倫敦帝國(guó)理工學(xué)院（Imperial College London）開發(fā)的一種新型人工智能光纖傳感器裝置可以同時(shí)測(cè)量創(chuàng)傷性腦損傷的關(guān)鍵生物標(biāo)志物。
動(dòng)物腦組織測(cè)試的“有希望”結(jié)果表明，它可以幫助臨床醫(yī)生比目前更好地監(jiān)測(cè)**進(jìn)展和患者對(duì)**的反應(yīng)，這表明未來在人類中進(jìn)行診斷試驗(yàn)的潛力很大。
頭部受到嚴(yán)重打擊的人，例如在道路交通事故中，可能會(huì)遭受腦外傷（TBI）——這是世界范圍內(nèi)導(dǎo)致死亡和殘疾的主要原因，可能導(dǎo)致記憶、注意力和解決問題的長(zhǎng)期困難。
**期間需要持續(xù)監(jiān)測(cè)TBI。因此，在神經(jīng)危重癥護(hù)理環(huán)境中使用顱內(nèi)探頭來監(jiān)測(cè)損傷進(jìn)展的關(guān)鍵指標(biāo)，稱為生物標(biāo)志物，如大腦中的壓力和氧氣。
其中一些探針一次只能測(cè)量一種生物標(biāo)志物。其他人可以監(jiān)測(cè)多種生物標(biāo)志物，但需要將幾根管子插入大腦，這有可能導(dǎo)致進(jìn)一步的組織損傷或感染。
帝國(guó)研究院的研究人員現(xiàn)在開發(fā)了一種患者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)創(chuàng)傷性腦損傷后的多種生物標(biāo)志物。該設(shè)備將同時(shí)監(jiān)測(cè)四種生物標(biāo)志物的能力與機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，機(jī)器學(xué)習(xí)算法使用以前的數(shù)據(jù)基于獲得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)生物標(biāo)志物濃度。如果經(jīng)過優(yōu)化并證明可用于人體，該設(shè)備可以幫助醫(yī)院更有效地監(jiān)測(cè)TBI。
主要作者、帝國(guó)理工學(xué)院化學(xué)工程系的胡玉兵博士表示：“這是一個(gè)有希望的突破。我們有希望的結(jié)果表明，**的生物標(biāo)志物監(jiān)測(cè)和損傷進(jìn)展的**預(yù)測(cè)，在進(jìn)一步發(fā)展后，可以幫助臨床醫(yī)生監(jiān)測(cè)患者的大腦健康和**反應(yīng)。”
這項(xiàng)研究發(fā)表在《Matter》雜志上。
該裝置包括一根柔性硅基光纖，該光纖插入腦組織中，以監(jiān)測(cè)腦脊液（CSF）——環(huán)繞大腦和脊髓的液體。連接到纖維末端的是四個(gè)傳感膜，它們同時(shí)連續(xù)測(cè)量腦脊液中每個(gè)生物標(biāo)志物的水平：pH、溫度、溶解氧和葡萄糖。薄膜覆蓋有黑色護(hù)套，以減少背景噪聲并提高數(shù)據(jù)精度。
為了測(cè)試該裝置，研究人員連續(xù)監(jiān)測(cè)了不同狀態(tài)下羔羊大腦中這些生物標(biāo)志物的水平。小羊的大腦沒有受到腦外傷，因此是健康的，被懸浮在人工腦脊液中，研究人員可以隨意調(diào)整，模擬輕度和重度腦外傷的大腦化學(xué)。
首先，他們測(cè)量了健康腦脊液中的生物標(biāo)志物，然后在輕度和重度腦外傷狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量。為了模擬TBI患者從醫(yī)療中得到改善的情況，他們?cè)谳p度TBI狀態(tài)下再次測(cè)量。
**作者、化學(xué)工程系博士候選人張宇謙（Yuqian Zhang）表示，他們的“設(shè)備收集的醫(yī)療數(shù)據(jù)范圍廣泛，目前只有許多不同的傳感器才能實(shí)現(xiàn)。光纖傳感器設(shè)備與人工智能（AI）集成，以減少交叉干擾。”
合著者、四川大學(xué)的南江博士說：“該裝置在健康、輕度腦外傷和嚴(yán)重腦外傷**狀態(tài)下連續(xù)測(cè)量每個(gè)生物標(biāo)志物的準(zhǔn)確性很高。”
其高性能包括高靈敏度（檢測(cè)微量生物標(biāo)志物的能力）、選擇性（在生物標(biāo)志物之間辨別的能力）、穩(wěn)定性（以*小信號(hào)漂移提供長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的能力）、生物相容性（傳感器在長(zhǎng)期植入期間與腦組織**交互的能力）等。
機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠使用來自先前測(cè)量庫(kù)的讀數(shù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)生物標(biāo)志物濃度。它還能夠識(shí)別研究人員模擬的TBI不同階段之間的過渡。
化學(xué)工程系研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人阿里·耶蒂森博士表示，他們的研究表明，該設(shè)備能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)多種生物標(biāo)志物，以評(píng)估大腦中的代謝變化。它不斷反映損傷的狀態(tài)，這有助于神經(jīng)外科醫(yī)生**跟蹤**進(jìn)程，做出循證臨床決策和**
研究人員繼續(xù)開發(fā)傳感器，使用光學(xué)束擴(kuò)大可測(cè)試生物標(biāo)志物的范圍，如炎癥劑和神經(jīng)遞質(zhì)。他們還開發(fā)了一個(gè)更復(fù)雜的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，以充分利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)機(jī)制。他們還指出，需要使用活體動(dòng)物進(jìn)行更多的測(cè)試，以評(píng)估整個(gè)身體對(duì)探頭的響應(yīng)，并測(cè)試光纖傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的能力。
