Ingeniería e inteligencia artificial se combinan para salvaguardar la vida de los pacientes
Investigadores de Princeton y Google están utilizando un ventilador diseñado y construido en Princeton en un esfuerzo por automatizar y mejorar los controles para todo tipo de ventiladores. Crédito: Aaron Nathans
Estimulados por las demandas de la pandemia de COVID-19, los investigadores de Princeton y Google están aplicando ingeniería mecánica e inteligencia artificial en un esfuerzo por aumentar la disponibilidad y eficacia de los tratamientos de ventilación en todo el mundo.
Los ventiladores y su equipo de apoyo son tecnologías que salvan vidas, pero también son dispositivos costosos y complejos que requieren la atención experta de médicos y otros trabajadores médicos altamente capacitados. Los dispositivos deben calibrarse y monitorearse cuidadosamente para garantizar que cumplan con una variedad de parámetros de presión, volumen y frecuencia respiratoria ajustados a cada paciente individual. A menudo, estas medidas cambian durante el tratamiento, lo que requiere un mayor ajuste.
Los investigadores de Princeton dirigidos por Daniel Cohen y Elad Hazan pensaron que gran parte de este control y ajuste podría manejarse mediante inteligencia artificial. Si las computadoras pudieran manejar una mayor parte del trabajo, no solo podría disminuir la carga de los trabajadores médicos, sino también permitir que los ventiladores se implementen en áreas con escasez de operadores expertos.
El proyecto surgió de un nuevo ventilador diseñado y construido por un equipo dirigido por Cohen, profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial. Desde el comienzo del brote de COVID-19 la primavera pasada, el equipo de Cohen había estado trabajando para diseñar ventiladores de bajo costo utilizando piezas fácilmente disponibles. Inicialmente, Cohen se reunió con Hazan para discutir un sistema de control para el nuevo diseño. Pero los investigadores se dieron cuenta de que la inteligencia artificial podría mejorar los controles de todos los ventiladores, no solo del tipo diseñado en Princeton.
Las reuniones llevaron a la pregunta «¿Podemos mejorar la salud de las personas al mejorar los métodos de control utilizados por los ventiladores?». ?» dijo Hazan, profesor de informática y director de Google AI Princeton.
Como es habitual en los dispositivos médicos, el diseño del ventilador de Princeton tendría que someterse a una revisión exhaustiva antes de que pudiera usarse con pacientes. Sin embargo, a corto plazo, la máquina podría desempeñar un papel fundamental al permitir que los investigadores mejoren los sistemas utilizados para operar otros ventiladores. La mayoría de los ventiladores modernos se controlan a través de un algoritmo estándar, conocido como PID, para monitorear y ajustar continuamente un dispositivo. Estos algoritmos PID, que datan de principios del siglo XX, se utilizan para controlar muchos dispositivos automatizados populares, como los controles de crucero en los automóviles.
«La hipótesis es que la aplicación de herramientas de IA puede mejorar estos métodos más antiguos de la teoría de control clásica. y puede hacer que los sistemas sean más robustos y seguros», dijo Hazan, quien reunió a un equipo que incluía a la senior Paula Gradu; los estudiantes de posgrado Xinyi Chen, Udaya Ghai, Edgar Minasyan, Karan Singh y Daniel Suo; y reciente Ph.D. graduados Naman Agarwal y Cyril Zhang.
Hazan dijo que la investigación de control fue de la mano con el trabajo en el laboratorio de ingeniería mecánica de Cohen para diseñar un ventilador más rentable, lo que implicó obtener estándares de la industria previamente patentados para crear un dispositivo ampliamente de código abierto.
El acceso a un ventilador que funcione ha sido crítico. La física que subyace a la respiración es compleja, y dividir la dinámica de gas/fluido en ecuaciones de trabajo es generalmente poco práctico e inexacto. Entonces, en lugar de abordar el problema de control a través de la física de los pulmones, los investigadores decidieron realizar experimentos en los ventiladores del equipo de Cohen y aplicar el aprendizaje automático para «aprender» de los experimentos. Si el enfoque funcionara, la inteligencia artificial no necesitaría resolver la física subyacente. En cambio, descubriría patrones en los datos que guiarían la operación segura y efectiva del ventilador. Hazan dijo que los primeros resultados han sido prometedores y que el equipo de investigación está preparando un artículo científico sobre el enfoque. Dijo que no habría sido posible sin una forma de simular con precisión las operaciones del ventilador.
«Es por eso que la colaboración con el profesor Cohen es tan esencial», dijo. «Ya tenían una configuración de código abierto que pudimos usar».
Diseñar un ventilador de bajo costo que «se une como Legos»
El desarrollo del ventilador comenzó como parte de un esfuerzo de Cohen y Daniel Notterman, médico y conferencista con rango de profesor en biología molecular, para responder a las necesidades de la comunidad médica regional durante la pandemia de COVID-19. Durante el brote de la primavera pasada, los expertos médicos temían que el país se quedara sin ventiladores, y los investigadores se propusieron diseñar un nuevo sistema que fuera económico y pudiera ensamblarse a partir de piezas estándar.
Después de conversaciones iniciales con Notterman sobre el diseño y las necesidades clínicas de la ventilación mecánica, equipos de investigadores de todo el campus trabajaron en el diseño. El esfuerzo involucró a personas de departamentos que incluyen informática, neurociencia, física e ingeniería mecánica y aeroespacial. Julienne LaChance, estudiante de posgrado en el laboratorio de Cohen, dirigió los esfuerzos de ingeniería para construir un prototipo. Además de LaChance, Notterman y Cohen, el equipo local de Princeton incluye a Tom Zajdel (electrónica y hardware), Manuel Schottdorf (software y controles), Grant Wallace (arquitectura de software), Sophie Dvali (flujo y esterilidad) y Zhenyu Song (software ). Los colaboradores externos incluyen a Chase Marshall (diseño y diseño asistidos por computadora), Rengo Seirup (electrónica y hardware), Moritz Kutt (diseño de placa de circuito impreso) y Jonny Saunders (diseño de interfaz de usuario, software y sistema de alarma).
«Los ventiladores modernos buscan maximizar los resultados clínicos y, al mismo tiempo, proteger a los pacientes de niveles excesivos de presión y volumen», dijo Notterman, médico de cuidados intensivos pediátricos certificado por la junta con experiencia en el manejo de pacientes con insuficiencia respiratoria. . «Aunque conceptualmente simple, la regulación del rendimiento del ventilador es extremadamente compleja. Este esfuerzo brindó la oportunidad a los expertos en programación, ingeniería y medicina clínica de repensar muchas de las soluciones habituales, bajo la dirección del profesor Cohen».
LaChance, quien trabajó como investigador en General Electric antes de llegar a Princeton, dijo que el plan era construir un ventilador que pudiera ensamblarse fácilmente a partir de piezas disponibles en el mercado y que pudiera cumplir con una variedad de requisitos clínicos.
«Básicamente, se juntan como Legos», dijo. «Me imagino al equipo de robótica de mi escuela secundaria armando esto».
El equipo trabajó en dos prototipos. Uno se construyó en Hoyt Labs bajo la dirección de Zajdel, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Cohen con experiencia en ingeniería eléctrica que ha sido fundamental para completar las pruebas de rendimiento, dijo Cohen. El otro está en un garaje en Rensselaer, Nueva York, en proceso de perfeccionamiento del diseño y compilación de la documentación completa para compartir con la comunidad. «Como mucha gente, no estoy en el campus en este momento», dijo LaChance. «Así que comencé una ‘construcción de garaje'».
El ventilador ahora está completamente construido y cumple con los estándares de rendimiento clave establecidos por la FDA, mientras que cuesta menos de $ 1,500, una décima o vigésima parte del precio de los ventiladores comerciales. Cohen dijo. La primera versión se conoce como PVP1 por el «Proyecto Ventilador del Pueblo» para enfatizar la naturaleza completamente transparente y abierta del proyecto. Cohen agregó que una clave para el proyecto era combinar hardware modular cuidadosamente diseñado con una base de software flexible, confiable y abierta que abre el potencial de la máquina. «El equipo realmente ha trabajado fantásticamente bien en conjunto, a pesar de las estrictas operaciones remotas, tres zonas horarias diferentes que abarcan 12 horas y un ritmo frenético», dijo Cohen.
Cohen dijo que LaChance desempeñó un papel clave en la obtención de estándares de ingeniería utilizado para construir el nuevo ventilador. Los documentos que contienen estándares, desarrollados por organizaciones internacionales de estándares, generalmente los compran empresas que desean desarrollar nuevas máquinas. Debido a que se necesitan múltiples estándares para un solo dispositivo, y cada documento de estándares puede costar miles de dólares, el costo puede ser prohibitivo para los diseñadores no corporativos.
Un domingo de marzo, LaChance y otro diseñador, AJ Ortiz, se reunió virtualmente con representantes de la organización de estándares de EE. UU. que supervisa dichos dispositivos, el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI), para pedirles que abran los estándares de los ventiladores en caso de emergencia. Los representantes de ANSI estuvieron de acuerdo.
«ANSI se enorgullece de apoyar los esfuerzos cruciales de Princeton y muchos grupos involucrados en la lucha contra el COVID-19 al proporcionar acceso gratuito de solo lectura a través de nuestro portal a 37 estándares internacionales críticos de la Organización Internacional para la Estandarización (ISO) y la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC)», dijo Mary Saunders, vicepresidenta de relaciones gubernamentales de ANSI, quien obtuvo una maestría de la Escuela de Asuntos Públicos e Internacionales de Princeton en 1979. «Al crear el portal, ANSI se acercó de manera proactiva a ISO e IEC para obtener la aprobación para abrir el acceso a estos estándares, que fueron identificados por empresas, agencias, organizaciones y universidades estadounidenses, incluida Princetona, como esenciales para sus esfuerzos de respuesta».
Cohen dijo que el equipo ha trabajado para cumplir con los estándares de ingeniería mientras reconsidera los enfoques de muchos de los desafíos impuestos por la pandemia, como la disponibilidad reducida de piezas y aletas. tensión económica en hospitales e instalaciones médicas.
Además de trabajar con el grupo de investigación de Hazan para mejorar los controles, el equipo de ventiladores ahora está buscando activamente socios de fabricación para ayudar a impulsar la aprobación regulatoria, especialmente en países menos prósperos que necesitan ventiladores. tanto ahora como después de la pandemia de COVID-19. Los investigadores también están explorando la idoneidad del sistema para una ventilación pediátrica segura y rentable.
«Hemos estado usando piezas sólidas y simples que reunimos con una gran cantidad de software y codificación muy bien hechos, —dijo Cohen—. «Estamos tratando de desarrollar una plataforma generalizada con la que cualquiera pueda trabajar o mejorar en cualquier parte del mundo, incluso después de la pandemia».
Explore más
Siga las últimas noticias sobre el brote de coronavirus (COVID-19) Proporcionado por la Universidad de Princeton Cita: La ingeniería y la inteligencia artificial se combinan para salvaguardar la vida de los pacientes (2021, 27 de enero ) recuperado el 30 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-01-artificial-intelligence-combine-safeguard-patients.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.