使用人工智能預測癌癥患者的骨折

隨著醫學繼續采用機器學習，一項新的研究表明科學家可以如何使用人工智能來預測癌癥如何影響脊柱骨折的概率。 在，每年診斷出超過 160 萬例癌癥病例，其中約 10% 的患者經歷脊柱轉移——當疾病從身體其他部位擴散到脊柱時。患者面臨的最大臨床問題之一是這些腫瘤導致脊柱骨折的風險，這可能導致嚴重的疼痛和脊柱不穩定。

“脊柱骨折使患者死亡的風險增加了約 15%，”該 研究的合著者、俄亥俄州立大學機械與航空航天工程副教授 Soheil Soghrati說。“通過預測這些骨折的結果，我們的研究為醫學專家提供了設計更好治療策略的機會，并幫助患者做出更明智的決定。”

Soghrati 說，雖然身體在暴露于癌性病變時所經歷的許多變化仍然是一個謎，但借助計算建模的力量，科學家們可以更好地了解脊柱發生了什么變化。

他們的研究發表在 國際生物醫學工程數值方法雜志上，描述了研究人員如何訓練一個名為 ReconGAN 的人工智能輔助框架來創建數字雙胞胎或患者椎骨的虛擬重建。

與將虛擬模型變成物理對象的 3D 打印不同， 數字雙胞胎的概念 涉及在不創建物理對象的情況下對其現實生活中的對應物進行計算機模擬。這種模擬可用于預測物體或系統的未來性能——在這種情況下，椎骨在壓力下破裂之前可以承受多少壓力。

通過對從尸體獲取的椎骨的逐層照片進行 MRI 和顯微 CT 圖像訓練 ReconGAN，研究人員能夠生成逼真的脊柱微結構模型。使用他們的模擬，Soghrati 的團隊還能夠虛擬地擴大模型，該研究表示，這種能力對于理解和整合整個椎骨幾何形狀的變化是必不可少的。

Soghrati 說：“真正使這項工作以獨特方式完成的是我們能夠對椎骨的幾何形狀進行建模的詳細程度。” “我們幾乎可以將同一塊骨頭從一個階段進化到另一個階段。”

在這種情況下，研究人員使用了一名 51 歲女性肺癌患者的 CT/MRI 掃描，該患者的癌癥已經轉移，以模擬如果癌癥削弱了某些椎骨會發生什么，以及這將如何影響骨骼承受的壓力。壓裂前。

該模型預測了由于腫瘤以及隨著癌癥進展而可能發生的其他變化，椎骨的強度部分會損失多少。他們的一些預測得到了癌癥患者臨床觀察的證實。

對于像骨科這樣的領域，使用像數字雙胞胎這樣的非侵入性工具可以幫助外科醫生了解新療法，模擬不同的手術場景，并設想骨骼將如何隨著時間的推移而變化，無論是由于骨骼脆弱還是由于輻射的影響。Soghrati 說，數字雙胞胎也可以根據患者的特定需求進行修改。

“最終目標是為外科醫生可能進行的所有手術開發數字雙胞胎，”他說。“目前，它們僅用于非常、非常具有挑戰性的手術，但我們希望幫助運行這些模擬并進一步調整這些參數。”

但這只是一項可行性研究，還需要做更多的工作，Soghrati 說。ReconGAN 僅使用來自一個尸體樣本的數據進行訓練，并且需要更多數據來完善 AI。