Los investigadores han desarrollado un modelo de red neuronal que utiliza datos de espectroscopia de dominio de tiempo de terahercios (THz-TDS) para la evaluación de quemaduras no invasiva. Combinaron el nuevo enfoque con un dispositivo de imágenes portátil que desarrollaron específicamente para obtener imágenes rápidas THz-TDS de lesiones por quemaduras.
« Es importante que los profesionales de la salud evalúen con precisión la profundidad de una quemadura para brindar el tratamiento más adecuado », dijo el líder del equipo de investigación, M. Hassan Arbab, de la Universidad de Stony Brook. « Sin embargo, se ha demostrado que los métodos actuales de evaluación de la profundidad de las quemaduras, que se basan en el examen visual y táctil, no son confiables, con índices de precisión que oscilan entre el 60 y el 75 %. Nuestro nuevo enfoque podría mejorar potencialmente la precisión de las evaluaciones de la gravedad de las quemaduras y ayudar en planificación del tratamiento ».
THz-TDS utiliza pulsos cortos de radiación de terahercios para sondear una muestra. Se está examinando para evaluar lesiones por quemaduras porque los cambios físicos causados por una quemadura producirán alteraciones en la reflectividad de terahercios de la piel.
En la revista Biomedical Optics Express de Optica Publishing Group, los investigadores informan los resultados que muestran que su algoritmo de clasificación de redes neuronales artificiales puede predecir con precisión el resultado final de curación de las quemaduras in vivo en un estudio con animales con un 93 % de precisión. En comparación con los enfoques de aprendizaje automático anteriores utilizados por los investigadores, el nuevo método reduce la cantidad de datos de entrenamiento necesarios en al menos dos órdenes de magnitud. Esto podría hacer que sea más práctico procesar grandes conjuntos de datos obtenidos en grandes ensayos clínicos.
« En 2018, aproximadamente 416 000 pacientes fueron tratados por quemaduras en los departamentos de emergencia solo en los Estados Unidos », dijo Arbab. « Nuestra investigación tiene el potencial de mejorar significativamente los resultados de curación de quemaduras al guiar los planes de tratamiento quirúrgico, lo que podría tener un gran impacto en la reducción de la duración de las estancias en el hospital y la cantidad de procedimientos quirúrgicos para el injerto de piel, al mismo tiempo que mejora la rehabilitación después de una lesión ».
Mejor evaluación de quemaduras
Se han desarrollado varias tecnologías para mejorar la evaluación de quemaduras, pero no han sido ampliamente adoptadas en la clínica debido a inconvenientes tales como largos tiempos de adquisición, altos costos y profundidad de penetración y campo de visión limitados. Aunque THz-TDS parece prometedor para la evaluación de quemaduras, las primeras demostraciones se limitaron a mediciones de espectroscopia puntual, que no tienen en cuenta la heterogeneidad de las quemaduras y las variaciones espaciales. Las configuraciones de espectroscopia THz también tienden a ser voluminosas y costosas y requieren alineaciones ópticas engorrosas, lo que las hace poco prácticas para uso clínico en entornos del mundo real.
« Para abordar estos desafíos, desarrollamos el escáner portátil de reflexión espectral de mano (PHASR), un dispositivo fácil de usar para obtener imágenes hiperespectrales rápidas de lesiones por quemaduras in vivo utilizando THz-TDS », dijo Arbab. « Este dispositivo portátil utiliza un láser de femtosegundo de doble fibra con una longitud de onda central de 1560 nm y antenas fotoconductoras de terahercios en una configuración de imagen telecéntrica para la imagen rápida de un campo de visión de 37 x 27 mm2 en solo unos segundos ».
Anteriormente, los investigadores utilizaron métodos numéricos para extraer características de las imágenes THz-TDS y técnicas de aprendizaje automático para estimar el grado de gravedad de las lesiones por quemaduras in vivo utilizando mediciones del escáner PHASR. Sin embargo, este enfoque no consideró la dinámica física y los cambios macroscópicos de la permitividad dieléctrica del tejido de la piel quemada. La permitividad dieléctrica describe cómo responde un material a un campo eléctrico.
Para investigar los mecanismos que modifican la compleja función dieléctrica de las quemaduras cutáneas en frecuencias de terahercios, los investigadores recurrieron a la teoría del doble Debye, que se ha utilizado con éxito para explicar la interacción de la radiación THz con varios tipos de tejido biológico.
Predicción de la gravedad y la curación
« Desarrollamos un modelo de red neuronal utilizando los cinco parámetros obtenidos al ajustar el modelo de doble Debye a la permitividad dieléctrica de las lesiones por quemaduras », dijo Arbab. « Este enfoque basado en la física permite la extracción de marcadores de diagnóstico biomédicos a partir de pulsos de THz de banda ancha, lo que reduce la dimensionalidad de los datos de THz para entrenar los modelos de inteligencia artificial y mejorar la eficiencia de los algoritmos de aprendizaje automático ».
Los investigadores probaron su método utilizando el escáner PHASR para obtener imágenes espectroscópicas de quemaduras en la piel y medir la permitividad de las quemaduras. Después de determinar los parámetros de Debye, los investigadores utilizaron estos datos para crear un modelo de red neuronal basado en biopsias etiquetadas. El modelo estimó la gravedad de las quemaduras con una tasa de precisión promedio del 84,5 % y predijo el resultado del proceso de cicatrización de heridas con una tasa de precisión del 93 %.
Los investigadores señalan que se necesitan pruebas clínicas tanto de la técnica como del dispositivo de imágenes portátil antes de que esta técnica pueda integrarse en el flujo de trabajo existente de evaluación clínica de quemaduras.
La investigación reportada en este estudio fue apoyada por el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales de los Institutos Nacionales de Salud bajo el número de concesión R01GM112693.