La nueva plataforma de inteligencia artificial puede ayudar a evaluar las enfermedades vasculares


Un equipo internacional de científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur), la Universidad de Brown y el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) ha desarrollado una plataforma de inteligencia artificial (IA) que algún día podría usarse en un sistema para evaluar enfermedades vasculares. que se caracterizan por el estado anormal de los vasos sanguíneos.

La plataforma impulsada por IA combina el aprendizaje automático y un chip de microfluidos especialmente diseñado con el análisis de imágenes de video 2D del flujo sanguíneo y la aplicación de leyes físicas, para inferir cómo fluye la sangre en 3D. En las pruebas, predijo con precisión las características del flujo sanguíneo, como la velocidad, la presión y el esfuerzo cortante, que es el estrés ejercido por el flujo sanguíneo en la pared del vaso.

La capacidad de determinar estas características con precisión podría ser un apoyo fundamental para los médicos en la detección y seguimiento de la progresión de las enfermedades vasculares, ya que las anomalías que la plataforma podría detectar (como un cambio brusco en la velocidad o el esfuerzo cortante del flujo sanguíneo) pueden indicar la presencia o progresión de una enfermedad vascular.

La plataforma y sus hallazgos de prueba de concepto del equipo de investigación dirigido por la presidenta de NTU y profesora universitaria distinguida Subra Suresh, el profesor Brown George Em Karniadakis y el científico investigador principal del MIT y el profesor visitante de NTU Ming Dao se informan en las Actas del National Academia de Ciencias de los Estados Unidos de América el 22 de marzo.

Para validar la plataforma, los científicos la probaron en microaneurismas del ojo simulados, utilizando un chip de microfluidos que es más pequeño que una miniatura. Los microaneurismas son protuberancias en los vasos sanguíneos de microescala del ojo de un paciente diabético y son los primeros signos de retinopatía diabética, la principal causa mundial de pérdida de visión y ciego en adultos diabéticos que trabajan.

Cuando la plataforma de inteligencia artificial recibió imágenes del flujo sanguíneo en un dispositivo que simula microaneurismas, predijo con éxito las características de la circulación sanguínea dentro de él.

La plataforma de inteligencia artificial y el microaneurisma en un chip podrían algún día ayudar a los médicos a monitorear la progresión de la enfermedad vascular en humanos y pueden ser particularmente útiles para las enfermedades de los vasos sanguíneos más pequeños del cuerpo.

El profesor Subra Suresh, autor principal del estudio, dijo:

Actualmente, medir la mecánica del flujo sanguíneo en los vasos sanguíneos más pequeños requiere equipos sofisticados y personal capacitado. Nuestra tecnología de inteligencia artificial integra imágenes, datos experimentales y la física subyacente, lo que permite analizar el flujo sanguíneo de la microcirculación de manera fácil y precisa para evaluar la lesión vascular y el estado de la enfermedad. Con esta plataforma, ahora podemos obtener información mecánica importante y conocimientos sobre los mecanismos de evolución de la enfermedad que antes eran muy complicados de extraer “.

Si bien la plataforma se desarrolló para el monitoreo de microaneurismas, podría adaptarse para monitorear otras enfermedades de los vasos sanguíneos dañados, dijeron los científicos.

El profesor George Karniadakis, coautor del estudio y profesor de ingeniería y matemáticas aplicadas en la Universidad de Brown, dijo: “Probamos nuestra plataforma en microaneurismas, el síntoma más temprano de la retinopatía diabética, que es la principal causa de pérdida de la visión en la edad laboral. pacientes diabéticos en todo el mundo. Nuestro objetivo final es utilizar la plataforma en entornos clínicos para el diagnóstico y pronóstico de la retinopatía diabética, así como en otras enfermedades que implican un flujo sanguíneo alterado “.

El equipo espera probar su plataforma en datos de imágenes clínicas de microaneurismas para correlacionar las características del flujo sanguíneo de los microaneurismas con factores como la gravedad de la enfermedad y los riesgos potenciales.

El desafío de monitorear la progresión de la enfermedad de los vasos sanguíneos

A pesar de los rápidos avances en técnicas de imagen como el análisis de fotografías de retina y la tomografía de coherencia óptica, no es factible observar procesos biológicos en la microcirculación en tiempo real, como la ruptura de un microaneurisma en los vasos sanguíneos del ojo y el desarrollo de coágulos sanguíneos.

Como resultado, para aprender más sobre cómo progresan estas enfermedades, los científicos han estado usando dispositivos de microfluidos tradicionales, dispositivos que se mueven alrededor de cantidades minúsculas de fluidos en pequeños canales tallados en un microchip, para imitar las condiciones fisiológicas de una enfermedad vascular. Estos métodos existentes, que se basan en el análisis de imágenes visuales o en la aplicación de las leyes físicas que subyacen al flujo sanguíneo, no proporcionan una evaluación precisa de las características del flujo sanguíneo, particularmente en vasos con geometrías complejas, como un microaneurisma en el ojo.

El equipo de investigación demostró las capacidades de la plataforma de inteligencia artificial en un microaneurisma en un chip, un dispositivo de microfluidos que el equipo diseñó para imitar el flujo sanguíneo en microaneurismas redondos, el tipo más común que se encuentra en pacientes diabéticos.

Se cargó una muestra de sangre de 20 microlitros, aproximadamente la mitad de una gota de sangre, en el chip y se utilizó una cámara de alta velocidad para capturar imágenes de sangre moviéndose a través de los microcanales.

Los científicos descubrieron que su plataforma de inteligencia artificial predijo las características del flujo sanguíneo, como la velocidad, la presión y el estrés ejercido por el flujo sanguíneo en la pared del vaso en microaneurismas pequeños, intermedios y grandes de manera más precisa y eficiente que los métodos computacionales existentes.

El equipo cree que su tecnología puede convertirse en una herramienta poderosa en el diagnóstico y monitoreo de microaneurismas utilizando imágenes tomadas de microaneurismas reales. También podría combinarse potencialmente con dispositivos de microfluidos que simulan otros tipos de trastornos que involucran vasos sanguíneos dañados para predecir las características del flujo sanguíneo y monitorear otras enfermedades vasculares.



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