研究人员展示了评估烧伤的非侵入性方法

研究人员开发了一种神经网络模型，该模型使用太赫兹时域光谱 (THz-TDS) 数据进行无创烧伤评估。他们将新方法与专为烧伤快速太赫兹-TDS 成像而开发的手持式成像设备相结合。

“对于医疗保健专业人员来说，准确评估烧伤深度以提供最合适的治疗非常重要，”来自石溪大学的研究团队负责人 M. Hassan Arbab 说。“然而，目前依靠视觉和触觉检查的烧伤深度评估方法已被证明是不可靠的，准确率徘徊在 60-75% 左右。我们的新方法可能会提高烧伤严重程度评估的准确性，并有助于制定治疗计划。”

THz-TDS 使用太赫兹辐射的短脉冲来探测样品。它正在被检查以评估烧伤，因为烧伤引起的物理变化会改变皮肤的太赫兹反射率。

在 Optica Publishing Group 期刊Biomedical Optics Express中，研究人员报告的结果表明，他们的人工神经网络分类算法可以准确预测动物研究中体内烧伤的最终愈合结果，准确率为 93%。与研究人员之前使用的机器学习方法相比，新方法将所需的训练数据量减少了至少两个数量级。这可以使处理通过大型临床试验获得的大数据集更加实用。

“2018 年，仅就有约 416,000 名烧伤患者在急诊室接受治疗，”Arbab 说。“我们的研究有可能通过指导手术治疗计划显着改善烧伤愈合结果，这可能对减少住院时间和植皮手术次数产生重大影响，同时改善受伤后的康复。”

更好的烧伤评估

已经开发了各种技术来改进烧伤评估，但由于采集时间长、成本高以及穿透深度和视野有限等缺点，它们尚未在临床上广泛采用。尽管 THz-TDS 看起来很有希望用于烧伤评估，但早期的演示仅限于点光谱测量，没有考虑烧伤异质性和空间变化。太赫兹光谱设置也往往体积庞大且昂贵，并且需要繁琐的光学对准，这使得它们在现实环境中的临床使用中不切实际。

“为了应对这些挑战，我们开发了便携式手持光谱反射 (PHASR) 扫描仪，这是一种用户友好的设备，可使用太赫兹-TDS 对体内烧伤进行快速高光谱成像，”Arbab 说。“这款手持设备使用中心波长为 1560 nm 的双光纤飞秒激光器和远心成像配置中的太赫兹光电导天线，可在短短几秒钟内快速成像 37 x 27 mm 2视场。”

此前，研究人员使用数值方法从 THz-TDS 图像中提取特征，并使用机器学习技术使用 PHASR 扫描仪的测量值来估计体内烧伤的严重程度。然而，这种方法没有考虑烧伤皮肤组织介电常数的物理动力学和宏观变化。介电常数描述了材料如何响应电场。

为了研究改变太赫兹频率下皮肤烧伤的复杂介电功能的机制，研究人员转向双德拜理论，该理论已成功用于解释太赫兹辐射与各种类型生物组织的相互作用。

预测严重程度和愈合

“我们利用将双德拜模型拟合到烧伤的介电常数获得的五个参数开发了一个神经网络模型，”Arbab 说。“这种基于物理学的方法允许从宽带太赫兹脉冲中提取生物医学诊断标记，减少用于训练人工智能模型的太赫兹数据的维数，并提高机器学习算法的效率。”

研究人员通过使用 PHASR 扫描仪获取皮肤烧伤的光谱图像并测量烧伤的介电常数来测试他们的方法。在确定德拜参数后，研究人员使用这些数据创建了一个基于标记活检的神经网络模型。该模型估计烧伤严重程度的平均准确率为 84.5%，预测伤口愈合过程的结果准确率为 93%。

研究人员指出，在将该技术集成到现有的临床烧伤评估工作流程之前，需要对该技术和手持成像设备进行临床测试。