In Germania, circa 270.000 persone soffrono di un ictus ogni anno. Questa improvvisa interruzione dell’apporto di sangue nel cervello richiede una pronta assistenza medica. Se non trattato in tempo, un numero significativo di cellule cerebrali può morire, lasciando il paziente con danni permanenti come la paralisi o un disturbo del linguaggio. Nel peggiore dei casi, può rivelarsi fatale. Sempre più spesso, la terapia di scelta è una cosiddetta trombectomia. Qui, un catetere sottile viene inserito in un’arteria, attraverso l’inguine, e fatto avanzare verso l’aorta, da dove viene infilato fino al vaso sanguigno bloccato nel cervello. Una volta raggiunta la nave bloccata, viene aperto uno strumento speciale noto come stent retriever per rivelare una minuscola maglia simile a un cestino 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 allenamento e molta pratica. A seconda del caso specifico, è necessario un periodo compreso tra dieci minuti e un’ora e mezza per spostarsi dal catetere al coagulo di sangue. I ricercatori del gruppo di progetto con sede a Mannheim per l’automazione in medicina e biotecnologia PAMB – che è affiliato all’Istituto Fraunhofer per l’ingegneria della produzione e l’automazione 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 scrupolosa procedura. In una nuova partenza, hanno sfruttato il potere dell’intelligenza artificiale per guidare il catetere in modo autonomo verso il sito di interesse. “L’intervento chirurgico stesso, in cui il coagulo di sangue viene rimosso mediante lo stent retriever, viene ancora eseguito da un medico. Ma l’effettivo viaggio verso il vaso sanguigno bloccato, in cui devono essere affrontate varie difficoltà anatomiche, viene intrapreso esclusivamente da un catetere controllato autonomamente “, spiega Johannes Horsch, uno degli scienziati ingegneristici 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 di infarto cardiaco o tumori del fegato.”
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 usati per addestrare le reti neurali e ricorda da vicino il modo in cui le persone imparano. 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 i quali 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 ruotato correttamente verso destra e inserito nel vaso sanguigno corretto alla giunzione successiva, al primo algoritmo vengono assegnati uno o più punti positivi, ad esempio +1. Se, tuttavia, 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 adatta e migliora continuamente. “Utilizzando il modello, possiamo simulare tutti i possibili movimenti del catetere e addestrare la rete neurale a un certo livello”, afferma Horsch. “Fino ad ora, abbiamo avuto un tasso di successo del 95 percento con il modello di simulazione – cioè, in uno scenario semplificato, il catetere è stato navigato autonomamente verso il vaso sanguigno bloccato senza problemi. Il nostro obiettivo è spingerlo fino al 99 percento all’inizio di MEDICA. “
Affinché la navigazione autonoma funzioni in un effettivo intervento chirurgico, la posizione del catetere deve essere monitorata 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 fibra ottica e senza imaging. Inoltre, stanno usando immagini fluoroscopiche per addestrare una rete neurale per ritirare il catetere attraverso il sistema vascolare. Il prossimo passo sarà quello di 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.
Molta esperienza da medici praticanti è confluita nella costruzione di un algoritmo che consentirà di navigare rapidamente e in modo affidabile il catetere attraverso il sistema vascolare. Un vantaggio chiave di questa nuova tecnologia è che restringerà l’enorme variazione del tempo impiegato per tale procedura – una 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 dell’ictus endovascolare. Al momento, solo le unità specializzate per l’ictus dispongono dell’attrezzatura e dell’esperienza medica 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 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 fini, uno inserito all’interno dell’altro, in modo che il più piccolo si inserisca all’interno dei minuscoli vasi sanguigni nel cervello, che sono molto più stretti dei vasi sanguigni nella regione inguinale.
Il progetto dovrebbe durare fino a settembre 2020. A quel punto, 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 4-5 anni sono stati riservati agli studi clinici per dimostrare la sua sicurezza ed efficacia. “Ci vorranno sicuramente altri 10-15 anni prima che il sistema possa essere commercializzato per l’uso negli ospedali”, afferma 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.”
