NTU、MIT與布朗大學三校合作有新成果了

　　來自新加坡南洋理工大學，布朗大學和麻省理工學院（MIT）的國際科學家團隊開發(fā)出了一種新的人工智能（AI）平臺，該平臺可以通過檢測人類血管異常狀況來診斷和早篩出眼部和血管疾病，隨后可以進行提前預防和持續(xù)治療。

　　該平臺由AI智能驅(qū)動的，將機器學習和經(jīng)過特殊設(shè)計的微流控芯片相結(jié)合，對血流的2D視頻圖像進行分析并應用物理定律，從而推斷模擬出真實的3D血管血流情況。在測試中，它可以準確模擬預測血流特征，例如血流速度，血壓和剪切應力*。

　　剪切應力是指物體由于外因（載荷、溫度變化等）而變形時，在它內(nèi)部任一截面（剪切面）的兩方出現(xiàn)的相互作用力，稱為“內(nèi)力”。內(nèi)力的集度，即單位面積上受到的內(nèi)力稱為“應力”。應力可分解為垂直于截面（剪切面）的分量，稱為“正應力”或“法向應力”；相切于截面（剪切面）的分量稱為“剪切應力”。

　　準確確定和量化這些血管特征是臨床醫(yī)生檢測和跟蹤血管疾病進展并進行進一步診斷治療的關(guān)鍵支持，因為該AI平臺可能隨時發(fā)現(xiàn)平時醫(yī)生或檢測很難發(fā)現(xiàn)的異常（例如速度的突然變化或血流的剪切應力），并分析可能存在的血管疾病或進展。

　　技術(shù)解釋

　　盡管諸如視網(wǎng)膜攝影分析和光學相干斷層掃描等成像技術(shù)取得了飛速發(fā)展，但目前的技術(shù)壁壘是仍無法實時觀察微循環(huán)中的生物過程，例如眼部血管中的微動脈瘤破裂和血栓的形成。

　　因此，為了更多地了解這些疾病的進展，目前科學家們一直在使用傳統(tǒng)的微流控設(shè)備（模仿在微芯片中雕刻的微小通道中的微量流體穿梭的設(shè)備）來模仿血管疾病的生理狀況。這些現(xiàn)有方法依賴于視覺圖像分析或應用血流背后的物理定律，無法提供對血流特征的準確評估，尤其是在具有復雜幾何形狀（例如眼部微動脈瘤）的血管中更是難以預測。

　　研究團隊在芯片上的微動脈瘤上展示了AI平臺的功能，該芯片旨在模擬糖尿病患者中最常見的圓形微動脈瘤中的血流，該芯片用于模擬微流控設(shè)備：將20微升的血液樣本（大約半滴血液）裝載到芯片上，并使用高速相機捕獲通過微通道移動的血液的圖像。

　　科學家使用小于縮略圖的微流體芯片在模擬的眼睛微動脈瘤上對其進行了測試。微動脈瘤是糖尿病患者眼睛的微血管中的凸起，是糖尿病性視網(wǎng)膜病變的最早跡象，是導致糖尿病的成年人工作的主要視力喪失和失明的主要原因。他們因此發(fā)現(xiàn)AI平臺比現(xiàn)有的計算方法更準確，更有效地預測了在小型，中型和大型微動脈瘤中，血流在血管壁上所施加的速度，壓力和剪切應力等血流特征。

　　該團隊認為，他們的技術(shù)可能會成為使用從實際微動脈瘤獲取的圖像診斷和監(jiān)測微動脈瘤的強大工具。它也可能與微流體設(shè)備結(jié)合使用，該設(shè)備可模擬涉及血管受損的其他類型的疾病，以預測血流特征并監(jiān)測其他血管疾病。

　　研究團隊

　　該研究團隊主要有：NTU研究人員Kong Fang博士；曾來NTU擔任訪問研究員，現(xiàn)麻省理工學院博士后Fuyin Zheng博士；以及布朗大學的Shengze Cai博士和He Li教授組成。目前該團隊已為這個新的AI平臺申請了專利。

　　技術(shù)影響

　　在新一期的美國科學院Proceedings of the National Academy中報道了該平臺及其概念驗證結(jié)果。同樣參與到了研究中的NTU校長Subra Suresh教授，布朗大學教授George Em Karniadakis以及麻省理工學院首席研究科學家和NTU訪問學者Ming Dao教授領(lǐng)導的研究團隊共同對該平臺技術(shù)進行了報道。

　　當向AI平臺提供模擬微動脈瘤的設(shè)備中的血流圖像時，它可以成功預測其中的血液循環(huán)特征。AI平臺和單片微動脈瘤有一天可以幫助醫(yī)療從業(yè)人員監(jiān)測人類血管疾病的進展，并且對人體最小的血管疾病尤其有用。

　　報道該研究的Subra Suresh教授說：“目前，測量最小血管中的血流力學需要復雜的設(shè)備和有經(jīng)驗的人員。我們的AI技術(shù)整合了圖像，實驗數(shù)據(jù)和底層物理原理，使微循環(huán)血流量可以輕松，準確地進行分析，從而評估血管損傷和疾病狀態(tài)。借助該平臺，可以獲得重要的機械信息，并深入了解以前很難提取的疾病演變機制�！�

　　該研究的通訊作者兼布朗大學工程與應用數(shù)學教授George Em Karniadakis說：“我們在微動脈瘤上測試了我們的平臺，這是糖尿病性視網(wǎng)膜病的最早癥狀，是導致適齡視力喪失的主要原因。全球糖尿病患者。我們的最終目標是在臨床環(huán)境中將該平臺用于糖尿病性視網(wǎng)膜病的診斷和預后以及其他涉及血流受損的疾病�！�

　　科學家們說，盡管該平臺是為微動脈瘤監(jiān)測而開發(fā)的，但它可以被改造成監(jiān)測血管受損的其他疾病。該研究團隊還希望在微動脈瘤的臨床影像數(shù)據(jù)上測試其平臺，以使微動脈瘤的血流特征與疾病嚴重程度和潛在風險等因素相關(guān)聯(lián)。