研究人员展示了一种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)数据进行非侵入性烧伤评估。他们将这种新方法与一种手持成像设备相结合，这种设备是他们专门为烧伤的快速太赫兹- tds成像而开发的。

来自石溪大学的研究小组负责人M. Hassan Arbab说:“对于医疗保健专业人员来说，准确评估烧伤的深度以提供最合适的治疗是很重要的。”“然而，目前的烧伤深度评估方法依赖于视觉和触觉检查，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。”

太赫兹- tds使用太赫兹辐射的短脉冲来探测样品。它正在被用来评估烧伤，因为生理变化烧伤会导致皮肤的太赫兹反射率发生变化。

在杂志上生物医学光学快报，研究人员报告的结果显示，他们的人工神经网络分类算法可以准确预测动物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。这可以使处理大型临床试验中获得的大数据集更加实用。

Arbab说:“2018年，仅在美国，就有大约41.6万名患者在急诊室接受了烧伤治疗。”“我们的研究有可能通过指导手术治疗计划来显着改善烧伤愈合结果，这可能对减少住院时间和皮肤移植手术次数产生重大影响，同时还可以改善受伤后的康复。”

更好的燃烧评估

目前已经开发了各种技术来改善烧伤评估，但由于采集时间长、成本高、穿透深度和视野有限等缺点，尚未在临床中广泛应用。

虽然太赫兹- 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，无法解释烧伤的异质性和空间变化。太赫兹光谱装置也往往体积庞大，价格昂贵，需要繁琐的光学校准，使它们不切实际临床使用在现实世界中。

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。”该手持设备使用中心波长为1560 nm的双光纤飞秒激光器和太赫兹光导天线，采用远心成像配置，可实现37 x 27 mm的快速成像²几秒钟内就能看到整个视野。”

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PHASR扫描仪测量的机器学习技术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。介电常数描述的是材料对电场的反应。

为了研究太赫兹频率下皮肤烧伤复杂介电功能的改变机制，研究人员求助于双德拜理论，该理论已被成功地用于解释太赫兹辐射与各种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，利用双Debye模型与烧伤的介电常数拟合得到的五个参数。”“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，提高机器学习算法的效率。”

研究人员通过使用相位扫描器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。在确定了德拜参数后，研究人员利用这些数据创建了一个神经网络模型基于标记活检。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，在将该技术整合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。