Pesquisadores demonstram método não invasivo para avaliar queimaduras: rede neural baseada em dados de espectroscopia terahertz prevê cicatrização de queimaduras com 93% de precisão

“É importante que os profissionais de saúde avaliem com precisão a profundidade de uma queimadura para fornecer o tratamento mais adequado”, disse o líder da equipe de pesquisa, M. Hassan Arbab, da Stony Brook University. “No entanto, os métodos atuais de avaliação da profundidade da queimadura, que dependem do exame visual e tátil, mostraram-se pouco confiáveis, com taxas de precisão oscilando em torno de 60-75%. Nossa nova abordagem poderia melhorar a precisão das avaliações da gravidade da queimadura e ajudar na planejamento do tratamento”.

THz-TDS usa pulsos curtos de radiação terahertz para sondar uma amostra. Ele está sendo examinado para avaliar queimaduras porque as mudanças físicas causadas por uma queimadura produzirão alterações na refletividade terahertz da pele.

Na revista Optica Publishing Group Óptica Biomédica Express, os pesquisadores relatam os resultados mostrando que seu algoritmo de classificação de rede neural artificial pode prever com precisão o resultado final da cura de queimaduras in vivo em um estudo com animais com 93% de precisão. Em comparação com as abordagens anteriores de aprendizado de máquina usadas pelos pesquisadores, o novo método reduz a quantidade de dados de treinamento necessários em pelo menos duas ordens de grandeza. Isso pode tornar mais prático o processamento de grandes conjuntos de dados obtidos em grandes ensaios clínicos.

“Em 2018, aproximadamente 416.000 pacientes foram tratados por queimaduras apenas nos departamentos de emergência dos Estados Unidos”, disse Arbab. “Nossa pesquisa tem o potencial de melhorar significativamente os resultados da cicatrização de queimaduras, orientando os planos de tratamento cirúrgico, o que pode ter um grande impacto na redução do tempo de internação e do número de procedimentos cirúrgicos para enxerto de pele, além de melhorar a reabilitação após a lesão”.

Melhor avaliação de queimaduras

Várias tecnologias foram desenvolvidas para melhorar a avaliação de queimaduras, mas não foram amplamente adotadas na clínica devido a desvantagens como longos tempos de aquisição, altos custos e profundidade de penetração e campo de visão limitados. Embora o THz-TDS pareça promissor para a avaliação de queimaduras, as primeiras demonstrações foram limitadas a medições de espectroscopia pontual, que não levam em conta a heterogeneidade da queima e as variações espaciais. As configurações de espectroscopia THz também tendem a ser volumosas e caras e requerem alinhamentos ópticos complicados, tornando-os impraticáveis ​​para uso clínico em ambientes do mundo real.

“Para enfrentar esses desafios, desenvolvemos o scanner portátil de reflexão espectral portátil (PHASR), um dispositivo fácil de usar para imagens hiperespectrais rápidas de queimaduras in vivo usando THz-TDS”, disse Arbab. “Este dispositivo portátil usa um laser de femtosegundo de fibra dupla com um comprimento de onda central de 1560 nm e antenas fotocondutoras de terahertz em uma configuração de imagem telecêntrica para a imagem rápida de um 37 x 27 mm² campo de visão em apenas alguns segundos.”

Anteriormente, os pesquisadores usaram métodos numéricos para extrair recursos das imagens THz-TDS e técnicas de aprendizado de máquina para estimar o grau de gravidade de queimaduras in vivo usando medições do scanner PHASR. No entanto, esta abordagem não considerou a dinâmica física e as mudanças macroscópicas da permissividade dielétrica do tecido da pele queimada. A permissividade dielétrica descreve como um material responde a um campo elétrico.

Para investigar os mecanismos que alteram a complexa função dielétrica das queimaduras na pele em frequências terahertz, os pesquisadores recorreram à teoria de Debye dupla, que tem sido usada com sucesso para explicar a interação da radiação THz com vários tipos de tecido biológico.

Prevendo a gravidade e cura

“Desenvolvemos um modelo de rede neural utilizando os cinco parâmetros obtidos com o ajuste do modelo duplo de Debye à permissividade dielétrica de queimaduras”, disse Arbab. “Essa abordagem baseada em física permite a extração de marcadores de diagnóstico biomédico de pulsos THz de banda larga, reduzindo a dimensionalidade dos dados THz para treinar os modelos de inteligência artificial e melhorar a eficiência dos algoritmos de aprendizado de máquina”.

Os pesquisadores testaram seu método usando o scanner PHASR para obter imagens espectroscópicas de queimaduras na pele e medir a permissividade das queimaduras. Depois de determinar os parâmetros de Debye, os pesquisadores usaram esses dados para criar um modelo de rede neural baseado em biópsias marcadas. O modelo estimou a gravidade das queimaduras com uma taxa média de precisão de 84,5% e previu o resultado do processo de cicatrização da ferida com uma taxa de precisão de 93%.

Os pesquisadores observam que são necessários testes clínicos da técnica e do dispositivo de imagem portátil antes que essa técnica possa ser integrada ao fluxo de trabalho existente de avaliação clínica de queimaduras.

A pesquisa relatada neste estudo foi apoiada pelo Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais dos Institutos Nacionais de Saúde sob o prêmio número R01GM112693.