Intelligenza artificiale in ecocardiografia

L'ecocardiografia è uno strumento comune ed essenziale nella diagnosi delle malattie cardiovascolari. Utilizzando gli ultrasuoni, questa tecnica consente la valutazione non invasiva della funzione cardiaca, compresa la funzione sistolica, la funzione diastolica, la quantificazione della camera cardiaca e la diagnosi e la quantificazione delle anomalie valvolari. L'uso dell'ecocardiografia è aumentato ogni anno; oltre 7 milioni di ecocardiogrammi sono stati eseguiti nel 2011 nella sola popolazione Medicare. Le malattie cardiovascolari rimangono la principale causa di morte in tutto il mondo e consentire un uso diffuso dell'ecocardiografia potrebbe comportare una diagnosi e un trattamento precoci delle malattie cardiovascolari e una potenziale riduzione delle disparità sanitarie.

La procedura di un ecocardiogramma richiede prima l'acquisizione dell'immagine, seguita dall'analisi e dall'interpretazione dell'immagine. L'acquisizione delle immagini viene tradizionalmente eseguita da ecografisti cardiaci (tecnici) o medici. La revisione e l'interpretazione delle immagini viene eseguita da medici specialisti, in genere cardiologi o radiologi. Ogni fase del processo richiede storicamente un alto livello di formazione e attrezzature specializzate che ne limitano l'uso in aree con risorse insufficienti. Tuttavia, dato l'elevato livello di competenza richiesto per utilizzare questa apparecchiatura, rimane la necessità di tecnologie aggiuntive per aiutare nell'acquisizione e nell'interpretazione dell'imaging. Con il miglioramento della tecnologia degli ultrasuoni, tuttavia, i costi e le dimensioni delle apparecchiature sono diminuiti e l'uso degli ultrasuoni al posto letto per guidare il processo decisionale clinico è diventato sempre più comune. Questa ecografia al letto del paziente è focalizzata su domande specifiche, come la diagnosi di un versamento pleurico o pericardico, e può essere facilmente insegnata ai non esperti.

Uno dei potenziali strumenti per superare queste limitazioni è l'intelligenza artificiale (AI). L'intelligenza artificiale è l'uso di programmi per computer per imitare la funzione cognitiva della mente umana al fine di apprendere e risolvere problemi. L'ecocardiologia è un campo particolarmente maturo che può beneficiare dell'uso dell'intelligenza artificiale. A causa delle differenze anatomiche e delle situazioni cliniche dinamiche, il processo di acquisizione e analisi delle immagini può variare notevolmente tra i pazienti. Sebbene i semplici algoritmi informatici non riescano a integrare queste differenze, l'intelligenza artificiale può consentire l'acquisizione e l'analisi di immagini assistite da macchine. Negli ultimi anni sono stati condotti numerosi studi sull'analisi computerizzata dell'ecocardiografia. L'uso di questa tecnologia può accelerare l'acquisizione di immagini ecocardiografiche, ridurre la quantità di formazione necessaria per acquisire e analizzare le immagini, migliorare la qualità diagnostica e ridurre la variabilità interosservatore nell'analisi delle immagini ecocardiografiche.

Integrando l'acquisizione e l'analisi delle immagini assistite dall'intelligenza artificiale con la tecnologia a ultrasuoni, potrebbe essere possibile per gli operatori minimamente addestrati nelle aree meno servite utilizzare l'ecocardiografia per diagnosticare con precisione le malattie cardiovascolari.

Questo studio sarà supervisionato dal laboratorio di ecocardiografia e dal programma di residenza in medicina interna presso il dipartimento di medicina del NewYork Presbyterian Columbia University Medical Center. Lo studio si svolgerà sui servizi di reparto di cardiologia ospedaliera residente medico che sono principalmente ospitati nel reparto sud del Milstein Hospital 5 Garden. I soggetti principali dello studio sono i medici specializzandi del Dipartimento di Medicina che ruotano attraverso i servizi del reparto di cardiologia ospedaliera.

Durante questo studio, i residenti medici seguiranno una sessione di formazione che li introdurrà ai concetti di base dell'ecocardiografia e all'uso del sistema ecografico AI per ecocardiologia Bay Labs o di un sistema di ecocardiografia standard (una macchina per ecocardiografia Terason nativa). In questo protocollo, le immagini ecocardiografiche che ottengono utilizzando questi strumenti saranno chiamate "ecocardiogramma di studio". Ciò è in contrasto con un "ecocardiogramma formale" che viene eseguito da ecografisti cardiaci, borsisti di cardiologia o assistenti di cardiologia e analizzato da assistenti di cardiologia specializzati in ecocardiografia. I residenti medici utilizzeranno il sistema Bay Labs o il sistema nativo Terason per eseguire ecocardiogrammi su pazienti ricoverati nei team di reparto di cardiologia che sono stati sottoposti o si prevede di sottoporsi a un ecocardiogramma formale entro 1 giorno dall'ecocardiogramma dello studio. Gli obiettivi espliciti di questo progetto sono (1) determinare se è possibile per i residenti medici in quanto utenti inesperti acquisire e interpretare immagini ecocardiografiche e (2) se l'uso del sistema Bay Labs aiuta nell'istruzione rispetto al sistema standard. L'ecocardiogramma di Bay Labs eseguito nell'ambito di questo studio non è approvato dalla FDA per aiutare nel processo decisionale clinico e, pertanto, i risultati degli ecocardiogrammi dello studio non verranno utilizzati per modificare la gestione clinica.

Ci sono un totale di 4 team residenti di cardiologia nei reparti di cardiologia ospedaliera e i team sono designati utilizzando un sistema di lettere: A, B, C e D. Ciascuno di questi team è composto da un medico residente del primo anno e un terzo residente medico di anni. Le squadre A e C formano una diade di squadra e le squadre B e D formano una seconda diade di squadra. Le squadre sono coperte di notte da una squadra separata di residenti medici. Ogni diade è principalmente supervisionata da una coppia di assistenti di cardiologia che sovrintendono alla cura dei pazienti cardiaci generali. Oltre al servizio di assistenza cardiologica, le équipe possono gestire i pazienti in cura da cardiologi dello scompenso cardiaco o da altri cardiologi privati. Ogni squadra può trasportare un totale di 10 pazienti. La struttura di accettazione delle équipe consente l'accesso ai servizi di reparto di cardiologia di 7 nuovi pazienti ogni 24 ore. Durante la giornata possono essere ricoverati 3 pazienti nell'équipe a chiamata lunga e 1 paziente nell'équipe a chiamata breve. Di notte, 3 pazienti possono essere ricoverati nell'équipe notturna (chiamata lunga).

Prima dell'inizio dello studio, verrà creato un programma in cui ogni blocco di rotazione del reparto di cardiologia ospedaliero di 4 settimane verrà assegnato per utilizzare la tecnologia Bay Labs o il sistema nativo Terason. All'inizio della rotazione del reparto di degenza di cardiologia, i residenti medici saranno contattati per acconsentire a prendere posto nello studio. I residenti medici che acconsentono allo studio saranno sottoposti a un pre-test che chiede loro del loro comfort con l'esecuzione e l'interpretazione dell'ecocardiografia. Seguiranno quindi una sessione di formazione che li introdurrà alle basi dell'ecocardiografia, al protocollo di studio e al funzionamento del sistema di ecocardiografia Bay Labs o del sistema di ecocardiografia nativo Terason. Dopo aver ricevuto questa formazione, potranno iniziare a eseguire ecocardiogrammi nello studio.

Ogni mattina, ogni residente medico potrà designare tra 1-3 pazienti sul proprio servizio per sottoporsi a un ecocardiogramma. I criteri di inclusione ed esclusione sono elencati nel protocollo. I pazienti saranno avvicinati da un investigatore o assistente di ricerca per acconsentirli allo studio. I partecipanti verranno quindi sottoposti a un ecocardiogramma eseguito dai residenti medici e le immagini verranno archiviate per un'analisi successiva. Dopo ogni ecocardiogramma, i residenti medici compileranno un breve modulo che documenta l'ecocardiogramma. Le domande su questo modulo includeranno dati demografici, caratteristiche cliniche, aspetti tecnici relativi al test (ad esempio se è possibile ottenere viste specifiche) e porranno domande di base sulla funzione cardiaca stimata dall'operatore che è stata osservata durante il test.

Al termine della rotazione, i residenti partecipanti effettueranno un post-test sul loro comfort con l'esecuzione e l'interpretazione dell'ecocardiografia. A loro verrà offerta l'opportunità di fornire un feedback sullo studio. Ai residenti medici verrà offerto un feedback sui loro ecocardiogrammi durante e dopo il periodo di studio per aiutare nell'apprendimento.

Dopo la fine del periodo di studio, i dati saranno analizzati. I risultati del pre-test e del post-test saranno analizzati per determinare se i residenti medici hanno migliorato la loro conoscenza dell'ecocardiografia durante la rotazione. Gli ecocardiogrammi saranno analizzati e confrontati con gli ecocardiogrammi formali dagli investigatori dello studio e dagli ecocardiografi presenti per determinare se è possibile ottenere le viste dell'immagine designate, il tempo necessario per ottenere le immagini e la qualità delle immagini rispetto all'ecocardiogramma formale. Verrà confrontata la funzione sistolica del ventricolo sinistro osservata visivamente dai residenti medici durante l'ecocardiogramma dello studio, l'autoEF calcolato dal software Bay Labs in quei pazienti in quei gruppi e la frazione di eiezione ventricolare sinistra dall'ecocardiogramma formale.

Questo studio non rappresenta altro che un rischio minimo per i pazienti arruolati. Il test stesso (un ecocardiogramma transtoracico) non è invasivo e non ha esposizione alle radiazioni. Inoltre, alle équipe mediche sarà vietato prendere decisioni cliniche basate sull'ecocardiogramma di Bay Labs che sarà invece basato sull'ecocardiogramma formale. Alla fine dello studio, i dati saranno permanentemente anonimizzati.