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Brain-saving技术

这种新设备结合了算法、红外光和成像技术来监测脑出血

特性

日期: 2020年4月23日
来源:
魏茨曼杂志第17卷
TOVA的发明者,从左到右:Slava Kalchenko博士和Alon Harmelin教授

TOVA的发明者,从左到右:Slava Kalchenko博士和Alon Harmelin教授

想象一下,一名医生在几英里外凝视着病人的头部,仅仅通过瞥一眼移动设备,就能诊断出由不断扩大的血凝块引起的脑损伤。由于行政与财务副总裁Alon Harmelin教授的合作,这种能力近在咫尺;该研究所兽医资源部门体内光学成像部门的高级科学家兼负责人Slava Kalchenko博士;以及纽约州和康涅狄格州Nuvance Health医院网络的神经学家保罗·赖特博士。

哈梅林教授和卡尔钦科博士开发了一种名为“经颅光学血管评估”(transcranial optical vascular assessment,简称TOVA)的成像系统,可以捕捉硬膜下血肿的存在和增长情况的图像和数据。硬膜下血肿是大脑最外表面的一种常见的颅内出血,在头部受伤后经常发生。TOVA是一种轻便、可穿戴的头盔,可无线连接到移动设备(如平板电脑或智能手机),通过云进行持续、实时监控,并配有一个集中监控系统。

TOVA将易于携带,并设计为连续使用。患者将在从医院或急救中心出院时获得可穿戴式头盔,而不是长期住院和暴露于CT扫描监测(目前诊断血肿和其他脑损伤的方法)所接受的电离辐射。通过这种方式,TOVA可以立即降低长期住院的费用,同时在自己家中提供更好的监测。

Harmelin教授在担任兽医资源部门负责人时开发了这项技术,他说:“TOVA将改变我们治疗头部损伤的游戏规则。”

借助人工智能,开启新的光明

TOVA背后的技术秘密是红外光和射频信号的结合,再加上复杂的算法。它是基于一个关键的科学现象,即血液在流经头盖骨的不同组织时,具有明显不同的光吸收特性。

利用血液的光吸收特性来成像大脑的想法已有40多年的历史。然而,到目前为止,人们一直认为不可能找到既足够准确又安全(无辐射)的方法来利用这些特性。

“构建算法的计算要求相当复杂,”卡尔琴科博士说。“但得益于过去10年基于人工智能的‘机器学习’革命,这现在成为可能。”

哈梅林教授和卡尔琴科博士发明了一种算法,可以对各种组织中血肿的血液/光线“特征”进行编码,并将其与健康脑组织区分开。也就是说,他们使用人工智能“机器学习”技术构建了算法,涉及一系列模拟不同特征的数据集,然后将这些模拟“传授”给一个计算机程序,然后该程序可以在活体动物模型中区分血肿的存在和大小。

现在,通过与Paul Wright博士的合作,Harmelin教授和Kalchenko博士正在推进这种可穿戴式头盔在医学界的适用性和可用性。
这一发展正值重要时期。由于医学的进步促进了长寿,越来越多的人活得更长了;然而,一个意想不到的后果是,越来越多的人因为心脏病而使用血液稀释剂。

“老年人更容易摔倒,如果他们在服用血液稀释剂时摔倒,发生创伤性脑出血的风险很高,”赖特医生说。“即使血液被抽干了,也总会有复发的可能,直到下一次CT扫描才会发现。由于TOVA提供实时监测,因此降低了严重脑损伤的几率。”

TOVA能够扫描到大脑3厘米的深度,这是一个相对较短的距离。通过这种方式,该技术符合特定的诊断利基,与CT和MRI互补。

目标是让救护车、医生办公室和疗养院都能使用TOVA。甚至可以集成到摩托车头盔和军用头盔中,用于现场分诊。

TOVA技术的开发得到了Yeda的业务发展专家的支持,Yeda是魏茨曼研究所的技术转让部门,其创新发展、增强和加速(IDEA)项目。IDEA是一项新的倡议,旨在帮助魏茨曼科学家弥合学术界和工业界之间的差距。在Yeda的帮助下,TOVA很快就会出现在病人身边——无论病人在哪里。

TOVA芯片

TOVA芯片

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