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治乱救人- Manasi Nandi 博士的科研故事

8 1月 2019

一种结合了数学和医学的新方法,用以早期诊断症状性败血症,该方法具有拯救生命的潜力。

Manasi Nandi 博士是伦敦大学国王学院心血管药理学家兼整合药理学高级讲师。 Manasi 对研究患者的败血症和心血管失调症状特别感兴趣。她正与来自萨里大学的数学家 Philip Aston 教授合作一项开创性的跨学科项目,该项目旨在更早地发现疾病的发作。在重症监护和败血症的情况下,这可能会挽救生命。

 

早期发现败血症:生存的关键

据预估,快速诊断和治疗可预防高达 80% 的败血症死亡。“如果我们能更早地发现心血管紊乱,那么我们便可更快地采用良好的治疗方法。但医生需要这样一个信号,即告诉他们这位患者即将崩溃,而不是这位患者已经崩溃。Manasi 和她的团队希望从已收集到的医院患者的心血管监测数据,用一种新颖的方式进行分析。关键是,Manasi 和她的团队不仅仅要使用常规的心血管输出(收缩压、舒张压、心电图间期),还要使用包含与波形轮廓有关的所有信息的整个信号。我们假设隐藏的信号中是关键信息,在目前无法检测到的阶段,这些信号可以帮助提醒医生相关患者的情况已经开始恶化。

应用大数据

现代医院监测设备记录了大量关于患者身体的高保真波形数据。 例如,一个采集血压信号的监测设备,每一次心跳就能记录多达 1000 个单独的数字。

“ 我们的研究项目非常注重利用整个数据,即 ‘大数据’,以获取更详细的心血管健康图,并获得更多关于患者情况的线索,比我们目前能够得到的要早得多。” Manasi 解释道。

“ 我们目前使用的设备采样频率为 1,000 Hz,这意味着每秒捕获 1,000 个数据点,这相当于一天内超过 8,600 万个数据点。”

当所有这些数据在数小时或数天内被收集时,使用常规方法进行处理就变得非常困难。相反,相关信息被处理并输出为平均值,最小值和最大值——我们将其理解为简化数字,如收缩压和舒张压、心率和血氧水平。

但是,大部分原始数据均是因为通过这种方式进行简化而丢失。

Manasi 解释道,“ 150 多年来,我们已经知道波形的形状包含一些有用的信息和潜在的诊断信息。所以当您有一个波形,比如说,血压,在后台中您获得了组成了那个波的所有数字。但我们并未真正全部使用,尽管我们知道它包含重要的心血管信息。”

为了从整个波形的原始数据中收集更多的信息,Manasi 与来自萨里大学的数学家 Philip Aston 教授通力合作。他们的目的是用数学的方法对心血管波形数据进行不同的观察,找到处理数据的创新方法,以提取更多信息。

“ 在这个项目我们可以做的是,利用监测设备捕获到的每一个数值数据,用一些精妙的数学以特定的方式绘制出图。我们能以一种可管理的方式处理大数据,其从我们以前无法测量的信号中给我们提供量化信息。重要的是,我们不改变原始数据,只是以不同的方式将其可视化。”

Manasi 认为开启隐藏在整个波形中的诊断潜力将使卫生专业人员能够更敏锐地读出患者心血管恶化的信息——并给出他们更早治疗患者的信号。

那具体如何操作呢?答案在于一个叫做吸引子重构的数学吸引子——但它被称为 “心脏形态”。

利用数据来预测不可预知

那么,最大问题是:吸引子方法能否用以在患者中更早地诊断或发现败血症?

利用 LabChart 来提取高保真波形

Manasi 使用 ADInstruments 的 LabChart 软件来提取用于构建吸引子的高保真心血管波形。 这些波形可来自血压、心电图或脉搏血氧饱和度数据。她说道,“ 我在工作中将 LabChart 用于各种应用。该软件可使您轻松地获取收缩压和舒张压等常规信号的平均值。但与此同时,在后台,它正在收集真正高保真的数据,并以每秒一千个数据点或千赫的速度对其进行采样。这意味着我可以继续从 LabChart 中提取大数据,并将其输入到我们的新编码位中,然后将其转换为吸引子。所以通过 LabChart,我既可以做常规的分析,又可以将原始数据输入到新的系统中去做新的分析。”

“ 当我们观察我们的志愿者时,我们经常在他们身上安装许多不同的设备。所以,我们将测量一个指尖血压读数,也将同时从他们身上得到心电图监测。这意味着我们从那个人那里得到了连续的数据流,从而告诉我们很多关于他们心血管系统的信息。”

Manasi 说道,“ 吸引子重建具有非常广泛的应用,超出了对败血症患者的认识。但我们首先将其应用于败血症,因为这是一个非常大的临床问题,而且患者已经使用连续床边监测器进行常规监测——所以我们已拥有了所需的数据。”

吸引子重建有可能扩展到预测一系列健康状况,甚至可以用来帮助理解药物的有效性,或者分析是否存在安全风险。

Manasi 说道,“ 我们处于最早期的阶段,但这个项目目前正在进入一个相当有趣的空间。我们正在与许多不同的医生和研究科学家合作,他们正在向我们发送他们的数据,我们开始探究这种方法是否可以应用于其他领域。”

Manasi 是一位药理学家,专注于心血管系统。她说道,“ 迄今为止,我的许多兴趣和研究一直围绕着试图确定新的药物靶点,以治疗某些已确诊的心血管疾病。”

Manasi 在 Patrick Vallance 教授的实验室完成了她在伦敦大学学院儿童健康和博士后培训研究所的博士学位。在此期间,她开发了多个体内系统来表征一种新型小鼠突变体和小分子,并确定了一种一氧化氮改造途径作为治疗感染性休克的新靶点。在 2009 年伦敦国王学院开始讲学之前,她获得了英国心脏基金会中级奖学金。

她每天的工作多种多样。“ 我还会做一些湿实验室的工作。例如,本周我做了一些手术,在动物模型中植入小型血压监测设备,尝试为同事提取实验数据。我花很多时间在电脑前,查看合作者发给我们的数据集,并与数学家进行很多会面。”

“ 研究是一项令人兴奋刺激的工作。我遇到了非常有趣的人,并与他们建立合作关系。您不断受到启发,不断学习,我会对那些对自己的职业选择不确定的人说——确保您做的事情是您感兴趣的。”

“ 一物生一物,这就是我真正喜欢的地方-您可以在相当长的一段时间内致力于一个比较小众的、有重点的项目,但您不一定能看到更远的前景以及走向。然后,在您意识到这一点之前,您就已误入歧途。”

“ 在您意识到这一点之前,您的项目最终将向不同的方向发展,如果您遵循其中的一些,这会引导您到达真正有趣的境地。因此,我会对任何开始从事研究的人员说,勇于冒险并走出您的舒适区,但也要确保您对您正在做的事情感兴趣并从中受到启发。这份工作真的非常刺激,每天都不一样,这可能正是我最喜欢做研究人员的原因。”

 

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