Quando um paciente tem um derrame, cada minuto conta. Aqui, a ação imediata pode prevenir sérios danos cerebrais. Se um coágulo está bloqueando um grande vaso sanguíneo no cérebro, os cirurgiões podem remover essa oclusão por meio de um cateter inserido na virilha do paciente. Contudo, este é um procedimento complicado, requer muita experiência, e apenas alguns especialistas são capazes de realizá-lo. Em novo trabalho, Os pesquisadores Fraunhofer têm investigado se a inteligência artificial pode ser usada para direcionar um cateter de forma automática e confiável para um vaso sanguíneo bloqueado. Os testes iniciais com um modelo de simulação e em laboratório têm sido altamente promissores. A equipe de pesquisa estará demonstrando esta nova técnica em um fantoma de vaso sanguíneo na feira comercial MEDICA 2019 em Düsseldorf de 18 a 21 de novembro (Hall 10, Estande G05).

Na Alemanha, cerca de 270, 000 pessoas sofrem de um AVC todos os anos. Essa interrupção repentina do suprimento de sangue no cérebro requer atenção médica imediata. Se não for tratado a tempo, um número significativo de células cerebrais pode morrer, deixando o paciente com danos permanentes, como paralisia ou problemas de fala. Na pior das hipóteses, pode ser fatal. Cada vez mais, a terapia de escolha é a chamada trombectomia. Aqui, um cateter fino é inserido em uma artéria, através da virilha, e avançado para a aorta, de onde é enfiado até o vaso sanguíneo bloqueado no cérebro. Uma vez que a embarcação bloqueada foi alcançada, um instrumento especial conhecido como um recuperador de stent é aberto para revelar uma pequena, malha em forma de cesta que fica firmemente emaranhada com o coágulo sanguíneo. O cateter é então retirado, junto com o coágulo. Este procedimento leva de 45 minutos a três horas e meia, dependendo da habilidade do operador. A capacidade de conduzir uma trombectomia requer um longo treinamento e muita prática. Dependendo do caso específico, algo entre dez minutos e uma hora e meia são necessários para navegar pelo cateter até o coágulo sanguíneo. Pesquisadores do Grupo de Projetos para Automação em Medicina e Biotecnologia PAMB, sediado em Mannheim, que é afiliado ao Instituto Fraunhofer para Engenharia de Manufatura e Automação IPA, examinaram mais de perto esse problema. A ideia deles é usar um sistema robótico - na forma de um cateter controlado por computador - para estabelecer uma alternativa mais rápida e confiável para esse procedimento meticuloso. Em uma nova partida, eles aproveitaram o poder da inteligência artificial para guiar o cateter de maneira autônoma até o local de interesse. "A própria intervenção cirúrgica, em que o coágulo sanguíneo é removido por meio do recuperador de stent, ainda é realizado por um médico. Mas a viagem real para o vaso sanguíneo bloqueado, onde várias dificuldades anatômicas devem ser negociadas, é realizado exclusivamente por um cateter controlado de forma autônoma, "explica Johannes Horsch, um dos cientistas de engenharia do grupo do projeto. “Este procedimento pode ser usado não só para remover coágulos sanguíneos, mas também em outros tipos de cirurgia endovascular, como tratamento para infarto cardíaco ou tumores hepáticos. "

Navegação autônoma baseada na aprendizagem por reforço profundo

A espécie de inteligência artificial que permite ao cateter navegar de forma autônoma é conhecida como aprendizado por reforço profundo (DRL). Este é um dos métodos usados ​​para treinar redes neurais, e se assemelha muito à maneira como as pessoas aprendem. A característica específica do DRL é que os dados usados ​​para treinar a rede neural são gerados automaticamente por um algoritmo no decorrer da prática repetida em um modelo de simulação de computador - neste caso, uma reconstrução virtual da árvore vascular e um cateter, com os quais o algoritmo interage. Além disso, os pesquisadores desenvolveram um segundo algoritmo para avaliar se a ação realizada é certa ou errada. Se, por exemplo, o fio-guia está corretamente virado para a direita e inserido no vaso sanguíneo correto na próxima junção, o primeiro algoritmo recebe um ou mais pontos positivos, por exemplo., +1. Se, Contudo, o algoritmo toma uma decisão incorreta, um ponto negativo é concedido. Este feedback permite que o algoritmo aprenda de forma autônoma, para que a rede neural se adapte e melhore continuamente. "Usando o modelo, podemos simular todos os movimentos possíveis do cateter e treinar a rede neural até um determinado nível, "Horsch diz." Até agora, tivemos uma taxa de sucesso de 95 por cento com o modelo de simulação, ou seja, em um cenário simplificado, o cateter foi conduzido de forma autônoma para o vaso sanguíneo bloqueado sem problemas. Nosso objetivo é aumentar isso para 99 por cento até o início da MEDICA. "

Para que a navegação autônoma funcione em uma intervenção cirúrgica real, a posição do cateter deve ser rastreada em tempo real. É aqui que outro parceiro do projeto, o Instituto Fraunhofer de Medicina Digital MEVIS, entra em cena. Os pesquisadores estão desenvolvendo um cateter inteligente, que é rastreado no sistema vascular por meio de sensores de fibra óptica e sem qualquer imagem. Além disso, eles estão usando imagens fluoroscópicas para treinar uma rede neural para retirar o cateter através do sistema vascular. A próxima etapa será obter esses resultados, gerado com um modelo de simulação, e transferi-los para um fantasma, ou seja, uma modelo, feito de plástico, de toda a árvore de vasos sanguíneos da virilha ao cérebro.

Embalado com o conhecimento prático de muitos cirurgiões experientes

Muita experiência de médicos praticantes fluiu para a construção de um algoritmo que navegará o cateter de forma rápida e confiável através do sistema vascular. Um dos principais benefícios desta nova tecnologia é que ela reduzirá a grande variação no tempo necessário para tal procedimento - uma variação que é o resultado das diferenças na anatomia do paciente. Igualmente importante, vai permitir clínicas menores, sem especialistas treinados neste campo, para oferecer terapia de AVC endovascular. Atualmente, apenas unidades especializadas de AVC possuem o equipamento relevante e conhecimentos médicos para realizar tal tratamento.

Cateter enfiado ao longo do fio-guia

Para o momento, os pesquisadores estão usando um fio-guia nos testes de simulação. O próximo passo será tentar navegar por um cateter que é enfiado ao longo do fio-guia como uma bainha. "Na prática atual, o cateter segue o fio-guia. Assim que o fio-guia atingir o vaso sanguíneo direito, o cateter é colocado no lugar, "Horsch explica. A equipe espera desenvolver o uso de dois ou três cateteres cada vez mais finos, um inserido dentro do outro, de modo que o menor caiba dentro dos minúsculos vasos sanguíneos do cérebro, que são muito mais estreitos do que os vasos sanguíneos na região da virilha.

O projeto está programado para ser executado até setembro de 2020. Até então, os pesquisadores terão concluído os testes pré-clínicos no fantoma de silício da árvore do vaso sanguíneo e aperfeiçoado o algoritmo usado para navegar pelo cateter. Os projetos de acompanhamento se concentrarão na otimização do procedimento, em particular no que diz respeito à sua segurança e confiabilidade. Depois disso, mais quatro a cinco anos foram reservados para estudos clínicos para demonstrar sua segurança e eficácia. “Sem dúvida, vai demorar mais dez a 15 anos antes que o sistema possa ser comercializado para uso em hospitais, "Horsch diz." Antes disso, muito trabalho de pesquisa e estudos clínicos serão necessários. E, além de tudo isso, os legisladores terão que emitir uma aprovação regulatória para o uso de redes neurais em um contexto médico. "Horsch e seus colegas estarão demonstrando os resultados mais recentes de suas pesquisas na feira comercial MEDICA em Düsseldorf, de 18 a 21 de novembro, 2019 (Hall 10, Estande G05).