利用机器学习详细检查致残性肘部挛缩

肘部受伤，如骨折或脱位后，关节可能会僵硬并难以活动，使得日常任务如吃饭、洗澡或穿衣变得困难且疼痛。治疗通常包括物理疗法和止痛药，但由于对导致运动丧失的机制知之甚少，因此还没有找到可以最好地减少伤害影响的具体方法。

现在，圣路易斯华盛顿大学麦凯尔维工程学院机械工程与材料科学的助理教授斯宾塞·莱克计划利用美国国立卫生研究院（NIH）提供的为期五年、总额240万美元的资助，研究物理治疗和抗炎疗法在肘关节创伤后关节挛缩中的效果。他将与电气与系统工程及计算机科学与工程学的副教授乌鲁格别克·卡米洛夫合作，运用机器学习工具帮助揭示关节内的组织如何对不同类型治疗方法作出反应。

湖氏的肌肉骨骼软组织实验室研究关节、肌腱和韧带损伤，此前的工作表明，在受伤后不久进行关节活动可以减少疤痕组织形成并有助于保持关节活动范围。他们最近的初步数据还显示，调节对伤害的炎症反应可能有助于改善愈合。

在新的研究中，研究团队计划考察两种治疗策略的最佳时机、持续时间和强度，以最好地预防创伤后关节挛缩。此外，由于关节挛缩已知涉及物理和生物机制，该团队将调查结合针对这两种机制的治疗方法是否比单独使用任何一种治疗方法更有效。为此，他们将在肘部损伤的大鼠模型中整合机器学习分析来研究各种治疗方法的效果。

“我们获得了组织病理学的高分辨率图像，并且还获取了磁共振图像，”Lake说道。“这些是数据丰富来源，提供了很多见解，但很可能还有我们现在没有注意到的额外模式。我们正在开发机器学习算法，尝试检测这些模式并从这些图像中提取比我们视觉上能获得更多的信息，然后将不同的数据模态关联起来。”

湖泊的最终目标是检测受伤和治疗后不同组织的变化，以便确定哪些治疗参数对于优化组织愈合和功能恢复最为关键。

“我们想确定这些治疗是否有效，能否改善组织层面的特性，还是说组织仍然受到损伤，”Lake说道。“理想情况下，如果我们能够将来自非侵入性MRI的数据与我们从更侵入性的组织分析技术中获得的数据相关联，这将更有助于向人类转化。”

莱克的实验室将与华盛顿大学医学院骨科手术助理教授本杰明·兹米斯托斯基博士合作，他将负责这项研究中的外科部分，并从治疗肘部受伤的人类患者的经历中提供见解。伦妮·伊文斯，物理治疗副教授，将分享关于人类关节损伤后物理治疗方法的临床见解。

“在大鼠和人类中的物理治疗显然不同，但如果我们能够确定如强度、开始时间、频率和持续时间等对保持关节活动度最为关键的参数，我们认为这些概念可以转化为改善人类治疗的方法，”Lake说。“此外，如果我们能提供适当的物理治疗水平，并调节炎症程度以获得协同疗效，我们乐观地认为我们可以将指导这种综合方法的关键参数转换为适用于人类。”

此前，莱克的团队让老鼠在跑步机上运动以对肘关节进行物理治疗，但效果有限。现在，他们转向了可以让更频繁、更大范围关节活动的跑轮；初步结果显示出了令人鼓舞的进步。

“我们制造了带有传感器的车轮，要求动物在跑步时更多地伸展关节，”Lake说。“这些带传感器的车轮使我们可以跟踪每一轮旋转，从而可以精确测量它们的身体活动量，并将其与反映其康复和恢复情况的指标相关联。”

然而，创伤后关节挛缩既有物理原因也有生物学原因，因此仅靠物理治疗可能不足以防止受伤后的疼痛和僵硬。为了应对这一问题，Lake的团队与机械工程与材料科学助理教授Matt Bersi合作，在McKelvey工程学院进行了实验，揭示了T细胞是导致挛缩发展的一个关键因素，这是一种在受伤后帮助控制免疫系统反应的免疫细胞。

“除了尝试一种广谱的抗炎药物之外，我们还将针对T细胞常产生的称为IL-17A的细胞因子（一种用于细胞间通讯的信号分子）进行治疗，以看看仅这种特定的治疗方法是否足够，”莱克说。

如果成功，这种基于细胞因子的方法将阐明关节挛缩的关键机制，并可能激发避免广泛药物治疗可能导致的意外副作用的治疗方法。

“如果我们能够通过生物治疗阻止过多组织沉积的主要原因，并通过物理治疗放松僵硬的结缔组织，那么正常的愈合过程就可以顺利进行，而不会导致长期的活动受限和残疾，”他说。

最初发布于麦凯尔维工程学院网站