เครื่องมือ AI เร่งการจำแนกเนื้องอกระหว่างการผ่าตัดสมอง – Physics World

เครื่องมือ AI เร่งการจำแนกเนื้องอกระหว่างการผ่าตัดสมอง – Physics World

ประทับเวลา: 20 พฤศจิกายน 2023 4:30 น

การจัดลำดับดีเอ็นเออย่างรวดเร็ว
การจำแนกประเภทอย่างรวดเร็ว การรวมลำดับดีเอ็นเอเข้ากับแบบจำลองโครงข่ายประสาทเทียมช่วยเร่งการระบุประเภทของเนื้องอกในสมองในระหว่างการผ่าตัดได้อย่างมาก (เอื้อเฟื้อโดย: ยูเอ็มซี อูเทรชต์)

สำหรับศัลยแพทย์ระบบประสาท การกำจัดเนื้อเยื่อมะเร็งในสมองเป็นการกระทำที่สมดุลระหว่างการเพิ่มปริมาณของเนื้องอกที่ถูกกำจัดออกให้มากที่สุด เพื่อยืดอายุการอยู่รอดของผู้ป่วย และลดความเสี่ยงของความเสียหายทางระบบประสาทอย่างถาวร เครื่องมือใหม่ที่ผสมผสานการจัดลำดับ DNA อย่างรวดเร็วและปัญญาประดิษฐ์เพื่อจำแนกเนื้องอกในระบบประสาทส่วนกลาง (CNS) ในระหว่างการผ่าตัดมะเร็งสมอง ช่วยให้ศัลยแพทย์ระบบประสาทสามารถตัดสินใจได้ดีขึ้นเกี่ยวกับขอบเขตของการผ่าตัดเนื้องอกที่จะเป็นประโยชน์ต่อผู้ป่วยมากที่สุด

ศัลยแพทย์มีความรู้จำกัดเกี่ยวกับประเภทของเนื้องอกก่อนการผ่าตัด เมื่อการผ่าตัดเริ่มต้นขึ้น ส่วนของเนื้อเยื่อเนื้องอกจะถูกเอาออกเพื่อการประเมินทางเนื้อเยื่อวิทยาทันที แต่การจัดลำดับดีเอ็นเอสำหรับการวิเคราะห์เนื้อเยื่อและโมเลกุลโดยนักพยาธิวิทยามักต้องใช้เวลาหนึ่งสัปดาห์ในการวินิจฉัยขั้นสุดท้าย

เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว เครื่องมือใหม่ซึ่งมีชื่อว่า Sturgeon โดยทีมนักพัฒนาหลายสถาบันในเนเธอร์แลนด์ สามารถวินิจฉัยเนื้องอกในระบบประสาทส่วนกลางส่วนใหญ่ได้อย่างแม่นยำภายใน 90 นาที และเมื่อพวกเขาทราบประเภทของเนื้องอกและความก้าวร้าวแล้ว ศัลยแพทย์ทางระบบประสาทสามารถปรับเปลี่ยนกลยุทธ์การผ่าตัดในห้องผ่าตัดได้ตามที่การจำแนกประเภทของเนื้องอกรับประกัน

“ในระหว่างการผ่าตัด บางครั้งอาจมีเศษเนื้อเยื่อเนื้องอกหลงเหลืออยู่เล็กน้อยอย่างจงใจเพื่อป้องกันความเสียหายทางระบบประสาท” ศัลยแพทย์ระบบประสาทในเด็กอธิบาย อีลโก้ โฮวิ่ง ในแถลงการณ์ “แต่หากปรากฏในภายหลังว่าเนื้องอกลุกลามมาก การผ่าตัดครั้งที่สองอาจยังจำเป็นต้องเอาเศษที่เหลือสุดท้ายออก สิ่งนี้สามารถหลีกเลี่ยงได้ในตอนนี้เพราะเราจะรู้อยู่แล้วว่าระหว่างการผ่าตัดครั้งแรกเรากำลังเผชิญกับเนื้องอกชนิดใด”

รายงานการค้นพบของพวกเขาใน ธรรมชาตินักวิจัย – จาก UMC อูเทรคต์, อัมสเตอร์ดัม UMC และ ศูนย์มะเร็งวิทยาในเด็ก Princess Máxima – อธิบายวิธีที่พวกเขาสร้าง ฝึกอบรม และทดสอบเครื่องมือ นอกจากนี้ยังอธิบายการใช้งานระหว่างการผ่าตัด 25 ครั้ง โดยที่ปลาสเตอร์เจียนจำแนกเนื้องอกได้อย่างแม่นยำ 72% ในเวลาน้อยกว่า 45 นาที

ปลาสเตอร์เจียนทำงานโดยใช้การจัดลำดับนาโนพอร์อย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่ช่วยอ่าน DNA แบบเรียลไทม์ เพื่อให้ได้โปรไฟล์เมทิลเลชันที่กระจัดกระจายในระหว่างการผ่าตัด รูปแบบเมทิลเลชันเป็นการดัดแปลง DNA ที่มีความโดดเด่นอย่างมากสำหรับประเภทของเนื้องอกแต่ละชนิด ทำให้สามารถจัดประเภทย่อยระดับโมเลกุลของเนื้องอกในระบบประสาทส่วนกลางได้ ตัวแยกประเภทโครงข่ายประสาทเทียมเป็นแบบไม่เชื่อเรื่องผู้ป่วย ซึ่งหมายความว่าไม่จำเป็นต้องมีการฝึกอบรมแบบจำลองเฉพาะผู้ป่วย และใช้เวลาเพียงไม่กี่วินาทีในการทำงานบนคอมพิวเตอร์แล็ปท็อป

เนื่องจากชุดข้อมูลเมทิลเลชั่นที่ใช้นาโนพอร์มีอยู่อย่างจำกัด บาสเตียอัน ท็อป, เจโรน เดอ ริดเดอร์ และเพื่อนร่วมงานได้พัฒนากลยุทธ์เพื่อสร้างข้อมูลการฝึกอบรมที่สมจริงจากโปรไฟล์เมทิลเลชั่นแบบอาเรย์มาตรฐาน สเตอร์เจียนใช้ข้อมูลเหล่านี้เพื่อเพิ่มจำนวนตัวอย่างการฝึกอบรมที่มีอยู่ โดยจำลองการทดลองหาลำดับนาโนพอร์ที่ไม่ซ้ำกันหลายพันรายการจากโปรไฟล์เมทิลเลชันของเนื้องอกแต่ละโปรไฟล์ ในที่สุด โมเดลปลาสเตอร์เจียนรุ่นสุดท้ายได้รับการฝึกอบรมเกี่ยวกับนาโนพอร์จำลอง 36.8 ล้านชิ้น และได้รับการตรวจสอบความถูกต้องเพิ่มเติมอีก 4.2 ล้านชิ้น

นักวิจัยเริ่มฝึกปลาสเตอร์เจียนให้ทำการจำแนกประเภทเนื้องอกในระบบประสาทส่วนกลาง และนำไปใช้กับข้อมูลลำดับนาโนพอร์แบบกระจัดกระจายในตัวอย่างเนื้องอกในระบบประสาทส่วนกลาง 50 ตัวอย่าง และชุดข้อมูลที่เปิดเผยต่อสาธารณะของตัวอย่างในระบบประสาทส่วนกลางตามลำดับ แบบจำลองนี้จำแนกตัวอย่างเนื้องอกได้ 45 ตัวอย่างจากทั้งหมด 50 ตัวอย่างอย่างถูกต้อง ภายใน 40 นาทีหลังจากเริ่มการจัดลำดับ โดยให้ผลลัพธ์ที่คล้ายกันสำหรับชุดข้อมูลสาธารณะ

เพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพของปลาสเตอร์เจียนในการวินิจฉัยเนื้องอกในระบบประสาทส่วนกลางในเด็กโดยเฉพาะ ทีมงานได้รับโปรไฟล์เมทิลเลชั่น 94 รายการจากผู้ป่วยเด็กที่ได้รับการผ่าตัดเนื้องอกในระบบประสาทส่วนกลาง และใช้สิ่งเหล่านี้เพื่อจำลองการทดลองลำดับนาโนพอร์ สำหรับกรณีที่มีการวินิจฉัยที่ชัดเจน ปลาสเตอร์เจียนจำแนกได้อย่างถูกต้อง (ที่เกณฑ์ความเชื่อมั่น 0.8) 95.3% ของตัวอย่างจำลอง 34,000 ตัวอย่างภายใน 25 นาที และ 97.1% ภายใน 50 นาที

“ผลลัพธ์เหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าสามารถบรรลุการวินิจฉัยสรุปได้ภายใน 25–50 นาทีของการจำลองลำดับสำหรับกรณีเด็กส่วนใหญ่ที่สามารถจำแนกได้…โดยมีอัตราข้อผิดพลาดต่ำมาก” พวกเขาเขียน

ทีมงานยังได้สาธิตการใช้ปลาสเตอร์เจียนระหว่างการผ่าตัดในเด็ก 20 ครั้งที่ Princess Máxima Center และการผ่าตัดสำหรับผู้ใหญ่ 18 ครั้งที่ Amsterdam UMC สำหรับการศึกษาความเป็นไปได้ทางคลินิกนี้ ตัวอย่างที่ได้รับสำหรับการประเมินทางเนื้อเยื่อวิทยาจะถูกแบ่งออก โดยส่วนหนึ่งใช้สำหรับการจัดลำดับระหว่างการผ่าตัด และอีกส่วนหนึ่งสำหรับการประเมินทางเนื้อเยื่อวิทยา นักวิจัยรายงานว่าปลาสเตอร์เจียนวินิจฉัยเนื้องอกได้ถูกต้อง 25 จาก 45 เนื้องอกในเวลาน้อยกว่า 90 นาที โดยมีเวลาดำเนินการวินิจฉัยทั้งหมดน้อยกว่า XNUMX นาที

ข้อจำกัดประการหนึ่งของปลาสเตอร์เจียนคือทำงานได้ดีเฉพาะกับตัวอย่างที่มีการนำเสนออย่างเพียงพอในข้อมูลการฝึกอบรม ซึ่งไม่รวมเนื้องอกในระบบประสาทส่วนกลางประเภทที่หายาก ปลาสเตอร์เจียนยังทำงานได้ไม่ดีนักเมื่อวิเคราะห์ตัวอย่างที่มีเซลล์ผิดปกติน้อยกว่า 50% นอกจากนี้ตัวอย่างเนื้อเยื่อขนาดใหญ่ (ประมาณ 5 มม3) จำเป็นเพื่อให้มีความเข้มข้นของ DNA ที่เพียงพอ

นักวิจัยบอก โลกฟิสิกส์ การพัฒนาเพิ่มเติมในอนาคตของวิธีการนี้จะรวมถึงการนำไปใช้กับเนื้องอกประเภทอื่นๆ เช่น มะเร็งซาร์โคมาหรือมะเร็งเม็ดเลือดขาว ตลอดจนการตรวจสอบความถูกต้องในอนาคตเพื่อแสดงให้เห็นถึงประโยชน์ของผู้ป่วยและการศึกษาวิจัยในประชากรผู้ป่วยที่มีขนาดใหญ่ขึ้นมาก

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์