Cateteri robotici controllati dall’intelligenza artificiale per interventi di cardiochirurgia
Le malattie cardiovascolari sono una delle principali minacce a livello mondiale e comportano circa l’11 % della spesa sanitaria dell’UE ogni anno. In molti casi, il trattamento richiede interventi chirurgici che possono comportare complicazioni. Gli interventi mini-invasivi con procedure basate su cateteri stanno rapidamente guadagnando terreno. «Le tecnologie transcatetere mirano a riparare o a sostituire le strutture cardiache malate mediante dispositivi impiantabili collocati all’interno del cuore», spiega Emiliano Votta, professore associato di Ingegneria biomedica al Politecnico di Milano. Queste tecnologie evitano alcuni dei rischi della chirurgia standard, ma possono essere complesse e quindi talvolta fallimentari. Poiché l’esperienza degli operatori è fondamentale, gli interventi transcatetere sono limitati nella loro disponibilità per i pazienti e la radiografia può esporre i pazienti a rischi inutili. I ricercatori del progetto ARTERY, finanziato dall’UE, hanno sviluppato nuovi cateteri robotici, guidati da algoritmi di intelligenza artificiale. Questi cateteri trovano automaticamente la strada verso il bersaglio in base agli input dell’operatore, che può visualizzare il cuore e monitorare il catetere attraverso un’interfaccia olografica, senza bisogno di immagini a raggi X.
Interfaccia olografica del cuore
ARTERY ha sviluppato una prova di concetto di una piattaforma robotica ad «autonomia condivisa», con cateteri automatici guidati da operatori umani in caso sia necessario un intervento. Un robot guida una sonda ecocardiografica attraverso l’esofago. La sonda è un catetere la cui punta cattura immagini ecocardiografiche del cuore. Nel frattempo, altri cateteri sono guidati da un altro robot per posizionare il dispositivo nel cuore. La sonda transesofagea e gli altri cateteri sono dotati di sensori che ne ricostruiscono la posizione e la forma nello spazio 3D. L’operatore principale è in grado di visualizzare le informazioni rilevanti e interagire con i robot attraverso ologrammi. Quando il catetere raggiunge il cuore, l’operatore può vedere l’ologramma dell’ambiente intracardiaco 3D attraverso le immagini ecocardiografiche. Il catetere e i punti di riferimento anatomici rilevanti vengono riconosciuti automaticamente da un modello di IA. Sulla base di queste informazioni, l’operatore può facilmente definire il bersaglio da raggiungere con il catetere. Un altro modello di intelligenza artificiale identifica il percorso ottimale del catetere, che viene implementato dai robot.
Set-up sperimentali
Tutti i test del progetto ARTERY sono stati eseguiti in laboratorio, consentendo al team di sviluppare set-up sperimentali altamente realistici, tra cui repliche deformabili dei tessuti interessati: vasi sanguigni, strutture cardiache ed esofago. Con il progredire del progetto, le varie tecnologie sono state integrate e testate fino alle prove con il sistema robotico completo. Il team ha poi eseguito due serie di test in una vera sala operatoria, per capire come la piattaforma dovesse essere configurata.
Progressi tecnologici fondamentali
Il progetto ha permesso di ottenere diversi progressi notevoli sia nell’hardware che nel software. Per quanto riguarda l’hardware, sono stati sviluppati e brevettati sensori di nuova generazione, la prototipazione di un catetere nuovo di zecca e un driver robotico per la sonda ecocardiografica che è stato giudicato positivamente dai medici. «Si è rivelata molto utile anche come tecnologia indipendente, in quanto riduce il carico di lavoro fisico e permette di teleoperare la sonda, evitando così l’esposizione ai raggi X», spiega. Dal punto di vista del software, sono stati sviluppati nuovi algoritmi per analizzare automaticamente le immagini ecocardiografiche. «Questi potrebbero essere utili anche al di fuori del contesto della piattaforma robotica ARTERY, ad esempio per supportare la diagnosi e la pianificazione degli interventi», aggiunge.
Sviluppo verso la sperimentazione clinica
I ricercatori stanno ora valutando la traduzione di alcune delle loro nuove tecnologie in veri e propri prototipi di prodotto e stanno facendo domanda per ulteriori finanziamenti attraverso il programma di finanziamento Consiglio europeo per l’innovazione (CEI).
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