские учреждения и мастер-классы с практикующими специалистами.

К сожалению, из-за ограничений в аудитории, а также небольшими возможностями в мотивации участников конкурса, количество собранных изображений недостаточно для осуществления задуманных целей, поэтому мы планируем масштабировать подобное исследование/конкурс на более широкую аудиторию. Кроме того планируется популяризация науки, включая современные методы анализа данных и разработки ИИ, среди молодежи через такой доступный и интересный всем феномен, как парейдолия.

About the authors

Alexander V Solovev

1.State Budget-Funded Health Care Institution of the City of Moscow "Research and Practical Clinical Center for Diagnostics and Telemedicine Technologies of the Moscow Health Care Department", Moscow
2.State Budgetary Healthcare Institution Morozov Children's City Clinical Hospital of the Moscow City Healthcare Department, Moscow

Author for correspondence.
Email: atlantis.92@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4485-2638
SPIN-code: 9654-4005

Врач-рентгенолог, врач-радиолог, младший научный сотрудник.

Russian Federation

Tatiana M Bobrovskaya

Младший научный сотрудник ГБУЗ «НПКЦ ДиТ ДЗМ»

Email: BobrovskayaTM@zdrav.mos.ru
ORCID iD: 0000-0002-2746-7554
SPIN-code: 3400-8575

Maria A Zelenova

к.б.н, старший научный сотрудник. ГБУЗ «НПКЦ ДиТ ДЗМ»

Email: maria_zelenova@yahoo.com
ORCID iD: 0000-0001-7458-5396
SPIN-code: 3823-6872

Olga V Omelyanskaya

Руководитель по управлению подразделениями Дирекции наука. ГБУЗ «НПКЦ ДиТ ДЗМ»

Email: OmelyanskayaOV@zdrav.mos.ru
ORCID iD: 0000-0002-0245-4431
SPIN-code: 8948-6152

References

Supplementary files