18 maggio 2020

I.A. e medicina al tempo del Covid-19

  • Di Marco Pandolfi

Intervista al prof. Bruno Beomonte Zobel

Bruno Beomonte Zobel, professore ordinario di Diagnostica per Immagini e Radioterapia, presso l’Università “Campus Bio-Medico” di Roma, dall’anno 2011, e direttore dell’Imaging Center del Policlinico del “Campus Bio-Medico”. Ricercatore universitario in Diagnostica per Immagini e Radiologia Interventistica dal 1988, anno in cui ha iniziato ad occuparsi dell’introduzione delle applicazioni informatiche e telematiche in campo medico e radiologico, partecipando, nel corso dei venti anni successivi, a numerosi progetti di ricerca internazionali finanziati dalla Commissione Europea. Più di recente ha condotto la sperimentazione di ambienti di realtà aumentata applicati alla guida di Radiologia Interventistica e di Chirurgia con l’obiettivo di favorire il raggiungimento preciso della sede di intervento. Oggi si occupa di ricerca sull’uso di sistemi robotici e di Intelligenza Artificiale in campo sanitario.

Bruno Beomonte Zobel

Bruno Beomonte Zobel

Prof. Beomonte Zobel è noto che uno dei campi dove l’intelligenza artificiale dà i migliori risultati è l’imaging medico: una volta addestrate su un numero sufficientemente alto di immagini, le reti neurali, le c.d. reti neurali convoluzionali (CNN-Convolutional Neural Network), risultano molto performanti nell’individuare pattern che consentono loro di classificare correttamente determinate patologie. Sappiamo che voi siete stati il primo ospedale europeo ad implementare una soluzione basata su Intelligenza Artificiale, ci spiega cosa avete fatto nell’Imaging Center del “Campus Bio-Medico”?

Il Policlinico del “Campus Bio-Medico” di Roma ha implementato un sistema basato sull’Intelligenza Artificiale per confermare casi di sospetta malattia da Coronavirus, in tempi estremamente ridotti, cosa non da poco in momenti di forte richiesta di assistenza presso le strutture del Servizio Sanitario Nazionale. Lo strumento di analisi automatica effettua una valutazione delle circa 700 immagini, da cui è composta un TAC polmonare, ed è in grado di individuare, con una sensibilità molto elevata, pari al 98,5%, segni di polmonite virale che, durante il corso dell’attuale epidemia, è causata quasi sempre dal COVID-19. L’aspetto più interessante del sistema utilizzato è che, nei casi positivi, conferma il sospetto clinico di COVID-19 e consente l’isolamento dei pazienti e l’inizio della terapia in tempi molto contenuti, circa 20 minuti tra esecuzione della TAC, invio delle immagini, anche da parte di ospedali remoti a noi collegati, e analisi automatica delle stesse. Invece, per ottenere i risultati dell’analisi RT-PCR (Reverse Transcription-Polymerase Chain Reaction, reazione a catena della polimerasi dopo trascrizione inversa), sul materiale prelevato con il tampone naso-faringeo, bisogna aspettare da 5 a 24 ore, a seconda se il laboratorio autorizzato sia nello stesso ospedale o in un altro. Inoltre, quest’ultimo test, sempre necessario perché è l’unico accreditato dall’Organizzazione Mondiale della Sanità per effettuare la diagnosi di COVID-19, in circa il 30 % dei casi risulta negativo alla prima esecuzione, anche se il paziente ha la malattia.

Perché la TAC polmonare è rilevante per la diagnosi della malattia da Sars Cov-2 ?

La polmonite può essere una delle conseguenze più gravi dell’infezione da Coronavirus, ed è essenziale comprendere velocemente se un paziente che arriva al pronto soccorso con febbre e tosse è affetto da polmonite virale o no. Questi stessi sintomi potrebbe averli un paziente ammalato di enfisema che si è complicato con una infezione batterica. La radiografia del torace, soprattutto in pazienti con sintomatologia atipica o meno grave, è molto spesso negativa mentre, nello stesso momento, la TAC polmonare può riconoscere i primi segni di polmonite virale. Ma, oltre a riconoscere la presenza della polmonite virale, l’analisi automatica delle TAC polmonari fornisce anche il volume di compromissione dei polmoni, esprimendolo in centimetri cubici e in percentuale sulla totalità dei polmoni, offrendo quindi allo staff sanitario informazioni importanti per capire in quale fase della malattia COVID-19 si trova il paziente. Sempre più, in tutto il personale medico coinvolto nella pandemia, si sta affermando la convinzione che la malattia debba essere trattata in fase precoce, per bloccare o ridurre gli effetti negativi del passaggio dalla fase della replicazione virale a quella della risposta infiammatoria dell’organismo che, molto spesso, è per così dire eccessiva e si rende responsabile di gravissimi danni a carico non solo dei polmoni ma anche del cuore, dei vasi e del fegato.

L’analisi della TAC polmonare è importante anche nel monitoraggio dei pazienti con Covid-19 confermata dai risultati del tampone RT-PCR ?

Certamente. Come sappiamo bene non esiste una terapia specifica per il COVID-19. Stiamo attendendo i risultati delle sperimentazioni con gli anticorpi neutralizzanti il Sars Cov-2, provenienti sia dai sieri dei pazienti già guariti che prodotti in laboratorio, su animali, con tecniche di ingegneria genetica o con le varie tipologie di vaccini. Nel frattempo, si utilizzano diversi farmaci antivirali aspecifici, alcuni farmaci antimalarici, antibiotici, farmaci che inibiscono la risposta infiammatoria e l’ipercoagulabilità del sangue, oltre alle terapie di supporto con l’ossigeno. La TAC polmonare è molto utile per verificare l’efficacia di questi farmaci soprattutto quando gli altri indicatori clinici non migliorano sensibilmente. Il controllo tra due esami, effettuati a distanza di qualche giorno l’uno dall’altro, può identificare un trend positivo se fornisce una compromissione polmonare con una percentuale inferiore, viceversa nel caso contrario. Un’altra cosa che spesso molti dimenticano è che, soprattutto nei pazienti in cui sono presenti malattie preesistenti, come ipertensione, diabete, broncopatia cronica ostruttiva, insufficienza cardiaca, vengono già assunti diversi farmaci e molti dei farmaci che si utilizzano per curare la malattia da Sars Cov-2 possono creare interazioni con altri farmaci già somministrati a questi pazienti e dare origine a fenomeni di vera e propria tossicità. Quindi, la terapia, nei pazienti con malattie preesistenti, deve essere necessariamente personalizzata e l’uso di esami strumentali a supporto dei dosaggi utilizzati è ritenuta estremamente utile.

Prof B. Zobel mostra il sistema AI per Covid-19 - Imaging Center del Policlinico Campus Bio-Medico

Prof B. Zobel mostra il sistema AI per Covid-19 - Imaging Center del Policlinico Campus Bio-Medico

Stiamo iniziando la cosiddetta fase due dell’infezione da Sars Cov-2. Secondo Lei i rischi maggiori sono passati ?

Dobbiamo essere molto cauti, mantenere il distanziamento e continuare ad indossare i dispositivi di protezione, primi fra tutti le mascherine. Il virus continuerà a muoversi nella popolazione perché, contrariamente a ciò che si è detto nella fase iniziale, vi sono molti soggetti completamente asintomatici che sono in grado di diffondere il virus esattamente come i soggetti sintomatici. Bisognerà comunque identificare i malati sintomatici, e tutti i loro contatti, per isolarli/trattarli non appena vi sarà evidenza di infezione. C’è l’impegno da parte di tutti i servizi sanitari regionali di effettuare un maggior numero di tamponi per la diagnosi con RT-PCR, soprattutto attraverso l’assistenza territoriale. Questa situazione continuerà fino a che non ci saranno terapie specifiche anti COVID-19 o la vaccinazione di massa, per produrre la c.d. immunità di gregge. La realtà italiana, in questo momento, è, inoltre, molto variegata, per quanto riguarda il numero di soggetti che sono entrati in contatto con il virus Sars Cov-2. Vi sono regioni dove il numero di infetti giornalieri è ancora significativo ed altre in cui si contano pochissimi casi. Una recrudescenza dell’infezione, che sicuramente ci sarà, avrà un effetto differente dove il sistema sanitario regionale è poco impegnato con l’assistenza ai pazienti COVID-19 rispetto a quelle dove tutt’ora, nonostante l’enorme calo di pazienti ricoverati, il numero di malati COVID-19 rimane più alto. Non dimen­tichiamoci che l’enorme afflusso di pazienti, che contemporaneamente si sono presentati negli ospedali in cerca di assistenza, in una fase avanzata di malattia, è stata una delle cause della mortalità così elevata che abbiamo registrato nei mesi di Marzo ed Aprile 2020.

Dalla sua nascita nel 1956, l’Intelligenza Artificiale ha subito fondamentalmente due lunghe interruzioni delle attività di ricerca, durate 10 e 20 anni (periodi oggi noti al mondo scientifico come gli Inverni dell’IA). Dopo il secondo lungo inverno, a partire dal 2015/2016, abbiamo assistito alla rinascita dell’IA, soprattutto grazie alle potenzialità applicative basate sulle nuove tecniche di appren­dimento automatico (c.d. Deep Learning e Machine Learning). Si è così generata una vigorosa e rapida diffusione della IA in ogni campo con la conseguenza della nascita di un fattore di “delega” verso questa tecnologia di una parte dei processi decisionali. Su questo fenomeno è nato un largo dibattito di carattere etico in ogni parte del mondo civile. La Fondazione Leonardo è particolarmente impegnata su questo tema ed ha promosso a novembre 2019 una conferenza internazionale sullo statuto etico giuridico dell’IA che ha visto il coinvolgimento dei maggiori esperti, scienziati, giuristi e accademici, alla presenza del Presidente del Consiglio dei Ministri. Attualmente è impegnata a fianco del Ministro dell’Innovazione per elaborare una proposta di “codice di conformità” per l’implementazione dell’IA, in vista della definizione di un sistema di certificazione di sostenibilità etica e giuridica.

La Fondazione Leonardo, considerando la tecnologia “neutra” ritiene indispensabile indirizzare la rivoluzione dell’IA verso una direzione che dia benefici al genere umano sia dal punto di vista individuale che collettivo, in linea con gli indirizzi normativi ed etici, nazionali ed europei, nel rispetto dei valori sociali, culturali e democratici

Prof. Beomonte Zobel è noto che l’introduzione dell’IA negli strumenti avanzati di diagnostica medica ha destato molte perplessità soprattutto per quanto riguarda la delega del medico all’algoritmo di IA nelle decisioni diagnostiche, molti pazienti potrebbero avere delle riserve in merito ad una diagnosi indirizzata da calcoli eseguiti da un algoritmo di rete neurale? La capacità della IA sullo screening imaging è notevole (98,5 % di sensibilità e tempo di analisi di 20 sec per 700 immagini), supera sicuramente le normali prestazioni umane; ma voi medici specialisti come vi ponete di fronte a possibili errori dell’algoritmo?

E’ normale che si generino dei timori di fronte a situazioni completamente nuove ma bisogna subito fare chiarezza. L’Intelligenza Artificiale, nonostante il nome molto accattivante, è in realtà una macchina, realizzata dall’uomo e posta al suo servizio. Per allenare un sistema di Intelligenza Artificiale, all’interpretazioni delle immagini di TAC del torace, sono necessarie non solo migliaia di immagini ma anche che diversi radiologi ne valutino, di volta in volta, i risultati, correggendoli ed aiutando la macchina ad apprendere. Ciò detto il medico non delega all’IA tutta la sua competenza ed esperienza ma solo la soluzione di specifici problemi, spesso ripetitivi, che richiedono una elevata velocità di esecuzione e una certa precisione. Per fare un esempio è come il cardiologo che, dopo la registrazione dell’attività elettrica del cuore, nel corso delle 24 ore, si affida all’analisi automatica del tracciato registrato da parte di un computer, per la ricerca di possibili anomalie, ma non delega a lui la sua responsabilità nel porre la diagnosi e nell’effettuare le scelte terapeutiche. Così il radiologo non si affida ciecamente ad una macchina che pure ha istruito. Nel COVID-19 il risultato della analisi da parte dell’Intelligenza Artificiale viene considerato unitamente con gli altri aspetti clinici della malattia: i sintomi, le analisi del sangue, il monitoraggio dei parametri vitali. Se risulta concordante con questi ultimi verrà preso in considerazione, altrimenti no. Anche nel caso in cui il tampone con RT-PCR risultasse negativo e la IA mettesse in evidenza la presenza sulle immagini TAC di una polmonite virale, troveremo senz’altro in quel paziente alcuni parametri del sangue alterati come una PCR e una VES alta, una linfocitopenia, una piastrinopenia od altro, a conferma del dato fornito dalla IA. In caso contrario la valutazione fornita dalla IA non sarebbe tenuta in alcuna considerazione.

In ogni caso, l’attuale sensibilità del 98,5% potrebbe far emergere problemi di ordine pratico nel caso di applicazione di questa tecnologia su una larga popolazione di pazienti, e di ordine etico relativamente alle conseguenze delle diagnosi non corrette. Quali attività si stanno realizzando per migliorare la sensibilità del sistema? E’ possibile immaginare una interazione continuativa tra i sanitari ed il sistema basato su IA per migliorare le prestazioni complessivamente generate?

In campo medico, dove la variabilità individuale è molto ampia, il valore di sensibilità dimostrata dall’IA, nell’individuazione di alterazioni sulla TAC polmonare, nei pazienti con sospetto di COVID-19, è considerato elevatissimo. Purtroppo la specificità rimane ancora su livelli poco soddisfacenti. Proprio per questa ragione, il rapporto “educativo” tra radiologi e sistema di IA sta proseguendo nel nostro Policlinico, grazie anche all’aiuto dei docenti di Ingegneria informatica della nostra Università, nel tentativo di affinare le capacità di quest’ultimo per aumentarne l’accuratezza. In particolare ci stiamo concentrando sulla ricerca di aspetti caratteristici della polmonite da COVID-19 che, una volta individuati da parte dei radiologi ed “insegnati” al sistema di IA, potrebbero consentire di migliorarne la specificità. Siamo molto fiduciosi di riuscire in questo intento in un futuro abbastanza vicino.

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