По словам исследователей, такое устройство может предотвращать тысячи инфекций ежегодно среди пациентов, проходящих курс химиотерапии. Их настольный прототип записывает видео клеток крови, протекающих через капилляры чуть ниже поверхности кожи у основания ногтя. Компьютерный алгоритм может анализировать изображения, чтобы определить, находятся ли уровни лейкоцитов ниже порога, который врачи считают опасным.
«Наше видение состоит в том, чтобы у пациентов было это портативное устройство, которое они могли бы забрать домой, и они могли бы ежедневно отслеживать, как они реагируют на лечение. Если они опускаются ниже порогового значения, тогда может быть применено профилактическое лечение», — говорит Карлос Кастро-Гонсалес. , постдок в Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института (RLE) и руководитель исследовательской группы.В статье, опубликованной в Scientific Reports, исследователи показали, что устройство может точно определить, был ли уровень лейкоцитов слишком низким, в исследовании 11 пациентов, проходящих химиотерапию.
Первым автором статьи является Орельен Буркар, постдок RLE. В число других членов команды, разработавших новую технологию, входят инженер-исследователь RLE Ян Баттерворт, бывший постдок Массачусетского технологического института Альваро Санчес-Ферро и аспирант Мадридского технического университета Альберто Пабло Тринидад.Предотвращение заражения
Исследователи начали этот проект почти четыре года назад в рамках консорциума Madrid-MIT M + Vision, который сейчас является частью MIT linQ. Программа привлекает постдоков со всего мира, чтобы попытаться решить проблемы, с которыми сталкиваются врачи и больницы.
В этом случае исследовательская группа посетила онкологическое отделение больницы Мадрида и обнаружила, что низкий уровень лейкоцитов у пациентов делает их восприимчивыми к опасным для жизни инфекциям.Пациенты, проходящие химиотерапию, обычно получают дозу каждые 21 день. После каждой дозы уровень лейкоцитов в них падает, а затем снова постепенно повышается.
Однако врачи обычно проверяют кровь пациентов только непосредственно перед новой дозой, поэтому у них нет возможности узнать, упадет ли уровень лейкоцитов до опасного уровня после лечения.«В США каждый шестой пациент, получающий химиотерапию, попадает в больницу с одной из этих инфекций, в то время как у них особенно низкий уровень лейкоцитов», — говорит Кастро-Гонсалес. Эти инфекции приводят к длительному и дорогостоящему пребыванию в больнице и примерно в 7% случаев приводят к летальному исходу.
Пациенты также должны пропустить следующую дозу химиотерапии, что откладывает их лечение рака.Команда Массачусетского технологического института подсчитала, что если бы существовал способ определить, когда количество лейкоцитов у пациентов опустилось ниже порогового уровня, то их можно было бы лечить профилактическими антибиотиками и лекарствами, способствующими росту лейкоцитов, что составляет около половины из 110000 случаев инфицирования в США. пациенты химиотерапии в Соединенных Штатах каждый год можно было предотвратить.
Технология, которую исследователи использовали для решения этой проблемы, состоит из широкоугольного микроскопа, который излучает синий свет, который проникает примерно на 50–150 микрон под кожу и отражается обратно в видеокамеру. Исследователи решили изобразить кожу у основания ногтя, известного как ногтевой валик, потому что там капилляры расположены очень близко к поверхности кожи.
Эти капилляры настолько узкие, что белые кровяные тельца должны протискиваться по одному, чтобы их было легче увидеть.Технология не обеспечивает точного подсчета лейкоцитов, но показывает, находятся ли пациенты выше или ниже порога, который считается опасным, определяемого как 500 нейтрофилов (наиболее распространенный тип лейкоцитов) на микролитр крови.Обнаружение порога
В исследовании Scientific Reports исследователи протестировали устройство на 11 пациентах в Массачусетской больнице общего профиля и университетской больнице Ла-Пас в Мадриде на различных этапах химиотерапевтического лечения. Подход оказался на 95% точным при определении того, был ли уровень лейкоцитов у пациента выше или ниже порогового значения.Чтобы получить достаточно данных для такой классификации, исследователи записали по одной минуте видео на каждого пациента.
Затем трое ослепленных помощников смотрели видео и отмечали, когда мимо проходил лейкоцит. Однако с момента подачи своей статьи исследователи разрабатывали компьютерный алгоритм для автоматического выполнения той же задачи.«Основываясь на наборе функций, который определили наши люди-оценщики, мы сейчас разрабатываем алгоритм искусственного интеллекта и машинного зрения с предварительными результатами, которые показывают такую же точность, что и оценщики», — говорит Буркар.Исследовательская группа подала заявку на получение патента на технологию и создала компанию под названием Leuko, которая работает над коммерциализацией технологии с помощью MIT Innovation Initiative, Центра технологических инноваций MIT Deshpande, Инновационного фонда MIT Sandbox, фонда Martin Trust.
Центр предпринимательства, Программа стипендиатов Массачусетского технологического института и Служба наставничества по венчурным предприятиям Массачусетского технологического института.Чтобы продвинуть технологию дальше к коммерциализации, исследователи создают новый автоматизированный прототип. «Автоматизация процесса измерения — ключ к созданию жизнеспособного устройства для домашнего использования», — говорит Баттерворт. «Визуализация должна производиться в нужном месте на пальце пациента, а работа устройства должна быть простой».Используя этот новый прототип, исследователи планируют испытать устройство на других онкологических больных.
Они также изучают, могут ли они получить точные результаты с более короткими длинами видео.По словам Кастро-Гонсалес, они также планируют адаптировать технологию, чтобы она могла генерировать более точные подсчеты лейкоцитов, что сделало бы ее полезной для мониторинга реципиентов трансплантата костного мозга или людей с определенными инфекционными заболеваниями.
Это также может позволить определить, могут ли пациенты, проходящие химиотерапию, получить следующую дозу до истечения 21 дня.«Онкологи должны соблюдать баланс», — говорит Санчес-Ферро. «Обычно врачи хотят сделать химиотерапию как можно более интенсивной, но без чрезмерного подавления иммунитета. Текущие 21-дневные циклы основаны на статистике того, что может принимать большинство пациентов, но если вы готовы рано, они потенциально могут вернуть вас раньше и это может привести к лучшему выживанию ".
Исследование финансировалось Центром будущих технологий в лечении рака NIH, Центром Deshpande Массачусетского технологического института, Фондом Уоллеса Х. Култера в BU, Мадридским консорциумом MIT M + Vision, программой EU FP7-PEOPLE-2011-COFUND, Fundacion Ramon. Areces, Программа возможностей для студентов бакалавриата Массачусетского технологического института (UROP) и инновационный фонд песочницы Массачусетского технологического института.