神经网络控制仿生起搏器逆转大鼠心力衰竭 | 智能医疗

发布日期:2019-12-06 10:00
基于神经网络的模拟芯片帮助迈克尔调节心脏的每一次呼吸。



60多年来,心脏起搏器,一种植入胸腔的装置,向心脏传递电脉冲。一直充当心脏的自动收报器,为那些不能自己做到这一点的心脏产生稳定的心跳。
 
 这种装置已经延长了无数人的生命,但即使是最先进的起搏器也忽略了一个重要的生物学事实:健康的心脏不会像节拍器一样稳定地跳动。当我们吸气时,它们加速,当我们呼气时,它们减慢。
 
 关注这种自然变化,称为呼吸性窦性心律不齐,可能是改进起搏器的关键。“设备必须听取来自身体的反馈,”英国布里斯托尔大学教授朱利安·帕顿(Julian Paton)说,他领导了这一领域的一些研究。“我们需要
人工智能的设备。”
 
 在本周发表在“生理学杂志”(Journal Of Physiology)上的一篇论文中,Paton和他的同事描述了一种更智能的起搏器,它可以将自然变异放回衰竭的心脏,帮助它更有效地工作。
 
 该设备读取每一次呼吸产生的电信号,并相应地对心脏进行起搏。根据这项研究,在患有心力衰竭的大鼠中,与单调起搏相比,该装置使其心脏可以泵出的血量增加了20%。。
 
 “人们开始考虑起搏器可以变得更聪明的方法,但市场上没有任何东西证明心率有如此显著的提高,”Paton说。
 
 
 目前的起搏器通过以相对基本的方式响应身体的变化来调整心率,例如使用加速计或通过检测体温的升高。一些较新的装置可以根据呼吸来调节心脏的跳动。但Paton说,这些设备跟踪一段时间内的平均呼吸。“这不是我们正在做的。我们正在根据每一次呼吸来调节心脏,“他说。
 
 该设备的特点是一个基于神经网络的模拟芯片,由帕顿的合著者巴斯大学的阿兰·诺加雷特(Alain Nogaret)开发。在大鼠实验中,它记录了大鼠膈肌在吸入过程中收缩的电活动。芯片使用Hodgkin-Huxley方程实时解释导线传递给它的信号--神经元中动作电位如何启动和传播的数学模型。然后,该设备将电刺激传递到心脏的左心房,促使其与呼吸同步跳动。
 
 
 Paton说,与数字设备相比,使用模拟设备的优点是它可以快速响应身体输入的变化。该设备是可伸缩的,并且可以小型化到邮票的大小。
 
 如果研究进展到人类身上,Paton说他的团队将不需要记录来自横膈肌的信号。相反,他们将能够将该设备集成到传统的起搏器中,并通过测量胸部电阻的电变化来测量呼吸。
 
 Paton的工作是研究人员为使起搏器现代化而采取的几种方法之一。其他小组的目标是更有效地为起搏器供电,包括用心脏本身为起搏器供电,以及用石墨烯制作起搏器,以便它们可以在光下运行。一些小组正在开发光学起搏器,使用一种称为光遗传学的基因工程技术,而不是硬件,来触发心肌细胞收缩。