Quando un paziente ha un ictus, ogni minuto conta. Qui, un'azione tempestiva può prevenire gravi danni cerebrali. Se un coagulo sta bloccando un grosso vaso sanguigno nel cervello, i chirurghi possono rimuovere questa occlusione per mezzo di un catetere inserito nell'inguine del paziente. Però, questa è una procedura complicata, richiede molta esperienza, e solo pochi specialisti sono in grado di realizzarlo. Nel nuovo lavoro, I ricercatori di Fraunhofer hanno studiato se l'intelligenza artificiale potesse essere utilizzata per guidare un catetere in modo automatico e affidabile 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 di Düsseldorf dal 18 al 21 novembre (padiglione 10, Stand G05).

In Germania, circa 270, 000 persone soffrono di ictus ogni anno. 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 la paralisi o un impedimento del linguaggio. Nel peggiore dei casi, può rivelarsi fatale. Sempre più, la terapia di scelta è la cosiddetta trombectomia. Qui, un catetere sottile viene inserito in un'arteria, attraverso l'inguine, e avanzato all'aorta, da dove viene infilato fino al vaso sanguigno bloccato nel cervello. Una volta raggiunta la nave bloccata, uno strumento speciale noto come stent retriever viene aperto per rivelare un minuscolo, maglia simile a un cesto che si impiglia saldamente con il 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, qualsiasi cosa tra dieci minuti e un'ora e mezza è necessaria per guidare il catetere verso il coagulo di sangue. I ricercatori del Project Group for Automation in Medicine and Biotechnology PAMB, con sede a Mannheim, affiliato al Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation IPA, 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 mediante lo stent retriever, è ancora eseguita da un medico. Ma il viaggio vero e proprio verso il vaso sanguigno bloccato, dove diverse difficoltà anatomiche devono essere negoziate, è intrapresa 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 per infarto cardiaco o tumori epatici".

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 assomiglia molto al modo in cui le persone imparano. La caratteristica specifica di DRL è che i dati utilizzati per addestrare la rete neurale sono generati automaticamente da un algoritmo nel corso di esercitazioni ripetute su un modello di simulazione al computer, in questo caso, una ricostruzione virtuale dell'albero vascolare e di 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, Per esempio, il filo guida è correttamente ruotato a destra e inserito nel vaso sanguigno corretto alla giunzione successiva, al primo algoritmo vengono assegnati uno o più punti in più, per esempio., +1. Se, però, l'algoritmo prende una decisione errata, viene assegnato un punto negativo. Questo feedback consente all'algoritmo di apprendere autonomamente, 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 ad un certo livello, " dice 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 fino al vaso sanguigno bloccato senza problemi. Il nostro obiettivo è spingerlo fino al 99 percento entro l'inizio di MEDICA".

Affinché la navigazione autonoma funzioni in un vero e proprio intervento chirurgico, la posizione del catetere deve essere tracciata in tempo reale. Qui è dove un altro partner del progetto, l'Istituto Fraunhofer per la medicina digitale MEVIS, entra nell'immagine. I ricercatori stanno sviluppando un catetere intelligente, che viene tracciato nel sistema vascolare tramite sensori a fibre ottiche e senza alcuna imaging. 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, generato con un modello di simulazione, e trasferiscili in 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, una variazione che è il risultato delle differenze nell'anatomia del paziente. Ugualmente importante, consentirà alle cliniche più piccole, senza specialisti formati in questo campo, offrire la terapia endovascolare dell'ictus. Attualmente, 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 usando 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 dentro l'altro, in modo che il più piccolo si inserisca 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. Entro tale data, 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 sicurezza e l'affidabilità. Dopo di che, 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, " dice Horsch. "Prima di allora, saranno necessari molti lavori 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 Düsseldorf dal 18 al 21 novembre, 2019 (padiglione 10, Stand G05).