כמעט 3 מכל 10 מבוגרים בארצות הברית חוו כאבי גב תחתון בכל תקופה של שלושה חודשים, מה שהופך אותו לכאבי השרירים השלדתיים הנפוצים ביותר. כאבי גב נותרו אחד הגורמים המובילים לנכות ברחבי העולם, משפיעים על מיליונים ולעתים קרובות מובילים לאי נוחות כרונית, עבודה שהוחמצה ונהלים פולשניים.
חוקרים וקלינאים פונים יותר ויותר למודלים של עמוד השדרה המותני, המגשר על הנדסה ורפואה, ויוצר מודל וירטואלי ספציפי למטופל של הגב התחתון. טכנולוגיה זו מדמה את אופן זז עמוד השדרה, כאשר מתח מכני מצטבר, ומה עלול לגרום לכאב או לקוי בתפקוד.
מודלים מפורטים אלה משמשים לתכנון ניתוחים, להעריך שתלים בעמוד השדרה ולפתח אסטרטגיות טיפול בהתאמה אישית המותאמות לאנטומיה של כל מטופל. למרות הבטחתו, דוגמנות עמוד השדרה המותני הנוכחי הוא איטי, ידני ודורש מומחיות מיוחדת, מגביל את המדרגיות וההתאמה האישית. זה מעכב את היישום הקליני ומביא לתוצאות לא עקביות.
חוקרים מהמכללה להנדסה ומדעי המחשב באוניברסיטת אטלנטיק פלורידה והמכון למרקוס נוח -מדעי בבית החולים האזורי בוקה רטון, חלק מהבריאות הבפטיסטית, הגיעו לאבן דרך משמעותית במודלים של עמוד השדרה המותני על ידי שילוב אינטליגנציה מלאכותית עם ביומכניקה לאבחון עמוד השדרה ותכנון טיפול הטיפול בהתאמה אישית.
הם הראשונים שיצרו צינור ניתוח אלמנטים סופי אוטומטיים לחלוטין באופן ספציפי למודלים של עמוד השדרה המותני. פריצת הדרך שלהם כוללת שילוב כלי למידה עמוקים כמו Nnunet ו- Monai עם סימולטורים ביומכניים כמו גיבון ו- FEBIO.
תוצאות המחקר, שפורסמו בכתב העת Neurosurgery העולמי, מראות כי גישה חדשה זו הפחיתה את זמן ההכנה של מודל עמוד השדרה המותני ב- 97.9% – מימי 24 שעות ל -30 דקות בלבד ו -49 שניות – מבלי לפגוע ברמת הדיוק הביומכני. הצינור האוטומטי המלא מאפשר הדמיות מהירות וספציפיות למטופל התומכות בתכנון לפני הניתוח, אופטימיזציה של השתלת עמוד השדרה וגילוי מוקדם של תנאי עמוד השדרה הניווני.
הבדיקות הראו כי עמוד השדרה הווירטואלי הגיב ממש כמו אחד אמיתי, עם תנועת דיסק ריאליסטית, מתח רצועה ולחץ בחלק האחורי של עמוד השדרה במהלך כיפוף ומתיחה. מכיוון שהמערכת פועלת עם מעט מאוד עבודה ידנית, היא הרבה יותר מהירה ועקבית משיטות מסורתיות, מה שהופך אותה לכלי חשוב לרופאים ולחוקרים כאחד.
מה שמבדיל את הגישה שלנו הוא היכולת שלה להמיר אוטומטית תמונות רפואיות סטנדרטיות כמו CT או סריקות MRI למודלים מדויקים במיוחד וספציפיים למטופלים. שיטות ידניות מסורתיות דורשות עיבוד גיאומטריה מורכבת, הרשת והגדרת סימולציה של אלמנטים סופיים, מה שהופך אותם לא רק לאינטנסיבי זמן אלא גם תלויים מאוד במומחיות המפעיל. הצינור האוטומטי שלנו מצמצם משמעותית את הזמן הנדרש, וחותך את מה שלקח פעם כמה שעות או אפילו ימים עד דקות ספורות. "
Maohua Lin, Ph.D., סופר מקביל ועוזר מחקר, המחלקה להנדסה ביו -רפואית FAU
לצורך המחקר, החוקרים השתמשו ב- AI מתקדם כדי לזהות אוטומטית חלקים חשובים בעמוד השדרה – כמו עצמות ודיסקים – מסריקות רפואיות. אלה הפכו אז לדגמי תלת מימד חלקים שכללו עצמות, סחוס ורצועות. הם מיפו במקום בו הרצועות מחברים ועיצבו את הסחוס על בסיס דפוסים נפוצים. לבסוף, החוקרים ניהלו הדמיות ממוחשבות כדי לראות כיצד עמוד השדרה מגיב לתנועות כמו כיפוף ופיתול, ועוזרים להם להבין היכן מתח מתהפך ואיך עמוד השדרה נע בחיים האמיתיים.
"מעבר לקידום המחקר, דוגמנות עמוד השדרה המותני אוטומטי ממלאת תפקיד קריטי בתכנון לפני הניתוח", אמר פרנק ד. וריוניס, MD, המחבר המתאים לראשות נוירוכירורגיה במכון למדעי המוח מרקוס. "טכנולוגיה זו מייצרת במהירות מודלים ספציפיים למטופלים כדי לחזות סיבוכים מכניים, לייעל את תכנון השתל ולהפחית את הסיכונים הכירורגיים. על ידי הסרת צעדים ידניים, היא גם משפרת את המהירות והעקביות, ועוזרת לקלינאים לקבל החלטות מושכלות יותר."
מחקר זה נבנה על עבודות קודמות של צוות המחקר שפורסם בכתבי עת מובילים הכוללים ביקורת בינה מלאכותית וכתב העת של חברת Spine Society של צפון אמריקה, ובחינת טכניקות דוגמנות ביומכניות הקשורות ל- AI.
סטלה באטלמה, דוקטורט, דיקנית המכללה לפאו להנדסה ומדעי המחשב, אמרה כי "העבודה פורצת הדרך הזו מדגימה את הכוח המשתנה של המשחק של איחוד הנדסה ורפואה כדי להתמודד עם אתגרים מורכבים בתחום הבריאות". "חוקרי FAU וחוקרי הבריאות הבפטיסטיים לא רק דוחפים את גבולות החדשנות, הם גם מספקים פתרונות בעולם האמיתי שיכולים לשפר את תוצאות המטופלים ולהגדיר מחדש את הטיפול בעמוד השדרה."
מחברים משותפים למחקר הם מוהסן אחמדי, דוקטורט. סטודנט במחלקה להנדסת חשמל ומדעי המחשב; Xuanzong Zhang, תלמיד בית ספר תיכון למורשת אמריקאית; Yufei Tang, Ph.D., פרופסור חבר, המחלקה להנדסת חשמל ומדעי המחשב ומדעי המחשב ומכון לחישת FAU; אריק אנגברג, דוקטורט, פרופסור, המחלקה להנדסה ביו-רפואית ומחלקה להנדסת אוקיאנוס ומכניות, חבר במרכז FAU למערכות מורכבות ומדעי המוח במכללה למדע צ'ארלס א. שמידט, וחבר במכון המוח של פאו-סטיילסון; וג'וואד האשמי, דוקטורט, יו"ר חניכה ופרופסור למחלקה להנדסה ביו -רפואית ודיקן חבר למחקר, מכללת FAU להנדסה ומדעי המחשב.
מחקר זה נתמך על ידי בית החולים האזורי בוקה רטון, חלק מבריאות הבפטיסט, קרן הלן וסטיבן ווייצ'ולץ, הקרן הלאומית למדע, מענקי פיילוט ממכללת FAU להנדסה ומדעי המחשב, מכון המוח של FAU Stiles-Nicholson, מרכז FAU לבריאות חכמה ומכון פאו.
