Новое оптоволоконное сенсорное устройство с поддержкой искусственного интеллекта, разработанное в Имперском колледже Лондона, может одновременно измерять ключевые биомаркеры черепно-мозговой травмы.
«Многообещающие» результаты испытаний на тканях головного мозга животных предполагают, что это может помочь клиницистам лучше контролировать как прогрессирование заболевания , так и реакцию пациентов на лечение, чем это возможно в настоящее время, что указывает на высокий потенциал будущих диагностических испытаний на людях.
Люди, получившие серьезный удар по голове, например, во время дорожно-транспортного происшествия, могут страдать черепно-мозговой травмой (ЧМТ) — основной причиной смерти и инвалидности во всем мире, которая может привести к долгосрочным проблемам с памятью, концентрацией внимания и решением проблем.
Во время лечения ЧМТ необходимо постоянно контролировать. По этой причине внутричерепные датчики используются в отделениях нейрореанимации для мониторинга ключевых показателей прогрессирования травмы, называемых биомаркерами, таких как давление и кислород в головном мозге.
Некоторые из этих зондов могут одновременно измерять только один биомаркер . Другие могут отслеживать несколько биомаркеров, но для этого требуется несколько трубок, вставленных в мозг, что может привести к дальнейшему повреждению тканей или инфекциям.
Исследователи Imperial теперь разработали систему мониторинга пациентов для мониторинга нескольких биомаркеров после черепно-мозговой травмы. Устройство сочетает в себе возможность мониторинга четырех биомаркеров одновременно с алгоритмами машинного обучения, которые используют предыдущие данные для прогнозирования концентраций биомаркеров на основе полученных данных в режиме реального времени. Если устройство будет оптимизировано и проверено для использования на людях, оно может помочь больницам более эффективно контролировать ЧМТ.
Ведущий автор, доктор Юбин Ху из Департамента химической инженерии Imperial, говорит, что «это многообещающий прорыв. Наши многообещающие результаты указывают как на точный мониторинг биомаркеров, так и на точные прогнозы прогрессирования травмы, которые после дальнейшей разработки могут помочь клиницистам контролировать состояние обоих пациентов. здоровье мозга и реакция на лечение».
Исследование опубликовано в Matter .
Тестирование устройства
Устройство состоит из гибкого оптического волокна на основе кремнезема , которое вводится в ткань головного мозга для мониторинга спинномозговой жидкости (ЦСЖ) — жидкости, окружающей головной и спинной мозг. К кончику волокна прикреплены четыре сенсорные пленки, которые одновременно и непрерывно измеряют уровни каждого из биомаркеров в спинномозговой жидкости: pH, температуру, растворенный кислород и глюкозу. Пленки покрыты черной оболочкой для снижения фонового шума и повышения точности данных.
Чтобы протестировать устройство, исследователи непрерывно отслеживали уровни этих биомаркеров в мозгу ягненка в различных состояниях. Мозг ягненка, который не пострадал от ЧМТ и, следовательно, был здоров, был помещен в искусственную спинномозговую жидкость, которую исследователи могли настроить, чтобы по желанию имитировать химию мозга при легкой и тяжелой ЧМТ.
Сначала они измерили биомаркеры в спинномозговой жидкости здоровых людей, а затем перешли к их измерению при легкой, а затем тяжелой ЧМТ. Чтобы имитировать сценарий, когда пациенты с ЧМТ выздоравливают после лечения, они затем снова измеряли состояние в состоянии легкой ЧМТ.
Первый автор Юцянь Чжан, доктор философии. Кандидат кафедры химического машиностроения, говорит, что их «устройство собирает множество медицинских данных, которые в настоящее время достижимы только с помощью множества различных датчиков. Устройство оптоволоконного датчика интегрировано с искусственным интеллектом (ИИ) для уменьшения перекрестных помех».
Соавтор доктор Нан Цзян из Сычуаньского университета говорит, что «устройство продемонстрировало высокую точность при непрерывном измерении каждого биомаркера во время здоровых, легких и тяжелых состояний ЧМТ».
