Le reti neurali consentono la navigazione autonoma dei cateteri

Le reti neurali consentono la navigazione autonoma dei cateteri
In futuro, l’intelligenza artificiale assisterà i neuroradiologi durante la chirurgia endovascolare. Attestazione: Fraunhofer-Gesellschaft

Quando un paziente ha un ictus, ogni minuto conta. Qui, un’azione tempestiva può prevenire gravi danni cerebrali. Se un coagulo sta bloccando un grande vaso sanguigno nel cervello, i chirurghi possono rimuovere questa occlusione per mezzo di un catetere inserito nell’inguine del paziente. Tuttavia, questa è una procedura complicata, che richiede molta esperienza e solo pochi specialisti sono in grado di eseguirla. In un nuovo lavoro, i ricercatori di Fraunhofer hanno studiato se l’intelligenza artificiale potesse essere utilizzata per guidare automaticamente e in modo affidabile un catetere verso un vaso sanguigno bloccato. I primi test con un modello di simulazione e in laboratorio sono stati molto promettenti. Il team di ricerca dimostrerà questa nuova tecnica su un fantasma di vasi sanguigni alla fiera MEDICA 2019 a D眉sseldorf dal 18 al 21 novembre (padiglione 10, stand G05).

In Germania ogni anno circa 270.000 persone soffrono di ictus. Questa improvvisa interruzione dell’afflusso di sangue al cervello richiede cure mediche immediate. Se non trattata in tempo, un numero significativo di cellule cerebrali può morire, lasciando il paziente con danni permanenti come paralisi o difficoltà di parola. Nel peggiore dei casi, può rivelarsi fatale. Sempre più spesso, la terapia di scelta è la cosiddetta trombectomia. Qui, un sottile catetere viene inserito in un’arteria, attraverso l’inguine, e fatto avanzare nell’aorta, da dove viene infilato fino al vaso sanguigno bloccato nel cervello. Una volta raggiunto il vaso bloccato, uno speciale strumento noto come stent retriever viene aperto per rivelare una minuscola rete simile a un cesto che si impiglia saldamente nel coagulo di sangue. Il catetere viene quindi ritirato, insieme al coagulo. Questa procedura richiede da 45 minuti a tre ore e mezza, a seconda dell’abilità dell’operatore. La capacità di condurre una trombectomia richiede un lungo addestramento e molta pratica. A seconda del caso specifico, sono necessari da dieci minuti a un’ora e mezza per guidare il catetere verso il coagulo di sangue. I ricercatori del gruppo di progetto per l’automazione in medicina e biotecnologia con sede a Mannheim PAMB攚hich è affiliato al Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation IPA攈 hanno esaminato più da vicino questo problema. La loro idea è quella di utilizzare un sistema robotico, sotto forma di un catetere controllato da computer, per stabilire un’alternativa più rapida e affidabile a questa procedura scrupolosa. In una nuova partenza, hanno sfruttato il potere dell’intelligenza artificiale per guidare autonomamente il catetere al sito di interesse. “L’intervento chirurgico stesso, in cui il coagulo di sangue viene rimosso per mezzo dello stent retriever, è ancora eseguito da un medico. Ma il viaggio vero e proprio verso il vaso sanguigno ostruito, dove devono essere affrontate varie difficoltà anatomiche, viene effettuato esclusivamente da un catetere controllato autonomamente”, spiega Johannes Horsch, uno degli scienziati ingegneri del gruppo di progetto. “Questa procedura può essere utilizzata non solo per rimuovere i coaguli di sangue, ma anche in altri tipi di chirurgia endovascolare, come il trattamento dell’infarto cardiaco o dei tumori del fegato”.

Navigazione autonoma basata sull’apprendimento per rinforzo profondo

La specie di intelligenza artificiale che consente al catetere di navigare autonomamente è nota come apprendimento di rinforzo profondo (DRL). Questo è uno dei metodi utilizzati per addestrare le reti neurali e ricorda da vicino il modo in cui le persone apprendono. La caratteristica specifica del DRL è che i dati utilizzati per addestrare la rete neurale sono generati automaticamente da un algoritmo nel corso di una pratica ripetuta su un modello di simulazione al computer, in questo caso una ricostruzione virtuale dell’albero vascolare e un catetere, con cui l’algoritmo interagisce. Inoltre, i ricercatori hanno sviluppato un secondo algoritmo per valutare se l’azione intrapresa è giusta o sbagliata. Se, ad esempio, il filo guida viene correttamente ruotato verso destra e inserito nel vaso sanguigno corretto alla giunzione successiva, al primo algoritmo vengono assegnati uno o più punti in più, ad esempio +1. Se, tuttavia, l’algoritmo prende una decisione errata, viene assegnato un punto negativo. Questo feedback consente all’algoritmo di apprendere in modo autonomo, in modo che la rete neurale si adatti e migliori continuamente. “Utilizzando il modello, possiamo simulare tutti i possibili movimenti del catetere e addestrare la rete neurale a un certo livello”, afferma Horsch. “Finora, abbiamo avuto una percentuale di successo del 95% con il modello di simulazione, ovvero, in uno scenario semplificato, il catetere è stato guidato autonomamente verso il vaso sanguigno bloccato senza problemi. Il nostro obiettivo è spingerlo fino al 99%. dall’inizio di MEDICA.”

Affinché la navigazione autonoma funzioni in un intervento chirurgico vero e proprio, la posizione del catetere deve essere tracciata in tempo reale. È qui che entra in scena un altro partner del progetto, il Fraunhofer Institute for Digital Medicine MEVIS. I ricercatori stanno sviluppando un catetere intelligente, che viene tracciato nel sistema vascolare tramite sensori a fibre ottiche e senza alcuna acquisizione di immagini. Inoltre, stanno usando immagini fluoroscopiche per addestrare una rete neurale a ritirare il catetere attraverso il sistema vascolare. Il prossimo passo sarà prendere questi risultati, generati con un modello di simulazione, e trasferirli su un fantasma, cioè un modello, fatto di plastica, dell’intero albero dei vasi sanguigni dall’inguine al cervello.

Ricco delle conoscenze pratiche di molti chirurghi esperti

Molta esperienza da parte dei medici praticanti è confluita nella costruzione di un algoritmo che guiderà il catetere in modo rapido e affidabile attraverso il sistema vascolare. Un vantaggio chiave di questa nuova tecnologia è che ridurrà l’enorme variazione nel tempo necessario per tale procedura攁 variazione che è il risultato delle differenze nell’anatomia del paziente. Altrettanto importante, consentirà alle cliniche più piccole, senza specialisti qualificati in questo campo, di offrire la terapia endovascolare dell’ictus. Al momento, solo le stroke unit specializzate dispongono delle attrezzature e delle competenze mediche necessarie per eseguire tale trattamento.

Catetere infilato sopra e lungo il filo guida

Per il momento, i ricercatori stanno utilizzando un filo guida nei test di simulazione. Il prossimo passo sarà provare a navigare in un catetere che è infilato sopra e lungo il filo guida come una guaina. “Nella pratica attuale, il catetere segue il filo guida. Una volta che il filo guida ha raggiunto il vaso sanguigno destro, il catetere viene spinto in posizione”, spiega Horsch. Il team spera di sviluppare l’uso di due o tre cateteri sempre più sottili, uno inserito nell’altro, in modo che il più piccolo possa entrare nei minuscoli vasi sanguigni del cervello, che sono molto più stretti dei vasi sanguigni nella regione inguinale.

La durata del progetto è prevista fino a settembre 2020. Per allora, i ricercatori avranno completato i test preclinici sul fantasma di silicio dell’albero dei vasi sanguigni e perfezionato l’algoritmo utilizzato per navigare nel catetere. I progetti di follow-up si concentreranno quindi sull’ottimizzazione della procedura, in particolare per quanto riguarda la sua sicurezza e affidabilità. Successivamente, altri quattro o cinque anni sono stati riservati agli studi clinici per dimostrarne la sicurezza e l’efficacia. “Ci vorranno senza dubbio altri 10-15 anni prima che il sistema possa essere commercializzato per l’uso negli ospedali”, afferma Horsch. “Prima di allora, sarà necessario molto lavoro di ricerca e studi clinici. E, oltre a tutto ciò, i legislatori dovranno rilasciare l’approvazione normativa per l’uso delle reti neurali in un contesto medico”. Horsch e i suoi colleghi dimostreranno gli ultimi risultati della loro ricerca alla fiera MEDICA di D眉sseldorf dal 18 al 21 novembre 2019 (padiglione 10, stand G05).


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