Cuando un paciente sufre un accidente cerebrovascular, cada minuto cuenta. Aquí, una acción rápida puede prevenir daños cerebrales graves. Si un coágulo bloquea un vaso sanguíneo grande en el cerebro, los cirujanos pueden eliminar esta oclusión mediante un catéter insertado en la ingle del paciente. Sin embargo, este es un procedimiento complicado, requiriendo mucha experiencia, y solo unos pocos especialistas son capaces de llevarlo a cabo. En obra nueva, Los investigadores de Fraunhofer han estado investigando si la inteligencia artificial podría usarse para dirigir un catéter de manera automática y confiable a un vaso sanguíneo bloqueado. Las pruebas iniciales con un modelo de simulación y en el laboratorio han sido muy prometedoras. El equipo de investigación estará demostrando esta nueva técnica en un fantasma de vaso sanguíneo en la feria comercial MEDICA 2019 en Düsseldorf del 18 al 21 de noviembre (pabellón 10, Stand G05).

En Alemania, alrededor de 270, 000 personas sufren un accidente cerebrovascular cada año. Esta interrupción repentina del suministro de sangre en el cerebro requiere atención médica inmediata. Si no se trata a tiempo, un número significativo de células cerebrales puede morir, dejando al paciente con un daño duradero, como parálisis o un impedimento del habla. En el peor de los casos, puede resultar fatal. Cada vez más, la terapia de elección es la denominada trombectomía. Aquí, se inserta un catéter delgado en una arteria, a través de la ingle, y avanzó hasta la aorta, desde donde se enhebra hasta el vaso sanguíneo bloqueado en el cerebro. Una vez que se ha alcanzado el vaso bloqueado, un instrumento especial conocido como stent retriever se abre para revelar un pequeño, malla en forma de canasta que se enreda firmemente con el coágulo de sangre. Luego se retira el catéter, junto con el coágulo. Este procedimiento toma entre 45 minutos y tres horas y media, dependiendo de la habilidad del operador. La capacidad de realizar una trombectomía requiere un entrenamiento prolongado y mucha práctica. Según el caso concreto, se requiere entre diez minutos y una hora y media para desplazar el catéter hasta el coágulo de sangre. Investigadores del Grupo de Proyectos de Automatización en Medicina y Biotecnología PAMB, con sede en Mannheim, que está afiliado al Instituto Fraunhofer de Ingeniería de Fabricación y Automatización IPA, han estado analizando más de cerca este problema. Su idea es utilizar un sistema robótico, en forma de catéter controlado por computadora, para establecer una alternativa más rápida y confiable a este meticuloso procedimiento. En una nueva partida, han aprovechado el poder de la inteligencia artificial para guiar el catéter de forma autónoma al sitio de interés. "La intervención quirúrgica en sí, en el que el coágulo de sangre se elimina por medio del stent retriever, todavía lo lleva a cabo un médico. Pero el viaje real al vaso sanguíneo bloqueado, donde deben negociarse diversas dificultades anatómicas, se realiza únicamente mediante un catéter controlado de forma autónoma, "explica Johannes Horsch, uno de los científicos de ingeniería del grupo del proyecto. "Este procedimiento se puede utilizar no solo para eliminar coágulos de sangre, sino también en otros tipos de cirugía endovascular, como el tratamiento para el infarto cardíaco o los tumores hepáticos ".

Navegación autónoma basada en el aprendizaje por refuerzo profundo

La especie de inteligencia artificial que permite que el catéter navegue de forma autónoma se conoce como aprendizaje por refuerzo profundo (DRL). Este es uno de los métodos utilizados para entrenar redes neuronales, y se parece mucho a la forma en que las personas aprenden. La característica específica de DRL es que los datos utilizados para entrenar la red neuronal son generados automáticamente por un algoritmo en el curso de la práctica repetida en un modelo de simulación por computadora; en este caso, una reconstrucción virtual del árbol vascular y un catéter, con el que interactúa el algoritmo. Además, los investigadores han desarrollado un segundo algoritmo para evaluar si la acción realizada es correcta o incorrecta. Si, por ejemplo, la guía se gira correctamente hacia la derecha y se inserta en el vaso sanguíneo correcto en la siguiente unión, el primer algoritmo recibe uno o más puntos positivos, p.ej., +1. Si, sin embargo, el algoritmo toma una decisión incorrecta, se concede un punto negativo. Esta retroalimentación permite que el algoritmo aprenda de forma autónoma, para que la red neuronal se adapte y mejore continuamente. "Usando el modelo, podemos simular todos los posibles movimientos del catéter y entrenar la red neuronal a un cierto nivel, "Dice Horsch." Hasta ahora, hemos tenido una tasa de éxito del 95 por ciento con el modelo de simulación, es decir, en un escenario simplificado, el catéter se navegó de forma autónoma hasta el vaso sanguíneo bloqueado sin problemas. Nuestro objetivo es impulsar eso hasta en un 99 por ciento para el inicio de MEDICA ".

Para que la navegación autónoma funcione en una intervención quirúrgica real, la posición del catéter debe ser rastreada en tiempo real. Aquí es donde otro socio del proyecto, el Instituto Fraunhofer de Medicina Digital MEVIS, entra en la imagen. Los investigadores están desarrollando un catéter inteligente, que se rastrea en el sistema vascular a través de sensores de fibra óptica y sin ninguna imagen. Además, están usando imágenes fluoroscópicas para entrenar una red neuronal para retirar el catéter a través del sistema vascular. El siguiente paso será tomar estos resultados, generado con un modelo de simulación, y transferirlos a un fantasma, es decir, un modelo, hecho de plástico, de todo el árbol de vasos sanguíneos desde la ingle hasta el cerebro.

Repleto del conocimiento práctico de muchos cirujanos experimentados

Se ha acumulado mucha experiencia de los médicos en ejercicio en la construcción de un algoritmo que navegará por el catéter de manera rápida y confiable a través del sistema vascular. Un beneficio clave de esta nueva tecnología es que reducirá la enorme variación en el tiempo necesario para tal procedimiento, una variación que es el resultado de las diferencias en la anatomía del paciente. Igualmente importante, permitirá clínicas más pequeñas, sin especialistas capacitados en este campo, para ofrecer terapia endovascular para accidentes cerebrovasculares. En el presente, solo las unidades especializadas en accidentes cerebrovasculares tienen el equipo y la experiencia médica pertinentes para llevar a cabo dicho tratamiento.

Catéter enhebrado sobre y a lo largo de la guía

Por el momento, los investigadores están utilizando una guía en las pruebas de simulación. El siguiente paso será intentar desplazar un catéter que se enrosca sobre y a lo largo del alambre guía como una funda. "En la práctica actual, el catéter sigue el alambre guía. Una vez que la guía ha llegado al vaso sanguíneo derecho, el catéter se coloca en su lugar, "Explica Horsch. El equipo espera desarrollar el uso de dos o tres catéteres cada vez más finos, uno insertado dentro del otro, para que el más pequeño quepa dentro de los minúsculos vasos sanguíneos del cerebro, que son mucho más estrechos que los vasos sanguíneos de la región de la ingle.

El proyecto está programado para ejecutarse hasta septiembre de 2020. Para entonces, los investigadores habrán completado las pruebas preclínicas en el fantasma de silicio del árbol de vasos sanguíneos y perfeccionado el algoritmo utilizado para navegar por el catéter. Los proyectos de seguimiento se centrarán en optimizar el procedimiento, en particular en lo que respecta a su seguridad y fiabilidad. Después, se han reservado de cuatro a cinco años más para estudios clínicos que demuestren su seguridad y eficacia. "Sin duda, pasarán de diez a quince años antes de que el sistema pueda comercializarse para su uso en hospitales, "Dice Horsch." Antes de eso, Se requerirá mucho trabajo de investigación y estudios clínicos. Y, además de todo eso, los legisladores tendrán que emitir la aprobación reglamentaria para el uso de redes neuronales en un contexto médico ". Horsch y sus colegas demostrarán los últimos resultados de su investigación en la feria comercial MEDICA en Düsseldorf del 18 al 21 de noviembre. 2019 (Pabellón 10, Stand G05).