Квантовые ядра помогли ИИ обнаружить рак легких по анализу крови

Группа ученых представила гибридный подход машинного обучения с использованием квантовых ядер для выявления рака легких по биомаркерам в крови. Работа опубликована на платформе arXiv и описывает применение квантово-классических моделей к анализу внеклеточной ДНК (cfDNA).

Скрининг рака легких с помощью низкодозной компьютерной томографии снижает смертность, однако его эффективность ограничена охватом и приверженностью пациентов. Анализ cfDNA предлагает дополнительный неинвазивный метод, но раннее обнаружение затруднено из-за гетерогенности опухолей и сложных нелинейных молекулярных сигналов.

Авторы исследовали два типа данных: фрагментомику (структуру фрагментов ДНК) и метилирование. После отбора признаков модели обучались на подмножествах из 20 и 40 признаков. Признаки кодировались в квантовое гильбертово пространство с помощью угловых и плотных карт признаков, применялись различные стратегии запутывания. Квантовые ядра вычислялись с использованием точной симуляции векторов состояния.

Эти ядра интегрировали с методом опорных векторов (SVM) и логистической регрессией на основе ядерного PCA, а затем сравнивали с классической SVM, обученной на исходных признаках. Это позволило систематически оценить, как кодирование и дизайн запутывания влияют на качество классификации.

В ходе повторных проверок на отложенных выборках квантовые ядерные модели показали конкурентоспособные результаты на обоих наборах данных. На фрагментомике несколько конфигураций с 20 признаками увеличили AUC по сравнению с классическим SVM, что указывает на эффективный захват нелинейной структуры фрагментации cfDNA. Для метилирования классическая SVM достигла наивысшего AUC, хотя отдельные квантовые модели оставались близкими по качеству и в некоторых случаях улучшали специфичность.

Увеличение числа признаков с 20 до 40 не дало стабильного улучшения и часто повышало вариабельность результатов. Это наблюдение может быть полезным для будущих экспериментов по отбору признаков.

В целом авторы считают квантовые ядерные методы перспективным направлением для обнаружения рака легких на основе cfDNA. Работа носит исследовательский характер, и для клинического применения потребуются дополнительные испытания на больших выборках пациентов.