研究人员展示了评估烧伤损伤的非侵入性方法

研究人员开发了一种神经网络模型，使用太赫兹时域光谱(THz-TDS)数据进行无创烧伤评估。他们将这种新方法与专门用于烧伤快速THz-TDS成像的手持成像设备相结合。

来自石溪大学的研究小组负责人M. Hassan Arbab说:“对医疗专业人员来说，准确评估烧伤的深度以提供最合适的治疗非常重要。”“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。它被用于评估烧伤程度，因为生理变化由烧伤引起的会改变皮肤的太赫兹反射率。

在杂志中生物医学光学快车，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在动物研究中准确预测体内烧伤的最终愈合结果，准确率达到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。这可能使处理从大型临床试验中获得的大数据集变得更加实际。

“2018年，仅在美国，就有大约41.6万名患者在急诊室接受烧伤治疗，”阿尔巴布说。“我们的研究有可能通过指导手术治疗计划来显著改善烧伤愈合结果，这可能对缩短住院时间和植皮手术次数产生重大影响，同时还可以改善损伤后的康复。”

更好的烧伤评估

人们已经开发了各种技术来改善烧伤评估，但由于获取时间长、成本高、穿透深度和视野有限等缺点，它们还没有在临床广泛采用。

虽然太赫兹- tds在烧伤评估方面看起来很有前景，但早期的演示仅限于点光谱测量，这并不能解释烧伤的异质性和空间变化。太赫兹光谱设置也往往笨重而昂贵，需要繁琐的光学校准，使它们不切实际临床使用在现实环境中。

Arbab说:“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，这是一种使用太赫兹- tds对体内烧伤损伤进行快速高光谱成像的用户友好设备。”“这款手持设备使用双光纤飞秒激光器，其中心波长为1560 nm，远心成像配置为太赫兹光导天线，可快速成像37 x 27 mm²在几秒钟内就能看到。”

在此之前，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相位扫描仪测量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对电场的反应。

为了研究太赫兹频率下皮肤烧伤复杂介电函数的改变机制，研究人员求助于双德拜理论，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

Arbab说:“我们开发了一个神经网络模型，利用从双德拜模型中获得的五个参数来拟合烧伤的介电常数。”“这种基于物理的方法允许从宽带太赫兹脉冲中提取生物医学诊断标记，降低太赫兹数据的维数，用于训练人工智能模型，并提高机器学习算法的效率。”

研究人员通过使用PHASR扫描仪获得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，研究人员利用这些数据创建了一个神经网络模型根据标记的活组织检查。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的准确率为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。