倫敦帝國理工學(xué)院（Imperial College London）開發(fā)的一種新型人工智能光纖傳感器裝置可以同時測量創(chuàng)傷性腦損傷的關(guān)鍵生物標志物。

動物腦組織測試的“有希望”結(jié)果表明，它可以幫助臨床醫(yī)生比目前更好地監(jiān)測疾病進展和患者對治療的反應(yīng)，這表明未來在人類中進行診斷試驗的潛力很大。

頭部受到嚴重打擊的人，例如在道路交通事故中，可能會遭受腦外傷（TBI）——這是世界范圍內(nèi)導(dǎo)致死亡和殘疾的主要原因，可能導(dǎo)致記憶、注意力和解決問題的長期困難。

治療期間需要持續(xù)監(jiān)測TBI。因此，在神經(jīng)危重癥護理環(huán)境中使用顱內(nèi)探頭來監(jiān)測損傷進展的關(guān)鍵指標，稱為生物標志物，如大腦中的壓力和氧氣。

其中一些探針一次只能測量一種生物標志物。其他人可以監(jiān)測多種生物標志物，但需要將幾根管子插入大腦，這有可能導(dǎo)致進一步的組織損傷或感染。

帝國研究院的研究人員現(xiàn)在開發(fā)了一種患者監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測創(chuàng)傷性腦損傷后的多種生物標志物。該設(shè)備將同時監(jiān)測四種生物標志物的能力與機器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，機器學(xué)習(xí)算法使用以前的數(shù)據(jù)基于獲得的數(shù)據(jù)實時預(yù)測生物標志物濃度。如果經(jīng)過優(yōu)化并證明可用于人體，該設(shè)備可以幫助醫(yī)院更有效地監(jiān)測TBI。

主要作者、帝國理工學(xué)院化學(xué)工程系的胡玉兵博士表示：“這是一個有希望的突破。我們有希望的結(jié)果表明，精確的生物標志物監(jiān)測和損傷進展的精確預(yù)測，在進一步發(fā)展后，可以幫助臨床醫(yī)生監(jiān)測患者的大腦健康和治療反應(yīng)?！?/p>

這項研究發(fā)表在《Matter》雜志上。

該裝置包括一根柔性硅基光纖，該光纖插入腦組織中，以監(jiān)測腦脊液（CSF）——環(huán)繞大腦和脊髓的液體。連接到纖維末端的是四個傳感膜，它們同時連續(xù)測量腦脊液中每個生物標志物的水平：pH、溫度、溶解氧和葡萄糖。薄膜覆蓋有黑色護套，以減少背景噪聲并提高數(shù)據(jù)精度。

為了測試該裝置，研究人員連續(xù)監(jiān)測了不同狀態(tài)下羔羊大腦中這些生物標志物的水平。小羊的大腦沒有受到腦外傷，因此是健康的，被懸浮在人工腦脊液中，研究人員可以隨意調(diào)整，模擬輕度和重度腦外傷的大腦化學(xué)。

首先，他們測量了健康腦脊液中的生物標志物，然后在輕度和重度腦外傷狀態(tài)下進行測量。為了模擬TBI患者從醫(yī)療中得到改善的情況，他們在輕度TBI狀態(tài)下再次測量。

第一作者、化學(xué)工程系博士候選人張宇謙（Yuqian Zhang）表示，他們的“設(shè)備收集的醫(yī)療數(shù)據(jù)范圍廣泛，目前只有許多不同的傳感器才能實現(xiàn)。光纖傳感器設(shè)備與人工智能（AI）集成，以減少交叉干擾?！?/p>

合著者、四川大學(xué)的南江博士說：“該裝置在健康、輕度腦外傷和嚴重腦外傷疾病狀態(tài)下連續(xù)測量每個生物標志物的準確性很高。”

其高性能包括高靈敏度（檢測微量生物標志物的能力）、選擇性（在生物標志物之間辨別的能力）、穩(wěn)定性（以最小信號漂移提供長期監(jiān)測的能力）、生物相容性（傳感器在長期植入期間與腦組織安全交互的能力）等。

機器學(xué)習(xí)模型能夠使用來自先前測量庫的讀數(shù)實時準確預(yù)測生物標志物濃度。它還能夠識別研究人員模擬的TBI不同階段之間的過渡。

化學(xué)工程系研究團隊負責(zé)人阿里·耶蒂森博士表示，他們的研究表明，該設(shè)備能夠動態(tài)監(jiān)測多種生物標志物，以評估大腦中的代謝變化。它不斷反映損傷的狀態(tài)，這有助于神經(jīng)外科醫(yī)生精確跟蹤疾病進程，做出循證臨床決策和治療

研究人員繼續(xù)開發(fā)傳感器，使用光學(xué)束擴大可測試生物標志物的范圍，如炎癥劑和神經(jīng)遞質(zhì)。他們還開發(fā)了一個更復(fù)雜的機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，以充分利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)和預(yù)測機制。他們還指出，需要使用活體動物進行更多的測試，以評估整個身體對探頭的響應(yīng)，并測試光纖傳感器在實際應(yīng)用中的能力。

參考文獻

Yuqian Zhang et al, Multiplexed optical fiber sensors for dynamic brain monitoring, Matter (2022). DOI: 10.1016/j.matt.2022.07.024