یه مدل هوش مصنوعی جدید برای ستون فقرات، درمان کمردرد رو متحول می‌کنه

تقریباً از هر ۱۰ بزرگسال تو آمریکا ۳ نفر، تو هر دوره سه ماهه کمردرد رو تجربه کردن، که این باعث شده به شایع‌ترین درد عضلانی-اسکلتی تبدیل بشه. کمردرد هنوزم یکی از دلایل اصلی ناتوانی تو کل دنیاست که میلیون‌ها نفر رو درگیر کرده و اغلب باعث ناراحتی مزمن، از دست دادن کار و عمل‌های جراحی سنگین می‌شه.

محقق‌ها و پزشک‌ها دارن روز به روز بیشتر سراغ «مدل‌سازی ستون فقرات کمری» میرن، که مهندسی و پزشکی رو به هم وصل می‌کنه و یه مدل مجازی و مخصوص هر بیمار رو از کمر می‌سازه. این تکنولوژی شبیه‌سازی می‌کنه که ستون فقرات چطور حرکت می‌کنه، فشار مکانیکی کجا جمع می‌شه و چی ممکنه باعث درد یا اختلال بشه.

از این مدل‌های دقیق برای برنامه‌ریزی جراحی‌ها، ارزیابی ایمپلنت‌های ستون فقرات و توسعه راهکارهای درمانی شخصی‌سازی‌شده و متناسب با آناتومی هر بیمار استفاده می‌شه. با وجود این همه فایده، مدل‌سازی فعلی ستون فقرات کمری کنده، دستیه و به تخصص بالایی نیاز داره که این موضوع مقیاس‌پذیری و شخصی‌سازی رو محدود می‌کنه. این جلوی کاربرد بالینی رو می‌گیره و باعث نتایج متناقض و غیرقابل اعتماد می‌شه.

حالا محققای دانشکده مهندسی و علوم کامپیوتر دانشگاه فلوریدا آتلانتیک و موسسه علوم اعصاب مارکوس تو بیمارستان بوکا راتون، با ترکیب هوش مصنوعی و بیومکانیک، به یه پیشرفت بزرگ تو مدل‌سازی ستون فقرات کمری رسیدن تا تشخیص مشکلات ستون فقرات و برنامه‌ریزی درمانی شخصی‌سازی‌شده رو متحول کنن.

اونا اولین کسایی هستن که یه فرآیند کاملاً خودکار تحلیل المان محدود رو مخصوص مدل‌سازی ستون فقرات کمری ساختن. پیشرفت بزرگشون شامل ترکیب ابزارهای یادگیری عمیق مثل nnUNet و MONAI با شبیه‌سازهای بیومکانیکی مثل GIBBON و FEBio می‌شه.

نتایج این تحقیق، که تو مجله World Neurosurgery چاپ شده، نشون میده که این روش جدید، زمان آماده‌سازی مدل ستون فقرات کمری رو ۹۷.۹ درصد کم کرده—از بیشتر از ۲۴ ساعت به فقط ۳۰ دقیقه و ۴۹ ثانیه—اونم بدون اینکه دقت بیومکانیکی کم بشه. این فرآیند کاملاً خودکار، شبیه‌سازی‌های سریع و مخصوص هر بیمار رو ممکن می‌کنه که برای برنامه‌ریزی قبل از عمل، بهینه‌سازی ایمپلنت ستون فقرات و تشخیص زودهنگام مشکلات تخریبی ستون فقرات مفیده.

آزمایش‌ها نشون دادن که ستون فقرات مجازی دقیقاً مثل یه ستون فقرات واقعی واکنش نشون داده، با حرکت واقعی دیسک، کشش رباط‌ها و فشار تو پشت ستون فقرات موقع خم شدن و کش اومدن. چون این سیستم تقریباً بدون کار دستی اجرا می‌شه، خیلی سریع‌تر و پایدارتر از روش‌های قدیمیه و برای همین یه ابزار باارزش هم برای دکترا و هم برای محقق‌هاست.

مائوهوا لین، نویسنده مسئول این تحقیق، میگه: «چیزی که روش ما رو متمایز می‌کنه، تواناییش تو تبدیل خودکار عکس‌های پزشکی معمولی مثل سی‌تی اسکن یا ام‌آر‌آی به مدل‌های فوق‌العاده دقیق و مخصوص هر بیماره. روش‌های دستی قدیمی به پردازش پیچیده هندسه، شبکه‌بندی و تنظیم شبیه‌سازی نیاز داشتن که نه تنها وقت‌گیر بودن، بلکه خیلی هم به تخصص اپراتور وابسته بودن. فرآیند خودکار ما این زمان رو به طور قابل توجهی کم کرده و کاری که قبلاً چند ساعت یا حتی چند روز طول می‌کشید رو به فقط چند دقیقه رسونده.»

برای این تحقیق، محقق‌ها از هوش مصنوعی پیشرفته استفاده کردن تا به طور خودکار بخش‌های مهم ستون فقرات—مثل استخوان‌ها و دیسک‌ها—رو از اسکن‌های پزشکی شناسایی کنن. بعدش اینا به مدل‌های سه‌بعدی صافی تبدیل شدن که شامل استخوان‌ها، غضروف‌ها و رباط‌ها بودن. اونا محل اتصال رباط‌ها رو مشخص کردن و غضروف‌ها رو بر اساس الگوهای رایج شکل دادن. در نهایت، محقق‌ها شبیه‌سازی‌های کامپیوتری رو اجرا کردن تا ببینن ستون فقرات به حرکاتی مثل خم شدن و پیچیدن چطور واکنش نشون میده و بهشون کمک کرد بفهمن فشار کجا جمع می‌شه و ستون فقرات تو دنیای واقعی چطور حرکت می‌کنه.

دکتر فرانک دی. وریونیس، نویسنده مسئول دیگه این تحقیق و رئیس جراحی مغز و اعصاب موسسه علوم اعصاب مارکوس، میگه: «مدل‌سازی خودکار ستون فقرات کمری، علاوه بر پیشبرد تحقیقات، نقش حیاتی‌ای تو برنامه‌ریزی قبل از عمل داره. این تکنولوژی به سرعت مدل‌های مخصوص هر بیمار رو تولید می‌کنه تا عوارض مکانیکی رو پیش‌بینی کنه، طراحی ایمپلنت رو بهینه کنه و خطرات جراحی رو کم کنه. با حذف مراحل دستی، سرعت و پایداری رو هم بهتر می‌کنه و به پزشک‌ها کمک می‌کنه تصمیمات آگاهانه‌تری بگیرن.»

این تحقیق ادامه کارهای قبلی این تیم تحقیقاتیه که تو مجله‌های دیگه منتشر شده بود.

استلا باتالاما، رئیس دانشکده مهندسی و علوم کامپیوتر FAU، میگه: «این کار پیشگامانه، قدرت متحول‌کننده ترکیب مهندسی و پزشکی برای حل چالش‌های پیچیده حوزه سلامت رو نشون میده. محققای ما فقط مرزهای نوآوری رو جابجا نمی‌کنن، بلکه دارن راهکارهای واقعی‌ای رو ارائه میدن که می‌تونه نتایج بیماران رو بهتر کنه و مراقبت از ستون فقرات رو از نو تعریف کنه.»

لینک منبع