Lorsqu'un patient subit un AVC, chaque minute compte. Ici, une action rapide peut prévenir de graves lésions cérébrales. Si un caillot bloque un gros vaisseau sanguin dans le cerveau, les chirurgiens peuvent retirer cette occlusion au moyen d'un cathéter inséré dans l'aine du patient. Cependant, c'est une procédure compliquée, nécessitant beaucoup d'expérience, et seuls quelques spécialistes sont capables de le réaliser. Dans un nouveau travail, Des chercheurs de Fraunhofer ont cherché à savoir si l'intelligence artificielle pouvait être utilisée pour diriger un cathéter de manière automatique et fiable vers un vaisseau sanguin bloqué. Les premiers tests avec un modèle de simulation et en laboratoire ont été très prometteurs. L'équipe de recherche démontrera cette nouvelle technique sur un fantôme de vaisseau sanguin au salon MEDICA 2019 à Düsseldorf du 18 au 21 novembre (Hall 10, stand G05).

En Allemagne, environ 270, 000 personnes souffrent d'un AVC chaque année. Cette perturbation soudaine de l'approvisionnement en sang dans le cerveau nécessite des soins médicaux rapides. S'il n'est pas traité à temps, un nombre important de cellules cérébrales peuvent mourir, laissant le patient avec des dommages durables tels que la paralysie ou un trouble de la parole. Au pire des cas, cela peut s'avérer fatal. De plus en plus, le traitement de choix est ce qu'on appelle la thrombectomie. Ici, un cathéter mince est inséré dans une artère, par l'aine, et avancé à l'aorte, d'où il est enfilé jusqu'au vaisseau sanguin bloqué dans le cerveau. Une fois le navire bloqué atteint, un instrument spécial connu sous le nom de stent retriever est ouvert pour révéler un minuscule, maille en forme de panier qui s'emmêle fermement avec le caillot de sang. Le cathéter est ensuite retiré, avec le caillot. Cette procédure prend de 45 minutes à trois heures et demie, selon la compétence de l'opérateur. La capacité à effectuer une thrombectomie nécessite une longue formation et beaucoup de pratique. Selon le cas particulier, entre dix minutes et une heure et demie sont nécessaires pour diriger le cathéter jusqu'au caillot sanguin. Les chercheurs du groupe de projet basé à Mannheim pour l'automatisation de la médecine et de la biotechnologie PAMB - qui est affilié à l'Institut Fraunhofer pour l'ingénierie de fabrication et l'automatisation IPA - se sont penchés de plus près sur ce problème. Leur idée est d'utiliser un système robotique – sous la forme d'un cathéter contrôlé par ordinateur – pour établir une alternative plus rapide et plus fiable à cette procédure laborieuse. Dans un nouveau départ, ils ont exploité la puissance de l'intelligence artificielle pour guider le cathéter de manière autonome vers le site d'intérêt. "L'intervention chirurgicale elle-même, dans lequel le caillot sanguin est retiré au moyen du stent retriever, est toujours effectuée par un médecin. Mais le véritable voyage vers le vaisseau sanguin bloqué, où diverses difficultés anatomiques doivent être négociées, est réalisée uniquement par un cathéter à commande autonome, " explique Johannes Horsch, l'un des ingénieurs scientifiques du groupe de projet. "Cette procédure peut être utilisée non seulement pour éliminer les caillots sanguins mais aussi dans d'autres types de chirurgie endovasculaire, comme le traitement de l'infarctus cardiaque ou des tumeurs du foie.

Navigation autonome basée sur l'apprentissage par renforcement profond

L'espèce d'intelligence artificielle qui permet au cathéter de naviguer de manière autonome est connue sous le nom d'apprentissage par renforcement en profondeur (DRL). C'est l'une des méthodes utilisées pour entraîner les réseaux de neurones, et cela ressemble beaucoup à la façon dont les gens apprennent. La particularité du DRL est que les données utilisées pour entraîner le réseau de neurones sont générées automatiquement par un algorithme au cours d'une pratique répétée sur un modèle de simulation informatique - en l'occurrence, une reconstruction virtuelle de l'arbre vasculaire et un cathéter, avec laquelle l'algorithme interagit. En outre, les chercheurs ont développé un deuxième algorithme pour évaluer si l'action entreprise est bonne ou mauvaise. Si, par exemple, le fil-guide est correctement tourné vers la droite et inséré dans le bon vaisseau sanguin à la prochaine jonction, le premier algorithme se voit attribuer un ou plusieurs points positifs, par exemple., +1. Si, cependant, l'algorithme prend une décision incorrecte, un point négatif est attribué. Ce retour permet à l'algorithme d'apprendre de manière autonome, afin que le réseau de neurones s'adapte et s'améliore en permanence. "En utilisant le modèle, nous pouvons simuler tous les mouvements possibles du cathéter et entraîner le réseau neuronal à un certain niveau, " dit Horsch. " Jusqu'à présent, nous avons obtenu un taux de réussite de 95 % avec le modèle de simulation, c'est-à-dire dans un scénario simplifié, le cathéter a été dirigé de manière autonome vers le vaisseau sanguin bloqué sans problème. Notre objectif est de porter ce chiffre à 99 % d'ici le début de MEDICA."

Pour que la navigation autonome fonctionne dans une intervention chirurgicale réelle, la position du cathéter doit être suivie en temps réel. C'est là qu'un autre partenaire du projet, l'Institut Fraunhofer de médecine numérique MEVIS, entre dans l'image. Des chercheurs y développent un cathéter intelligent, qui est suivi dans le système vasculaire via des capteurs à fibre optique et sans aucune imagerie. En outre, ils utilisent des images fluoroscopiques pour entraîner un réseau neuronal à retirer le cathéter à travers le système vasculaire. La prochaine étape sera de prendre ces résultats, généré avec un modèle de simulation, et les transférer sur un fantôme, c'est-à-dire un modèle, en plastique, de l'ensemble des vaisseaux sanguins de l'aine au cerveau.

Emballé avec les connaissances pratiques de nombreux chirurgiens expérimentés

Une grande partie de l'expérience des médecins praticiens a permis de créer un algorithme qui permet de naviguer rapidement et de manière fiable dans le cathéter dans le système vasculaire. Un avantage clé de cette nouvelle technologie est qu'elle réduira l'énorme variation du temps nécessaire pour une telle procédure, une variation qui est le résultat de différences dans l'anatomie du patient. D'importance égale, il permettra à des cliniques plus petites, sans spécialistes formés dans ce domaine, offrir un traitement endovasculaire de l'AVC. Maintenant, seules les unités spécialisées dans l'AVC disposent de l'équipement et de l'expertise médicale nécessaires pour effectuer un tel traitement.

Cathéter enfilé sur et le long du fil de guidage

Pour le moment, les chercheurs utilisent un fil-guide dans les tests de simulation. La prochaine étape consistera à essayer de naviguer dans un cathéter qui est enfilé sur et le long du fil de guidage comme une gaine. « Dans la pratique actuelle, le cathéter suit le fil de guidage. Une fois que le fil-guide a atteint le vaisseau sanguin droit, le cathéter est poussé en place, " explique Horsch. L'équipe espère développer l'utilisation de deux ou trois cathéters de plus en plus fins, l'un inséré dans l'autre, pour que le plus petit rentre dans les minuscules vaisseaux sanguins du cerveau, qui sont beaucoup plus étroits que les vaisseaux sanguins dans la région de l'aine.

Le projet devrait durer jusqu'en septembre 2020. D'ici là, les chercheurs auront terminé les tests précliniques sur le fantôme de silicium de l'arbre des vaisseaux sanguins et perfectionné l'algorithme utilisé pour naviguer dans le cathéter. Les projets de suivi se concentreront ensuite sur l'optimisation de la procédure, en particulier en ce qui concerne sa sécurité et sa fiabilité. Après ça, quatre à cinq années supplémentaires ont été réservées pour des études cliniques visant à démontrer son innocuité et son efficacité. « Il faudra sans doute encore dix à quinze ans avant que le système puisse être commercialisé pour une utilisation dans les hôpitaux, " dit Horsch. "Avant, beaucoup de travaux de recherche et d'études cliniques seront nécessaires. Et, en plus de tout ça, les législateurs devront délivrer une autorisation réglementaire pour l'utilisation des réseaux de neurones dans un contexte médical." Horsch et ses collègues présenteront les derniers résultats de leurs recherches au salon MEDICA à Düsseldorf du 18 au 21 novembre, 2019 (Salle 10, stand G05).