Utilizzo dell'analisi AI dei suoni per prevedere lo scompenso dell'insufficienza cardiaca (STEREO)

L'insufficienza cardiaca è una condizione comune in cui il cuore non è in grado di fornire la gittata cardiaca desiderata a causa di un muscolo cardiaco indebolito o rigido. Colpisce più del 2% della popolazione del Regno Unito (l’incidenza è di circa 200.000 casi all’anno), determinando il 5% di tutti i ricoveri ospedalieri di emergenza e consuma circa il 2% del budget annuale del servizio sanitario nazionale (circa 2 miliardi di sterline all’anno). Pertanto, l’insufficienza cardiaca non è solo una delle principali cause di ricovero ospedaliero, ma offre la principale opportunità di ridurre i ricoveri prevenibili.

L’insufficienza cardiaca scompensata acuta (ADHF) è un’emergenza medica che richiede attenzione urgente. Di solito comporta il ricovero ospedaliero e costituisce un fattore importante per i costi sanitari associati. L'ADHF è solitamente caratterizzato da un rapido peggioramento della dispnea a riposo o sotto sforzo a causa di edema polmonare (congestione venosa polmonare) e ritenzione di liquidi con conseguente gonfiore alle gambe, nonché una miriade di altri sintomi tra cui affaticamento, mancanza di appetito e così via.

Il paziente normalmente presenta un'insorgenza graduale o improvvisa dei sintomi tipici (mancanza di respiro, affaticamento e accumulo di liquidi nelle gambe). Dopo la stabilizzazione e il trattamento iniziale dell’ADHF, i pazienti entrano in una fase di plateau in cui il cuore rimane stabile. Tuttavia, nel corso del tempo, la maggior parte dei pazienti manifesta episodi multipli di ADHF che in genere diventano più lunghi e separati da intervalli più brevi. La congestione è correlata all'aumento della pressione cardiaca, solitamente secondario al sovraccarico di volume, che gioca un ruolo centrale nella fisiopatologia, nella presentazione e nella prognosi dell'insufficienza cardiaca. La congestione polmonare è uno dei bersagli diagnostici e terapeutici più importanti nello scompenso cardiaco. Rilevare precocemente la congestione polmonare dovuta al sovraccarico di volume è fondamentale per prevenire un’imminente riospedalizzazione e rappresenta un’opportunità ideale per ottimizzare il trattamento dell’insufficienza cardiaca nella comunità.

Il rilevamento precoce dell’ADHF nella comunità è in definitiva il primo passo per fornire un’assistenza efficace al paziente. Lo scarso riconoscimento dello scompenso cardiaco, dovuto alla moltitudine di sintomi vaghi/non specifici, spesso porta a ritardi nella diagnosi e nel trattamento. Il ritardo tra il paziente che sviluppa sintomi di scompenso SC e la richiesta di assistenza medica è spesso considerevole ed è influenzato dalla velocità di insorgenza e dalla gravità dei sintomi. Pertanto, è necessario uno strumento affidabile e facilmente accessibile per valutare lo stato cronico dei fluidi nei pazienti ambulatoriali per rilevare uno scompenso precoce quando è possibile un intervento appropriato. L'improvviso sviluppo di mancanza di respiro (dispnea) dovuto all'accumulo di liquido nei polmoni (edema polmonare acuto) richiede solitamente un rapido contatto con i servizi medici, mentre la comparsa graduale di gambe e caviglie gonfie (edema periferico) è più probabile che sia associata a ritardi nella ricerca di cure. Il ritardo medio tra la comparsa dei sintomi e il ricovero in ospedale variava da 2 ore a 7 giorni. I sintomi dell’insufficienza cardiaca spesso si sviluppano gradualmente e appaiono non minacciosi, spiegando potenzialmente alcuni dei ritardi osservati nella richiesta di cure.

Negli ultimi anni, diversi studi pilota hanno dimostrato una relazione tra i biomarcatori del linguaggio e l’entità della congestione sistemica e/o polmonare nei pazienti con insufficienza cardiaca. Ad esempio, nel 2017, uno studio su 10 (8 M, 2F) pazienti con insufficienza cardiaca scompensata acuta sottoposti a trattamento ospedaliero con terapia diuretica endovenosa ha mostrato che dopo il trattamento, i pazienti mostravano una percentuale maggiore di voce stridula identificata automaticamente, un aumento della frequenza fondamentale e diminuzione della variazione della prominenza del picco cepstrale, suggerendo che i biomarcatori del linguaggio possono essere indicatori precoci di scompenso cardiaco. Lo studio ha anche dimostrato che la gravità dell’edema correlato allo scompenso cardiaco necessario per modificare in modo misurabile la voce è piccola rispetto alla gravità necessaria per aumentare il peso corporeo, suggerendo che i biomarcatori del linguaggio potrebbero diventare uno strumento non invasivo più efficace per monitorare i pazienti con scompenso cardiaco rispetto al peso giornaliero. . Nel 2021, un altro studio ha valutato la fattibilità dell'analisi del parlato a distanza nella valutazione del sovraccarico di liquidi dinamico nei pazienti con insufficienza cardiaca sottoposti a trattamento emodinamico. Hanno eseguito misurazioni seriali del parlato/voce in 5 pazienti sottoposti a emodialisi. L'analisi è stata effettuata con un'app che non condivide il suo algoritmo AI. Hanno dimostrato differenze statisticamente significative in biomarcatori vocali selezionati a diversi livelli di stato dei liquidi man mano che i pazienti progredivano nel trattamento. Successivamente, nel 2022, un confronto delle registrazioni sonore dei pazienti ricoverati con ADHF il giorno del ricovero e il giorno della dimissione con un campione di 40 pazienti ricoverati con insufficienza cardiaca scompensata acuta ha identificato differenze significative in tutte e 5 le misure del parlato testate registrazioni (ricovero) vs. registrazioni secche (dimissione).

Separatamente, nel 2022, uno studio ha valutato le alterazioni del parlato e delle pause nelle registrazioni vocali di pazienti acuti (N=68) e stabili (N=36) e ha scoperto che il rapporto pause era un aumento del 14,9% nei pazienti con scompenso cardiaco acuto. Hanno anche trovato una correlazione positiva con il livello di NT-Pro-BNP. Un altro studio del 2022 ha esaminato sia le caratteristiche del coefficiente cepstrale di frequenza Mel (MFCC) che le caratteristiche del linguaggio glottale, confrontando un campione di 25 parlanti sani (7F, 18M) e 20 pazienti con scompenso cardiaco di qualsiasi eziologia (indipendentemente dalla LVEF). Dopo la selezione delle caratteristiche, hanno sviluppato modelli predittivi utilizzando quattro diversi metodi di classificazione (SVM, ET, Adaboost e FFNN). Sulla base di una combinazione di MFCC e caratteristiche del parlato glottale, sono stati in grado di prevedere l'ADHF con una precisione compresa tra l'88 e il 94%, con un tasso di veri positivi del 79,47% e un tasso di veri negativi dell'82,69%.

Eseguendo un ampio gruppo di valutazioni cliniche, indagini e questionari basati sui sintomi in uno studio che ha coinvolto fino a 250 pazienti con insufficienza cardiaca, i ricercatori mirano a basarsi sul lavoro recente e a sviluppare una nuova applicazione basata sull'intelligenza artificiale distribuita su un dispositivo intelligente, che può rilevare un aumento della congestione polmonare da sottili cambiamenti nella tosse, nella voce, nella respirazione e nei suoni del torace del paziente. Ciò fornirà informazioni chiave ai pazienti affetti da insufficienza cardiaca e ai loro team clinici, rilevando correttamente il progressivo accumulo di liquidi nei polmoni del paziente prima che il paziente sviluppi sintomi significativi. Il rilevamento della congestione polmonare in fase iniziale consentirà ai medici di indirizzare la terapia in modo più efficace. Si spera che ciò contribuisca a ridurre al minimo e, in definitiva, a prevenire la necessità di ricorrenti ricoveri ospedalieri di emergenza avvisando il paziente di contattare il proprio team (comunitario) per lo scompenso cardiaco e consentendo un trattamento ambulatoriale precoce prima della necessità di essere nuovamente ospedalizzato per entrare nella fase acuta.

In base al successo di questa ricerca, verrà quindi intrapreso uno studio clinico interventistico prospettico, per testare i vantaggi clinici e operativi dello strumento di intelligenza artificiale derivato da questa ricerca sulla cura dello scompenso cardiaco del sistema sanitario nazionale, aprendo la strada all'eventuale adozione di tali soluzioni nella pratica clinica di routine.