新算法分析二氧化碳以帮助确定如何治疗病人

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来自麻省理工学院,哈佛医学院和费城爱因斯坦医学中心的研究人员开发了一种新的算法,该算法能够以高准确度确定患者是否患有肺气肿或心力衰竭,这是基于二氧化碳浓度患者的呼气。 /

医护人员响应911呼叫找到呼吸困难的老年患者。焦虑和迷失方向,病人无法记住他正在服用的所有药物,而且他的呼吸急促,说话困难。他患有急性肺气肿或心力衰竭吗?症状看起来相同,但启动错误的治疗方案会增加患者严重并发症的风险。

来自麻省理工学院电子研究实验室的研究人员与哈佛医学院和费城爱因斯坦医学中心的医生合作,认为在美国和欧洲的所有救护车中重新使用医疗设备标准可以帮助医务人员进行这种现场诊断。

在IEEE Transactions on Biomedical Engineering的12月号上,他们提出了一种新的算法,该算法能够以高准确度基于二氧化碳分析仪的读数来确定患者是否患有肺气肿或心力衰竭 - 一台测量二氧化碳浓度的机器在病人的呼气中。

“这台机器无处不在,”麻省理工学院电气与生物医学工程系Henry Ellis Warren教授兼论文合着者之一George Verghese说。 “这实际上是在每个急诊室和手术室。但是他们通常使用它的用途比我们在这里尝试的更有限。“

在美国,二十世纪八十年代首次推出二氧化碳图,作为帮助医疗专业人员将呼吸管插入镇静患者气管的一种方式。如果试管意外地插入食管 - 通向胃而不是肺 - 二氧化碳监测仪将根本不测量二氧化碳浓度。

在这种情况下,二氧化碳图容易阅读。如果二氧化碳监测仪显示常规波形,呼吸和波谷用于吸入,管道已正确插入。如果二氧化碳图平整,它就没有了。

丰富的信号

但随着时间的推移,医生们观察到充血性心力衰竭和肺气肿患者(或医学文献中已知的慢性阻塞性肺疾病患者)的二氧化碳图呈微妙但始终不同于健康受试者和对照者的差异。

其中一位医生,波士顿儿童医院急诊医学专家,哈佛医学院副教授Baruch Krauss认为,二氧化碳信号可能是诊断有用信息的来源,特别是对于护理人员。在医院实验室进行的血液检查可以准确地区分肺气肿和心力衰竭,但从接受样本开始需要大约一个小时 - 对于病情足够高的病人来说,呼叫911的时间太长。

Krauss意识到RLE的计算生理学和临床推理小组专门研究微创传感器的新型诊断应用,因此他要求与该小组的领导者Verghese和电气和生物医学工程助理教授Thomas Heldt会面,他曾加入麻省理工学院医学工程和科学研究所。 “我们甚至都不知道'capnography'这个词,直到Baruch与我们开会并且告诉我们这件事,”Verghese说。

Verghese和Heldt招募了刚刚开始硕士学位的学生Rebecca Mieloszyk来调查病人的二氧化碳图和他们的最终诊断之间的关系。

Mieloszyk的第一项任务是确定人群中二级信号的特征。例如,在健康受试者的二氧化碳图中波浪的波峰似乎处于最高浓度水平,而那些患病的病人则没有。其他明显的考虑因素是呼气的持续时间和它们之间的时间间隔。

一旦她确定了可能有十几个这样的特征,她就编写了一个机器学习算法,该算法将查找与病人的最终诊断相关的特征模式。但是这个算法有点不合常规。

民主决策

她不是在一组数据上训练单个分类器,而是在另一组数据上将其松散,以查看它是如何执行的,她将训练数据分成50个子集。每个子集由大约70%的数据随机选择组成 - 因此子集之间存在显着重叠,但没有两个子集相同。然后,她使用这些子集来训练50个不同的分类器。算法的最终输出结果是50个分类器的投票结果。

通常根据诊断技术的真实阳性率 - 他们成功诊断出的实际病例的比例 - 以及他们的假阳性率 - 将他们归类为病态的健康对象的比例进行评估。这些可以在图表上相对于彼此绘制,以y轴为真,y轴为假。

理想的诊断结果会在图的顶部产生一条直线:即使假阳性率为0,它的真阳性率也始终为1。该线产生一个面积为1的正方形,因为它的顶部从(0,1)至(1,1)。因此,一个很好的诊断是曲线下面积接近1的诊断。

在他们的测试中,麻省理工学院的研究人员和他们的同事发现,他们区分健康人和肺气肿患者的算法得出的曲线下面积为0.98。区分肺气肿患者和充血性心力衰竭患者的算​​法在0.89处检查。

“这是非常好的表现,”克劳斯说。 “现在,当救护车系统接到一位呼吸急促的老人时,很多时候他们无法确定他们是否因肺气肿或心力衰竭而呼吸不畅,所以他们只是尽量猜测。所以当我们谈论猜测时,我认为我们确实做得很好。“

验证

然而,为了精确确定研究人员如何做好准备,研究人员目前正在进行一项双盲实验,在该实验中,医务人员在评估病人状况的同时也服用二氧化碳图,其结果由麻省理工学院研究人员的算法进行分析。在其他工作中,Verghese和Heldt团队的其他成员正在评估二氧化碳图是否可以测量哮喘发作的严重程度以及接受医疗手术的患者的镇静程度。

Loma Linda大学急诊医学和儿科学教授,“急诊医学年鉴”杂志副主编史蒂芬格林说:“我相信,在10年内,这项工作的成果在医疗实践中将是司空见惯的。 “这项工作有很大的希望,有两个真正迫切的需求,而随着技术的进步,可能会有更多的需求。”

“首先,每年有数千名患者被救护车运送,严重气促,”他说。 “有两种可以立即治疗但不同的原因 - 无论是喘息还是心力衰竭引起的肺内流动 - 并且很难确定哪一种是积极的问题。通常情况下,医护人员只是为了这两种情况而进行治疗,使患者面临两种药物治疗的风险。这项技术显示了快速区分这些条件的承诺。“

“其次,每年有成千上万的患者接受药物治疗,以缓解疼痛或不舒服的手术,如结肠镜检查,骨折复位或牙科治疗,”Green补充道。 “对此最有效的药物也会减慢正常呼吸,并有可能完全停止呼吸。监测通气充足性的当前技术只能在呼吸并发症可能发生之前几秒发出信号。这项新技术显示了向临床医生提供更大预警的承诺。“

出版物:Mieloszyk,R。等人,“Automated Quantitative Analysis of Capnogram Shape for COPD-Normal and COPD-CHF Classification,”Biomedical Engineering,IEEE,Volume:PP Issue:99,2014; DOI:10.1109 / TBME.2014.2332954

资料来源:麻省理工学院新闻节目Larry Hardesty

图片:Christine Daniloff / MIT

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