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AI成像可以帮助改解脑动脉瘤

bt356体育博士。学生的研究提供了新的脑病患者的洞察力

3D drawing of brain

脑动脉瘤影响美国50人中的一个,就像滴答物炸弹:大脑中的动脉会在没有警告的情况下爆发。每年约有30,000人在美国遭受动脉瘤破裂,这损失了60%的患者,并留下了毁灭性脑损伤的一半幸存者。

虽然如果它们及时对待,可以防止许多破裂,预测哪个动脉瘤将突发是棘手的:诸如尺寸,形状和位置的标记仅提供对任何给定的动脉瘤破裂风险的不完美提示。现在,来自bt356体育的学生为主导的研究团队,与斯坦福大学和奥克兰大学的研究人员合作,开发了一种新的人工智能(AI) - 可以让医生识别和治疗高位-RISK动脉瘤更快,准确。

通过分析脑血管壁中的微小振动,新技术允许临床医生在爆发之前发现高危动脉瘤,可能使他们能够大大减少毁灭性疾病所采取的损失。 “这项研究将挽救生命,”说 Mehmet Kurt.是一位助理教授 机械工程系 在bt356体育,监督该项目。 “脑动脉瘤是怪物,我们迫切需要知道他们是否会破裂,以便外科医生能够干预。”

寻找警告标志

研究人员已经怀疑了一些时间,血管壁的运动可能会为动脉瘤破裂的可能性提供线索,但可靠地检测生活大脑内深入的微小振动已经证明是不可能的。

为了克服这一挑战,bt356体育团队使用了4D流程MRI,一种复杂的脑成像技术,将多个MRI扫描结合到显示流过大脑的血液的视频序列中。但是,即使使用这种扫描,通常无法检测到动脉瘤墙的细微闪烁,因此bt356体育研究人员建立在 以前的研究 开发一个名为AFLOW的高级图像处理算法,以隔离和放大微小运动。

“大脑是一个嘈杂的地方,所以你不能看看扫描并识别特定血管墙壁的振动,”ph.D.学生Javid Abderezaei,该研究的潜在客户。 “但随着AFLOW,我们能够在我们正在寻找的确切动作中回家。”

为了测试Aflow,Abderezaei和Kurt的团队使用数字模拟MRI扫描,其中它们可以预先确定模拟或“幻影”动脉瘤的振动。通过使用AI取消背景噪声并放大所需信号,AFLow能够极其精确地定位幻影振动。

该团队还从五个健康的科目中对真正的MRI数据进行了测试,表明它检测到它与真实生理变形相关的振动。 “我们能够展示我们检测到脑组织的局部变形相关的振动,并且是由血流的变化引起的,”Abderezaei解释说。

最后,学生们与西奈山山的研究人员合作,以从两种动脉瘤患者收集的扫描 - 一个高风险和一个低风险 - 超过一年。使用AFLOW,该团队确定在12个月的过程中,高风险患者的动脉瘤的高频壁运动几乎增加了低风险患者的四倍。

Abderezaei解释说,这表明它表明,ABDEREZAEI的血管壁中的预先不可检测的运动可以快速区分高风险和低风险动脉瘤。 “从长远来看,我们想使用机器学习来自动检测这些警告标志,”他说。 “但是,现在,我们很激烈地表明,AFLOW可以产生诊断有用的数据。”

大脑在运动中

bt356体育团队的调查结果是新的研究浪潮的一部分,部分由Kurt驱动,认为大脑作为动态,移动器官。 “人们曾经想到大脑作为静态,但它实际上处于恒定运动,”库尔特解释说。 “血流,脑脊液的运动,以及头部移动或遭受影响的力涟漪可能对其操作产生很大影响。”

近年来,库尔特和他的研究团队已经开创了使用成像,实验和计算工具来探索大脑的运动,解锁新的洞察神经功能的生物力学。库尔特解释说,这些方法最终将有助于临床医生了解和治疗从脑震荡到血管疾病的条件。

首先,有工作要做 - bt356体育的学生是该过程的关键部分。虽然许多研究人员使用学生进行日常实验室工作,但Kurt将本科和研究生从一开始就把本科生和研究生带入他的计划课程。 “我们每周举行一次性会议,我们在哪里讨论问题,并考虑战略,向前移动,”他解释道。 “学生带来的能源和新的观点是我实验室研究过程的重要组成部分。”

事实上,库尔特说,本科是动脉瘤成像项目后面的汉语之一。在早期的头脑风暴会议期间,约翰马丁斯(B.E. / M.ENG。'18)意识到实验室对脑生物力学的工作可以应用于脑动脉瘤。 “由于教育他们正在bt356体育接受,这些学生以完全新的方式思考问题,”库尔特说。 “作为一名研究人员,它令人震惊,你可以从学生那里学到多少。”

从实验室到诊所

Kurt表示,他将继续依靠本科和研究生,因为他努力了解大脑的运动并创造新的临床工具。目前,Abderezaei的团队正准备在较大的数据集上测试AFLOW,并开始建立诊断基准。这可以在未来几年内设定广泛的临床使用阶段。

“因为AFLOW只是一种算法,医生不需要昂贵的新硬件来获得更好的临床洞察力,”Abderezaei解释说。 “一旦我们完成工作,它可以快速推出。”

更好的是,添加了Kurt,用于研究动脉瘤的相同计算成像也可以应用于许多其他神经系统,包括中风和创伤性脑损伤。

“关键是让患者数据我们需要将方法调整到其他用例,”Kurt说。 “但这种方法具有巨大的潜力。在五到十年内,由于现在由bt356体育学生现在完成的工作,我们将看到外科医生使用这些工具来治疗他们的病人。“