使用AI预测癌症患者的骨折 椎骨的“数字孪生”可以帮助医生看到肿瘤的影响

随着医学继续接受机器学习，一项新的研究表明，科学家如何使用人工智能来预测癌症如何影响脊柱骨折的可能性。

在美国，每年有超过160万例癌症被诊断出来，其中约10%的患者经历脊柱转移 - 当疾病从身体的其他部位扩散到脊柱时。患者面临的最大临床问题之一是由于这些肿瘤引起的脊柱骨折的风险，这可能导致严重的疼痛和脊柱不稳定。

“脊柱骨折使患者死亡的风险增加约15%，”该研究的合着者，俄亥俄州立大学机械和航空航天工程副教授Soheiil Soghrati说。“通过预测这些骨折的结果，我们的研究为医学专家提供了设计更好的治疗策略的机会，并帮助患者做出更明智的决定。

虽然身体在暴露于癌性病变时经历的许多变化仍然是一个谜，但凭借计算建模的力量，科学家可以更好地了解脊柱发生了什么，Soghrati说。

他们的研究发表在《国际生物医学工程数值方法杂志》上，描述了研究人员如何训练一个名为ReconGAN的人工智能辅助框架来创建数字孪生体，或患者椎骨的虚拟重建。

与将虚拟模型转换为物理对象的3D打印不同，数字孪生体的概念涉及构建其现实生活中对应物的计算机模拟，而无需物理创建它。这种模拟可用于预测物体或系统的未来性能 - 在这种情况下，椎骨在压力下开裂之前可以承受多大的压力。

通过对ReconGAN进行MRI和通过拍摄从尸体获得的椎骨逐片图像获得的微CT图像，研究人员能够生成逼真的脊柱微观结构模型。使用他们的模拟，Soghrati的团队还能够虚拟地放大模型，该研究称，这种能力对于理解并将变化纳入椎骨的整个几何形状至关重要。

“真正使这项工作以独特的方式进行工作的是我们能够对椎骨的几何形状进行建模的细节，”Soghrati说。“我们几乎可以将相同的骨骼从一个阶段进化到另一个阶段。

在这种情况下，研究人员使用一名51岁女性肺癌患者的CT / MRI扫描，该患者癌症已经转移，以模拟如果癌症削弱某些椎骨会发生什么，以及这将如何影响骨骼在断裂前可能承受的压力。

该模型预测了由于肿瘤以及癌症进展而可能预期的其他变化，椎骨部分将失去多少强度。他们的一些预测得到了癌症患者临床观察的证实。

对于像骨科这样的领域，使用像数字孪生这样的非侵入性工具可以帮助外科医生了解新的疗法，模拟不同的手术场景，并设想骨骼将如何随着时间的推移而变化，无论是由于骨骼无力还是辐射的影响。数字孪生体也可以根据患者特定需求进行修改，Soghrati说。

“最终目标是开发一个数字孪生体，其中包含外科医生可能进行手术的所有内容，”他说。“目前，它们仅用于非常非常具有挑战性的手术，但我们希望帮助运行这些模拟并进一步调整这些参数。

但这只是一项可行性研究，需要更多的工作，Soghrati说。ReconGAN仅根据一个尸体样本的数据进行训练，需要更多的数据来完善AI。

其他合著者是侯赛因·艾哈迈迪安，普拉萨斯·马格斯瓦兰，本杰明·沃尔特，杜卡金·M·布拉卡伊，埃里克·C·布雷卡斯，埃胡德·孟德尔和俄亥俄州的威廉·S·马拉斯。这项研究得到了俄亥俄州立大学癌症工程中心的支持。