IT202100021806A1 - Sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
SISTEMA DI DIAGNOSI E PROGNOSI DELLO SCAMBIO VENTILAZIONE-PERFUSIONE NELLA RESPIRAZIONE DI UN PAZIENTE
Settore Tecnico dell?Invenzione
La presente invenzione ? relativa in generale al campo della biomeccanica respiratoria per la diagnosi veloce ed accurata di pazienti che presentano problematiche respiratorie bronchiali ed alveolari e per coadiuvare gli operatori clinici nell?ottimizzazione dei dispositivi medicali in reparti medici, aree di terapia intensive e telemedicina.
In particolare la presente invenzione ? relativa ad un sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente.
Stato dell?Arte
Come ? noto, la simulazione dei pattern respiratori di pazienti che presentano insufficienze respiratorie od organi respiratori patofisiologici ? attualmente effettuata utilizzando tecniche quali, ad esempio, tomografia al computer (TAC), risonanza magnetica nucleare (RMN) o tecniche radiologiche quali tomografia ad emissione di positroni (Positron Emission Tomography, PET) e tomografia a emissione di fotone singolo (Single-Photon Emission Computed Tomography, SPECT), in modo tale da ricostruire la geometria polmonare del paziente nelle diverse fasi del ciclo respiratorio; inoltre, al fine di quantificare le resistenze aeree e i blocchi dentro la trachea, i bronchi e bronchioli, sono inoltre impiegate simulazioni al computer dell?aerodinamica polmonare di un paziente.
In particolare, ? nota la possibilit? di ricostruire la geometria dei polmoni ad un livello di risoluzione dettato dalla risoluzione dell?immagine acquisita secondo una delle sopracitate tecniche, ad esempio e preferibilmente la TAC; conseguentemente, l?accuratezza geometrica dei polmoni (in particolare, delle vie aeree e del parenchima) ? inferiore alla risoluzione dell?immagine acquisita tramite i metodi tomografici convenzionali.
Ne consegue che la ricostruzione geometrica ? attualmente utilizzata in tandem con simulazioni al calcolatore per quantificare il passaggio di aria nelle vie grandi e piccole dei polmoni del paziente per acquisire informazioni sulla presenza di patologie polmonari. Lo stato respiratorio dei pazienti ad esempio con deficit di ossigenazione e conseguenti patologie polmonari ? quindi valutato in base a simulazione di fluidodinamica computazionale; in questo modo, i pattern ventilatori sono ricostruiti all?interno delle regioni visibili dall?immagine radiologica in modo da quantificare le resistenze ventilatorie locali al passaggio di aria.
? tuttavia noto che molte patologie polmonari impattano sugli alveoli, zone terminali del apparato respiratorio, e, quindi, gli attuali metodi non sono in grado di quantificare il flusso di aria e di ossigeno nelle vie aeree e nei condotti alveolari. Inoltre, gli attuali metodi non sono in grado di quantificare lo scambio di ossigeno (O2) e biossido di carbonio (comunemente noto come anidride carbonica, CO2) tra gli alveoli e i capillari sanguigni. Inoltre, i metodi attualmente noti non considerano le possibili alterazioni dello stato alveolare, nonch? la diffusione di ossigeno dagli alveoli al sistema cardiovascolare e ai capillari.
Di recente, sono stati elaborati metodi, implementati da relativi sistemi, che si basano su approssimazioni atte a consentire la quantificazione della ventilazione e dello scambio gassoso nei polmoni di un paziente; tuttavia, tali metodi non considerano la morfologia locale delle vie aeree e la copertura locale di aria che afferisce alle diverse zone dei polmoni; in generale, tali metodi sono denominati come metodi di singola scala. Tuttavia, il passaggio di aria e gli scambi gassosi negli alveoli polmonari sono da intendersi come parte di un processo multi-scala, in cui ? presente una stretta connessione tra la morfologia bronchiale, la copertura aerea dei polmoni, la distribuzione regionale di lesioni polmonari (ad esempio, quelle causate da polmonite interstiziale), edema, e la possibile sovrapproduzione di muco; pertanto, questi elementi collegano direttamente l?anatomia e morfologia polmonare con gli scambi gassosi nel sistema cardiovascolare di un paziente.
Alcuni dei metodi attualmente disponibili sono utilizzati come dispositivi diagnostici; tuttavia, gli attuali metodi non considerano l?alterazione dello stato alveolare e come il bilancio dei livelli gassosi tra alveoli e capillari evolve su un arco di tempo di giorni e/o di anni, i quali consentono di avere un?applicazione efficace per la predizione delle patologie respiratorie. In aggiunta, i metodi attualmente a disposizione non tengono conto degli effetti dovuti agli apparati clinici usati per la terapia ad ossigeno, quali ad esempio maschere di Venturi, NIP, ventilazione meccanica invasiva e trattamento farmacologico, apparati che hanno un impatto diretto sulle condizioni respiratorie del paziente e sull?efficacia terapeutica.
Infine, i metodi attualmente disponibili che effettuano un?analisi funzionale polmonare tramite post-processazione (post-processing) digitale delle immagini tomografiche richiedono diversi giorni per l?elaborazione dei dati; tale tempistica risulta incompatibile con l?uso di tali metodi in situazioni di emergenza medica e nei reparti di terapia intensiva, in cui una rapida risposta diagnostica ? necessaria per l?applicazione di opportuni protocolli clinici e di modalit? operative di medicina interna o dei dispositivi medici opportune. Ne deriva quindi una difficile applicabilit?, in quanto tali metodi comportano una scarsa e nessuna efficacia nel fornire il quadro diagnostico o scenari prognostici sulla salute respiratoria del paziente e della progressione della malattia polmonare sotto condizioni di respirazione naturale o artificiale. Per la stessa ragione l?uso dei metodi suddetti per un monitoraggio continuo e frequente dei pazienti stabili cronici risulta problematico.
Infine, per analizzare la somministrazione di farmaci respiratori, quali aerosol, nonch? l?effetto di inquinanti e di fumo di sigaretta, i metodi sopra elencati non risultano idonei per effettuare una procedura in modo automatico e veloci in condizioni di generalit? respiratorie e con dati paziente-specifici che ricopra sia le vie aeree che le zone parenchimali.
Oggetto e Riassunto dell?Invenzione
La Richiedente ha osservato che, alla luce dei suddetti svantaggi dei suddetti metodi noti, tali attuali metodi possono essere oggetto di significativi miglioramenti, in particolare al fine di essere implementato in un sistema per la diagnosi e la prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente automatizzato e con tempi di risposta brevi, ovvero ottimizzato.
Scopo della presente invenzione ? quindi mettere a disposizione un sistema per la diagnosi e la prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente che superi gli inconvenienti della tecnica nota.
Secondo la presente invenzione viene messo a disposizione un sistema per la diagnosi e la prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente, come rivendicato nelle rivendicazioni allegate.
Breve Descrizione dei Disegni
La Figura 1 mostra schematicamente un sistema per la diagnosi e la prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente.
La Figura 2 mostra schematicamente una prima modalit? di un metodo implementato da un sistema per la diagnosi e la prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente secondo un aspetto della presente invenzione.
La Figura 3 mostra schematicamente una ulteriore fase del metodo mostrato in Figura 2.
La Figura 4 mostra schematicamente una seconda modalit? di un metodo implementato da un sistema per la diagnosi e la prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente secondo un aspetto della presente invenzione.
La Figura 5 mostra schematicamente una modalit? di implementazione della prima oppure della seconda modalit? mostrate rispettivamente nelle Figure 2 e 4.
Descrizione di Preferite Forme di Realizzazione dell?Invenzione
La presente invenzione verr? ora descritta in dettaglio con riferimento alle figure allegate per permettere ad una persona esperta di realizzarla ed utilizzarla. Varie modifiche alle forme di realizzazione descritte saranno immediatamente evidenti alle persone esperte ed i generici principi descritti possono essere applicati ad altre forme di realizzazione ed applicazioni senza per questo uscire dall?ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate. Pertanto, la presente invenzione non deve essere considerata limitata alle forme di realizzazione descritte ed illustrate, ma gli si deve accordare il pi? ampio ambito protettivo conforme con le caratteristiche descritte e rivendicate.
Ove non definito in altro modo, tutti i termini tecnici e scientifici qui utilizzati hanno lo stesso significato comunemente utilizzato da persone di ordinaria esperienza nel settore di pertinenza della presente invenzione. In caso di conflitto, la presente descrizione, comprese le definizioni fornite, risulter? vincolante. Inoltre, gli esempi sono forniti a puro scopo illustrativo e come tali non devono essere considerati limitanti.
In particolare, gli schemi a blocchi inclusi nelle figure allegate e descritti in seguito non sono da intendersi come rappresentazione delle caratteristiche strutturali, ovvero limitazioni costruttive, ma devono essere interpretati come rappresentazione di caratteristiche funzionali, propriet? cio? intrinseche dei dispositivi e definite dagli effetti ottenuti ovvero limitazioni funzionali e che possono essere implementate in modi diversi, quindi in modo da proteggere le funzionalit? dello stesso (possibilit? di funzionare).
Al fine di facilitare la comprensione delle forme di realizzazione qui descritte, si far? riferimento ad alcune specifiche forme di realizzazione e un linguaggio specifico sar? utilizzato per descrivere le stesse. La terminologia utilizzata nel presente documento ha lo scopo di descrivere solo particolari realizzazioni, e non ? destinata a limitare l'ambito della presente invenzione.
In particolare, il presente sistema per la diagnosi e la prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente secondo un aspetto della presente invenzione ? impiegato per la diagnosi e la prognosi dei livelli di gas arterioso come sostituto del test di emogasanalisi (EGA); in dettaglio, la presente invenzione si applica vantaggiosamente per l?analisi dei livelli di O2 e CO2 in pazienti sottoposti ad un?acquisizione di immagini radiologiche e/o tomografiche e la cui storia clinica, in particolare dati clinici precedenti, contemporanei o successivi al momento dell?acquisizione radiologica, sia eventualmente disponibile al presente sistema per la diagnosi e la prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente per la valutazione preventiva delle condizioni respiratorie del paziente.
Il presente sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 comprende:
- un sistema di acquisizione di immagini 2 progettato per acquisire immagini di una porzione del torace del paziente e per generare relativi dati; e
- una o pi? risorse informatiche di elaborazione e memorizzazione 3 collegate al sistema di acquisizione di immagini 2.
In particolare, il presente sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazioneperfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per:
- acquisire (blocco 4) immagini attraverso il sistema di acquisizione di immagini (2), di una porzione del torace del paziente;
- elaborare (blocchi 7-18) attraverso l?una o pi? risorse informatiche di elaborazione e memorizzazione 3 i dati generati dal sistema di acquisizione di immagini 2 per determinare una predizione relativamente allo scambio ventilazione-perfusione nella respirazione del paziente.
Secondo un aspetto della presente invenzione, il sistema di acquisizione di immagini 2 ? un macchinario implementante una delle suddette tecniche di acquisizione di immagini, ad esempio TAC o RMN. Pertanto, secondo un aspetto della presente invenzione, il sistema di acquisizione di immagini 2 ? progettato per acquisire preferibilmente immagini radiologiche, indicate nel seguito anche come tomografiche con riferimento a sistemi di acquisizione di immagini 2 del tipo TAC o simili, dell?apparato respiratorio del paziente.
Secondo un aspetto della presente invenzione, l?una o pi? risorse informatiche di elaborazione e memorizzazione 3 sono risorse concentrate, ad esempio un elaboratore. Secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione, l?una o pi? risorse informatiche di elaborazione e memorizzazione 3 sono risorse distribuite, ad esempio, sui nodi di una rete informatica (network), ad esempio implementante il paradigma di cloud computing.
In particolare, secondo una prima modalit? di utilizzo della presente invenzione, mostrata schematicamente nelle Figure 2 e 3, l?una o pi? risorse informatiche di elaborazione e memorizzazione 3 sono progettate per:
- simulare il flusso di aria e di ulteriori fasi, quali muco, a mezzo di un modello matematico, ad esempio impiegando l?equazione del moto di Navier-Stokes, come descritto in maggior dettaglio nel seguito;
- determinare i livelli di O2 e CO2 nell?apparato respiratorio del paziente a mezzo di un modello matematico per i gas alveolari, ad esempio di equazioni dei gas alveolari;
- predire l?andamento di scambi ventilatori nell?apparato respiratorio del paziente attraverso ad esempio algoritmi di apprendimento automatico (Machine Learning, ML), quali, ad esempio, Deep Learning, oppure attraverso algoritmi di intelligenza artificiale (Artificial Intelligence, AI), indicati per semplicit? di descrizione nel seguito come algoritmo predittivo, in funzione della simulazione del flusso di aria e di ulteriori fasi; e
- valutare lo scambio ventilazione-perfusione nella respirazione del paziente in funzione dei livelli di O2 e CO2 determinati e della predizione dell?andamento degli scambi ventilatori nell?apparato respiratorio del paziente.
Si noti che, secondo un aspetto della presente invenzione, l?algoritmo predittivo ? progettato per ricevere ulteriori dati per la fase di predizione, quali, ad esempio, dati clinici relativi alla storia clinica del paziente, come anche descritto in maggior dettaglio nel seguito.
Secondo una seconda modalit? di utilizzo, mostrata schematicamente in Figura 4, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per predire lo stato ventilatorio del paziente sulla base di dati radiologici ottenuti a partire dalle immagini acquisite dal sistema di acquisizione di immagini 2 ed eventuali dati funzionali. In altre parole, secondo la seconda modalit? di utilizzo, la fase di simulazione ? assente ed ? interamente sostituita dalle funzionalit? dell?algoritmo predittivo.
Si noti che, con riferimento alla Figure 2 e 4, fasi di metodo implementate dal presente sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione di un paziente 1 sono indicate con i medesimi numeri di riferimento e, pertanto, le medesime considerazioni sono ritenute valide in entrambe le modalit? operative del presente sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione di un paziente 1. Con riferimento alle Figure 2 e 4, il presente sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per:
- segmentare le immagini precedentemente acquisite a mezzo dell?una o pi? risorse informatiche di elaborazione e memorizzazione 3, in modo da riconoscere e segmentare l?apparato respiratorio in modo da suddividerlo in una pluralit? di regioni; e
- estrarre una o pi? regioni di interesse dalla pluralit? di regioni ottenute dalla fase di segmentazione delle immagini acquisite.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per segmentare le immagini precedentemente acquisite relativamente all?apparato respiratorio in modo da segmentare anche la porzione superiore dell?apparato respiratorio.
Inoltre, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per analizzare l?una o pi? regioni di interesse in modo da identificare e analizzare la struttura tridimensionale dell?apparato respiratorio; in tal caso, il sistema diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per identificare ed analizzare la pleura viscerale, i lobi polmonari, le strutture esterne ed interne delle vie aeree superiori ed inferiori, i bronchi, i bronchioli fino ad un livello profondo della generazione bronchiale, dell?apparato respiratorio del paziente, in particolare quando l?apparato respiratorio del paziente presenta lesioni polmonari, quali enfisemi, microelementi nodulari e microemboli, o un riempimento di liquido polmonare e consolidamenti.
Inoltre, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per convertire l?una o pi? regioni di interesse ottenute dalle immagini acquisite in modo da ricostruire, preferibilmente e vantaggiosamente tridimensionalmente, l?organo di interesse o porzioni di questo; nel presente caso, si considera l?apparato respiratorio o porzioni di esso. A tal proposito, nel caso dell?apparato respiratorio, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per:
- tesselare (blocco 5), ad esempio tridimensionalmente, porzioni dell?apparato respiratorio in esame, ad esempio i condotti aerei, individuate nell?una o pi? regioni di interesse sottoforma di elementi poligonali (ad esempio, triangoli, quadrati, etc.);
- generare un reticolo (mesh) computazionale in funzione della fase di tesselazione eseguita.
In particolare, la fase di tesselare porzioni dell?organo in esame ? eseguita in modo tale che siano assenti sovrapposizioni tra elementi poligonali. Le porzioni di organo vengono inizialmente identificate, a mezzo dell?una o pi? risorse informatiche di elaborazione e memorizzazione 3, tramite algoritmi di riconoscimento di zone compatte, quali gli algoritmi Region Growing o Watershed, o in alternativa da algoritmi di intelligenza artificiale addestrati per il riconoscimento di porzioni riconoscibili dell?organo. Secondo un aspetto della presente invenzione, nel seguito si considera che gli elementi poligonali delle porzioni di organo siano generati utilizzando algoritmi quali l?algoritmo Marching Cubes.
Inoltre, la fase di generazione del reticolo computazionale in funzione della fase di tesselazione eseguita ? eseguita in modo da tener conto della connettivit? topologica tra elementi poligonali tramite riconoscimento di contiguit? degli elementi che formano le porzioni dell?organo di interesse.
In particolare, il reticolo computazionale riproduce le porzioni di interesse dell?organo in esame, in particolare i tessuti esterni ai lobi polmonari e tutte le vie aeree identificabili dall?immagine (trachea, bronchi e bronchioli) nel caso dell?apparato respiratorio. Inoltre, le porzioni della superficie identificata dal reticolo computazionale, in particolare le regioni di interesse dell?una o pi? regioni di interesse contenenti le vie aeree nell?apparato respiratorio, sono considerate come parti cave.
Secondo un aspetto della presente invenzione, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per eseguire le suddette fasi di tesselazione e generazione di un reticolo computazionale per individuare vasi sanguigni osservabili a partire dalle immagini acquisite in precedenza, in particolare considerando la struttura capillare, eventualmente evidenziata tramite l?iniezione di mezzi di contrasto radiologici.
Si noti che le regioni polmonari dell?apparato respiratorio di un paziente acquisite sotto forma di immagini da parte del sistema di acquisizione di immagini 2 non sono immediatamente visibili, in quanto tipicamente appartengono a regioni parenchimali ricche di zone alveolari; pertanto, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazioneperfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per individuare tali regioni polmonari in fase di analisi come regioni alveolari, ovvero appartenenti alle regioni di interesse selezionate dalla pluralit? di regioni. Conseguentemente, secondo un aspetto della presente invenzione, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per identificare le regioni alveolari e, quindi, le regioni polmonari come strutture volumetriche comprendenti elementi geometrici, quali cubi, parallelepipedi e tetraedri, che formano il reticolo computazionale di natura ad esempio volumetrica all?interno delle regioni alveolari cos? identificate.
In particolare, secondo un aspetto della presente invenzione, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per ricostruire tridimensionalmente la struttura dell?apparato respiratorio del paziente. In particolare, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazioneperfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per:
- ricostruire tridimensionalmente i vasi sanguigni dell?apparato respiratorio del paziente; e
- usare tale ricostruzione al fine di corredarla a dati ventilatori relativi all?apparato respiratorio del paziente in base ad informazioni cardiocircolatorie, quali la presenza di microtrombi, emboli ed altre condizioni emodinamiche locali nonch? ulteriori tipologie di dati, quali meta-informazioni relative ad esempio alla cartella clinica del paziente.
Secondo un aspetto della presente invenzione, le informazioni cardiocircolatorie fornite possono essere impiegate dal sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazioneperfusione nella respirazione di un paziente 1 al fine di definire un modello sintetico perch? l?una o pi? risorse informatiche di elaborazione e memorizzazione 3 possano effettuare simulazioni del sangue nel sistema circolatorio dell?apparato respiratorio del paziente.
Con riferimento al blocco 6 delle Figure 2 e 4, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per assegnare dati biomeccanici a porzioni di ciascun organo di interesse, ad esempio alle vie aeree e delle regioni alveolari identificate nelle immagini acquisite in precedenza (blocco 4); in particolare, tali dati biomeccanici sono indicativi sia delle immagini acquisite dal sistema di acquisizione di immagini 2 sia dell?eventuale storia clinica relativa alle condizioni del paziente, presenti contemporaneamente e/o successivamente alla fase di acquisizione delle immagini.
In maggior dettaglio, nel caso dell?apparato respiratorio, i dati biomeccanici sono relativi a propriet? alveolari dell?apparato respiratorio del paziente e includono, ad esempio, parametri relativi alla risposta elastica e non-elastica dei tessuti (per pazienti sani o per pazienti con enfisema, fibrosi o altre patologie simili), la presenza di ulteriori fasi, quali muco, edemi, effusioni, le condizioni di shunt e di bronchiectasia; pertanto, i dati biomeccanici sono associati ad ogni regione polmonare, in particolare in termini di permeabilit? di aria nelle regioni disponibile allo scambio gassoso con il sistema circolatorio sanguigno. In altre parole, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per identificare come sane oppure non sane le regioni alveolari, identificate come zone di interesse, cos? che, nella fase di ricostruzione tridimensionale, tali regioni alveolari siano individualmente classificate come attive, inattive o parzialmente attive per lo scambio gassoso in base alla severit? della patologia.
Inoltre, nel caso dell?apparato respiratorio, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per impiegare le vie aeree e le regioni alveolari identificate per la costruzione del reticolo computazionale, il quale identifica sia zone polmonarie sia zone alveolari.
Con riferimento alla Figure 2 e 3, viene ora descritta in maggiore dettaglio la prima modalit? implementata dal presente sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1. In particolare, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per elaborare il reticolo computazionale ottenuto in precedenza in modo da simulare i flussi di aria e di ulteriori fasi, quale muco, nell?apparato respiratorio del paziente, poste opportune condizioni al contorno; in particolare, la fase di elaborazione, eseguita dall?una o pi? risorse informatiche di elaborazione e memorizzazione 3, del reticolo computazionale ? realizzata a mezzo di fluidodinamica computazionale, anche nota con l?acronimo FDC e descritta in maggior dettaglio nel seguito.
In particolare, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1, in particolare l?una o pi? risorse informatiche di elaborazione e memorizzazione 3 ? inoltre progettato per simulare il flusso di aria e di ulteriori fasi a mezzo di un modello matematico eseguendo le seguenti operazioni:
- ricevere le immagini acquisite ed elaborate in precedenza nonch? i dati biomeccanici e condizioni al contorno forniti al medesimo sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1:
- eseguire (blocco 7) un?elaborazione delle immagini acquisite in precedenza in funzione delle condizioni al contorno e dei dati biomeccanici precedentemente forniti al medesimo sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1; e
- generare (blocco 8) una simulazione del flusso di aria e di ulteriori fasi, quali muco, nell?apparato respiratorio di un paziente, in particolare impiegando la FDC.
In dettaglio, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1, in particolare l?una o pi? risorse informatiche di elaborazione e memorizzazione 3, ? progettato per:
- applicare il modello matematico, ad esempio basato sull?equazione del moto di Navier-Stokes, ad un sistema multi-fase comprendente aria ed ulteriori fasi, quale muco, per quantificare il moto di fluidi nel apparato respiratorio di un paziente; e
- determinare una simulazione di un flusso del sistema multi-fase in funzione del moto dei fluidi nel apparato respiratorio del paziente precedentemente determinato.
In particolare, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1, in particolare l?una o pi? risorse informatiche di elaborazione e memorizzazione 3, ? progettato per impiegare la FDC per effettuare simulazioni dell?aerodinamica che riproduca il moto dei fluidi; oltre a questo, nel caso dell?apparato respiratorio del paziente, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per considerare anche la dinamica concomitante di ulteriori fasi, quali muco, aerosol o particelle sospese all?interno dei polmoni o vie aeree del apparato respiratorio del paziente. In maggior dettaglio, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per impiegare la FDC secondo diverse modalit?, in particolare come modello di singola fase di aria nei condotti aerei oppure come fluido multi-fase per il sistema composto da pi? fasi; in particolare, nel seguito si fa riferimento ad un sistema multi-fase comprendente aria e muco.
Si noti che la fluidodinamica dell?aria obbedisce all?equazione del moto di Navier-Stokes per flussi debolmente comprimibili, come accade ad esempio durante l?atto respiratorio, debitamente modificate per tenere conto sia della presenza di spazio morto fisiologico sia di zone tessutali che partecipano allo scambio gassoso nel medesimo apparato respiratorio. Considerato ogni punto spaziale r e il tempo t del apparato respiratorio del paziente acquisito come immagine, si riporta di seguito l?Equazione (1), ovvero l?equazione del moto di Navier-Stokes:
Dove:
- ???, ?? ? la densit? locale di massa d?aria (kg/m<3>);
- ??, ?? ? la velocit? dell?aria (m/s);
- ???, ?? ? la pressione locale (Pa);
- ???, ?? ? la viscosit? dinamica locale(kg/(m?s));
- g ? la forza di gravit? (m/s<2>); e
- ???, ?? ? un coefficiente che tiene conto della presenza di un mezzo poroso locale (s<-1>).
In particolare, il termine dell?Equazione (1) comprende coefficienti specifici delle vie aeree, del parenchima e di zone dei polmoni in cui siano presenti effusioni, lesioni interstiziali o altre sostanze presenti nel polmone; in particolare, il termine ???, ??, essendo in funzione della posizione r e del tempo t, consente di poter considerare le specificit? di ogni porzione dell?apparato respiratorio di un paziente. A titolo esemplificativo, il termine ?<?>?, ?<? >? pari a zero nelle vie aree e non nullo nelle altre zone dell?apparato respiratorio del paziente.
Secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione, il termine ???, ?? consente di tenere conto anche della memoria del apparato respiratorio in modo da considerare la possibilit? di una risposta viscoelastica del medesimo apparato respiratorio.
Secondo un aspetto della presente invenzione, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per impiegare l?Equazione (1) per modellizzare un modello di turbolenza per tenere conto dei movimenti caotici dell?aria nei condotti maggiori, quali la trachea. Analogamente, , il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per impiegare l?Equazione (1) per contemplare, secondo un aspetto della presente invenzione, un modello di turbolenza in parete per migliorare l?efficacia computazionale dell?una o pi? risorse informatiche di elaborazione e memorizzazione 3 e garantire la fedelt? del modello alla condizione fisica del apparato respiratorio del paziente.
In caso di sistemi multifase di tipo aria-muco, quale l?apparato respiratorio di un paziente, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per associare le propriet? viscoelastiche delle fasi considerate al moto di ciascuna delle fasi, anche rispetto a ciascuna di esse, in base alle indicazioni cliniche e alle informazioni fisiologiche. In quest?ultimo caso, l?Equazione (2) rappresenta una generalizzazione dell?equazione di Navier-Stokes introdotta con l?Equazione (1):
(2)
Dove:
- ? e ? sono indici che tengono conto della fase o specie considerate (aria o muco); e
- ? una matrice derivante dalla modellizzazione secondo l?equazione del moto di Navier-Stokes e che ? costruita in modo da tener conto degli scambi di forza e momento tra aria e muco.
L?Equazione (2) ? quindi complementata da condizioni sui flussi di aria nella zona nasale, orofaringea o tracheale.
Il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? inoltre progettato per eseguire una simulazione sulla base di una delle suddette equazioni. Al fine di raffinare maggiormente i risultati della simulazione, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? inoltre progettato per ricevere in ingresso, prima dell?esecuzione della simulazione, ulteriori elementi di completamento, comprendenti, ad esempio, parametri relativi alla presenza di un insieme di particelle sospese solide, gocce (droplet) di aerosol, fumo, o vapore acqueo, trasportate dalla fluido dinamica interna. In maggior dettaglio, l?Equazione (3) governa il moto di una particella in una posizione spazio-temporale R(t):
(3)
Dove:
- ? la velocit? locale del fluido aria calcolato in corrispondenza della posizione R(t) della particella considerata (m/s);
- ? un termine locale che tiene conto delle forze tra particella-fluido (anche note come di scorrimento e sollevamento, drag e lift rispettivamente); e
- ? la forza locale esercitata tra le particelle e le pareti delle vie aeree o di elementi strutturali del polmone del paziente (N).
Si noti che, secondo un aspetto della presente invenzione, l?Equazione (3) pu? essere modificata per tenere conto di eventuali effetti inerziali e gravitazionali.
Secondo un aspetto della presente invenzione, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? inoltre progettato per eseguire la simulazione considerando anche le deformazioni delle struttura interna delle vie aeree e/o del parenchima in base alle metodologie di FDC e sulla base degli scambi biomeccanici tra un fluido multi-fase e le strutture interne ed esterne dei polmoni; in particolare secondo un aspetto preferito della presente invenzione, la tecnica FDC impiegata ? la FSI, ovvero Fluid-Structure Interaction. In particolare, le deformazioni considerate possono essere sia di tipo esplicito, ovvero in cui gli organi respiratori si deformano, sia di tipo efficace, ovvero quando gli organi respiratori non si deformano ma la simulazione tiene conto in maniera implicita di eventuali possibili deformazioni.
In altre parole, la simulazione operata dal sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 considera diversi fattori e ricopre diversi cicli respiratori in un intervallo temporale predeterminato; a titolo esemplificato, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio di ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per considerare cinque oppure dieci cicli respiratori di un paziente.
Alla luce di quanto sopra, si noti che un sistema comprendente aria, muco e materia che fluisce all?interno delle vie aeree durante il ciclo respiratorio, quale quello modellizzato secondo una o pi? delle suddette Equazioni (1)-(2), permea lo spazio dalle vie aeree fino alle zone alveolari e viceversa; tale permeazione permette ad una frazione degli elementi del suddetto sistema, in particolare aria e ulteriori fasi, di attraversare le pareti delle vie aeree, cos? che il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 sia progettato per parametrizzare il grado di permeabilit? di queste ultime. In particolare, il grado di permeabilit? viene scelto liberamente in base alle indicazioni fisiologiche e applicando una delle Equazioni (1)-(2) indicate sopra e a seconda della modellizzazione desiderata; a titolo esemplificativo, il grado di permeabilit? ? pari a 1,2?10<-9 >m<2>. Una volta che le ulteriori fasi del suddetto sistema in movimento raggiungono le regioni alveolari, l?evoluzione del moto della stessa materia obbedisce a diverse condizioni locali specifiche, in particolare dal flusso nei sistemi porosi, dal flusso in sistemi ad alta viscoelasticit? e/o dal flusso in sistemi spugnosi o schiumosi. Tali flussi soni descritti da rispettivi modelli, eventualmente selezionabili da un utente a mezzo dell?una o pi? risorse informatiche di elaborazione e memorizzazione 2 per poter essere impiegati dal sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 per generare una simulazione di flusso (blocco 7). In altre parole, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per simulare il flusso di aria e ulteriori fasi in funzione di uno o pi? modelli predefiniti, quali quelli elencati e discussi in precedenza con riferimento alle Equazioni (1)-(3), selezionabili a mezzo dell?una o pi? risorse informatiche di elaborazione e memorizzazione 3.
Secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione, mostrato schematicamente in Figura 3, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? inoltre progettato per:
- acquisire (blocco 12) la simulazione dei flussi di aria e ulteriori fasi;
- valutare (blocco 13) la permeabilit? locale gassosa dell?apparato respiratorio del paziente:
- applicare (blocco 14) un modello matematico per i gas alveolari, ad esempio le equazioni dei gas alveolari, alla simulazione dei flussi di aria ed ulteriori fasi e in funzione della permeabilit? locale gassosa; e
- quantificare (blocco 15) lo scambio di O2 e CO2 tra le regioni alveolari e il sistema circolatorio sanguigno, in particolare misurando il flusso di massa di aria e ulteriori fasi che raggiunge ogni posizione dei polmoni oppure in gruppi zonali delle regioni alveolari.
In particolare, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per determinare la quantit? di O2 e CO2 che partecipano allo scambio ventilazione-perfusione in base alla frazione di gas alveolari immesso nel apparato respiratorio dalla bocca, naso o tramite sistema di intubazione endotracheale.
Secondo un aspetto della presente invenzione, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per determinare la permeazione dei gas alveolari nel apparato respiratorio del paziente impiegando un ammontare di materia fluida tale da raggiungere una determinata zona alveolare, denominata nel seguito come X, per quantificare le pressioni parziali di ossigeno nelle zone alveolari, denominate nel seguito come PaO2(X), secondo l?Equazione (4), ovvero l?equazione dello scambio alveolare:
(4)
Dove:
- ? la pressione parziale di O2 regionale nell?aria espirata (Pa);
- ? la pressione parziale di O2 nell?aria inspirata (Pa);
- ? il volume di spazio morto fisiologico (m<3>); e
- ? il volume tidalico (m<3>).
In particolare, il rapporto ? valutato sulla base di dati di simulazione
(ad esempio pressione, velocit? del fluido e velocit? della massa d?aria spostata) determinati dal sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 in occasione della determinazione della simulazione del flusso di aria e ulteriori fasi determinata in precedenza, nonch? a partire da misure geometriche, eventualmente corredate dalle caratteristiche fisiologiche del paziente, dalla tipologia di eventuali lesioni polmonari locali e da considerazioni fisiologiche.
Secondo una forma di realizzazione alternativa della presente invenzione, qui non descritta, l?Equazione (4) pu? essere sostituita da ulteriori ed analoghe equazioni in cui siano considerati e valutati la quantit? di scambio ventilazione-perfusione seguente la stessa sequenza di operazioni, specificatamente utilizzando le diverse valutazioni regionali o distrettuali per la quantificazione locale degli scambi di O2 e CO2 nell?apparato respiratorio del paziente. In altre parole, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazioneperfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per quantificare gli scambi gassosi localmente, al fine di visualizzare la risposta locale del paziente.
Secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione, l?Equazione (4) ? modificata in modo da includere anche gradienti alveolo-capillari per gli scambi di O2 e tra O2 e CO2; in particolare, tali scambi sono quantificati rispettivamente dalle Equazioni (5) e (6) in funzione delle relative pressioni relative locali di O2 e CO2 !
(5)
(6)
Dove:
- ? la pressione parziale di O2 inspirato;
- ? il flusso alveolare di CO2;
- ? la ventilazione di aria alveolare;
- K ? un coefficiente predeterminato; e
- F ? un coefficiente che tiene conto della iperinflazione dinamica.
Si noti che la pressione parziale locale di pu? essere sommata su tutte le regioni alveolari per quantificare la pressione parziale di O2 scambiata da tutte le regioni alveolari. Analogamente, la pressione parziale locale arteriosa di CO2 pu? essere sommata su tutte le regioni alveolari per quantificare la pressione parziale arteriosa di CO2 scambiata da tutte le regioni alveolari. Si noti inoltre che la frazione di O2 inspirata viene utilizzata per valutazione il grado di ipossia del paziente, in quanto la frazione molare o volumetrica di O2 ? inalato dall?aria nell?ambiente oppure ? arricchita dall?utilizzo di maschere ad ossigeno, ventilazione meccanica invasiva o dispositivi ECMO (Extracorporal Membrane Oxygenation). Il rapporto tra pressione parziale di O2 arterioso e frazione di O2 inspirato
rappresentato come rapporto ? impiegato dal sistema di diagnosi e prognosi
dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 come parametro di efficienza respiratoria per determinare in modo comparativo i livelli di O2 nel sangue arterioso e la concentrazione di O2 respirato; pertanto, tale rapporto ? impiegato per valutare il grado di ipossia nel paziente al tempo dell?acquisizione radiologica o successivamente.
Secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per impiegare indici di valutazione alternativi, quali la saturazione di O2 nel sangue arterioso, il rapporto tra la saturazione di O2 e la frazione di O2 inspirato ?=-. , la tensione di O2 arteriosa, la differenza tra tensione di O2 alveolare e pressione parziale di O2 arterioso l?indice di ossigenazione, l?indice respiratorio o la frazione di shunt (stimata o misurata).
Con riferimento congiunto alle Figure 2 e 4, viene ora descritta una ulteriore porzione della prima modalit? del metodo eseguito dal presente sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 e la seconda modalit? del metodo eseguito dal presente sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazioneperfusione nella respirazione di un paziente 1. In particolare, si noti che, a meno di diversa specifica, le fasi operative sono le medesime e, pertanto, verranno descritte congiuntamente.
In particolare, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per:
- applicare (blocco 9 e 16) l?algoritmo predittivo alle immagini acquisite e relative al apparato respiratorio del paziente in funzione dei dati relativi al paziente, quali i dati biomeccanici;
- determinare (blocco 10 e 17) i valori correnti dei livelli di O2 e CO2 nel paziente; e
- determinare (blocco 11 e 18) i valori previsti dei livelli di O2 e CO2 sulla base di un intervallo di tempo predeterminato, ad esempio per un certo numero di giorni, settimane oppure su base multi-annuale.
In particolare, con riferimento alla Figura 2, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per fornire all?algoritmo predittivo anche la simulazione di flusso di aria e di ulteriori fasi ottenuta al blocco 8 del metodo di Figura 2.
Il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? inoltre progettato, nella prima modalit? mostrata in Figura 2, per associare al suddetto metodo di simulazione dei flussi gassosi sulla base della FDC un metodo basato su un algoritmo predittivo al fine di correlare le immagini acquisite in precedenza con la quantificazione di gas nel sangue arterioso in termini diagnostici e prognostici. In particolare, l?algoritmo predittivo ? caratterizzato da modelli ed architetture, quali ad esempio DENSNET e RESNET, progettate per generare predizioni circa il comportamento di ciascuna regione polmonare dell?apparato respiratorio del paziente.
Pertanto, nella prima modalit?, l?una o pi? risorse informatiche di elaborazione e memorizzazione 3 sono progettate per quantificare i livelli di O2 e CO2 sia a mezzo delle equazioni dei gas alveolari sia a mezzo dell?algoritmo predittivo, in modo da valutare la risposta ventilatoria di un paziente.
Si noti che l?algoritmo predittivo ?, prima di essere applicato alle immagini di un paziente, addestrato su un ampio numero di dati radiologici (circa dalle cento alle mille immagini) basati su diverse tipologie di immagini, quali ad esempio radiologiche, raggi X, e considerando un ampio numero di valori di ossigeno e anidride carbonica misurati tramite, ad esempio, emogasanalisi o pulsimetria; inoltre, il suddetto algoritmo predittivo ? addestrato anche considerando dati spirometrici e ogni informazione clinica rilevante, quali et?, abitudini, storia e presenza di co-morbilit? del paziente. Tali dati, immagini ed informazioni sono inoltre aggregati, nella prima modalit?, con i dati derivati dalla simulazione al fine di costruire un algoritmo e, quindi, un sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazioneperfusione nella respirazione di un paziente 1 progettato per essere in grado di eseguire delle diagnosi di un paziente sulla base dei suddetti dati, immagini ed informazioni.
Secondo un aspetto della presente invenzione, l?algoritmo predittivo ? addestrato e testato in modo che sia in grado di stimare i livelli di gas nel sangue ed elaborare immagini impiegate nella fase di addestramento; in particolare, l?elaborazione avviene secondo una qualsiasi delle note tecniche di elaborazione di immagini, quali ad esempio ?data augmentation?, ?image normalization?, ?downsampling?, ?upsampling? e simili. A titolo esemplificativo e con riferimento alla Figura 5, l?algoritmo predittivo comprende una componente convolutiva includente una sequenza di convoluzione e riduzione consecutiva dell?immagine, ad esempio tomografica, analizzata tramite il metodo del MaxPooling; in particolare, in tal caso, le immagini analizzate vengono tipicamente elaborate analizzando ogni componente bidimensionale dell?immagine lungo una componente assiale, ovvero l?asse tomografico (ovvero, un asse Z di un sistema di riferimento cartesiano XYZ) e le relative serie temporali, che scandiscono temporalmente la sequenza di immagini acquisite, e i dati temporali associati a emogasanalisi da dati clinici o simulati e vengono formattati ad esempio in forma tabulare.
A seguito della fase di addestramento e, quindi, alla determinazione di un modello, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? in grado di applicare tale modello, ad esempio a mezzo dell?una o pi? risorse informatiche di elaborazione e memorizzazione 2, per determinare (blocco 10 e 17) i valori correnti dei livelli di O2 e CO2 nel paziente in modo dettagliato e determinare (blocco 11 e 18) i valori previsti dei livelli di O2 e CO2 sulla base dell?intervallo di tempo predeterminato.
In particolare, nel caso della prima modalit?, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per valutare i risultati ottenuti con l?algoritmo predittivo, ovvero le predizioni, rispetto ai dati ottenuti dall?applicazione delle equazioni dei gas alveolari, descritti con riferimento alla Figura 3. In aggiunta, nel caso della seconda modalit?, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per eseguire le predizioni senza effettuare una simulazione di flusso di aria e di ulteriori fasi e, quindi, determinare le pressioni parziali locali di O2 e CO2 a mezzo dell?equazione dei gas alveolari. In altre parole, l?una o pi? risorse informatiche di elaborazione e memorizzazione 3 sono progettate per determinare un primo ed un secondo modello rispettivamente per la prima e la seconda modalit?.
In aggiunta, secondo un aspetto della presente invenzione, il metodo basato su ML oppure AI ? progettato in modo tale che le simulazioni da esso scaturite possano essere impiegate per arricchire i dati clinici relativi ad un paziente grazie al metodo di estrazione di caratteristiche (?feature extraction?).
A titolo esemplificativo, con riferimento alla prima modalit?, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per determinare ed applicare un primo modello derivante dall?addestramento dell?algoritmo predittivo per elaborare dati radiologici, dati clinici e i dati di simulazione; l?algoritmo predittivo ? progettato per ricevere in ingresso, sia come dati di addestramento sia come dati da impiegare nella predizione, dati provenienti da un database di dati clinici e corredato, nel caso della prima modalit?, dai dati di simulazione. In particolare, fra questi dati, i dati relativi alla calibrazione dei livelli di gas arteriosi ? disponibile per effettuare un campionamento o ri-campionamento dei dati da inserire come dati di ingresso nell?algoritmo predittivo per la determinazione del modello al fine di assicurare la compatibilit? con l?architettura dell?algoritmo predittivo, in modo tale che i dati clinici e i dati di simulazione nel caso della prima modalit? siano debitamente presi in considerazione. In aggiunta, l?algoritmo predittivo ? progettato per ricevere come dati di ingresso anche dati statistici rilevanti quali ad esempio la taglia del modello polmonare del paziente, il numero di indicatori clinici, la qualit? delle simulazioni polmonari, eccetera, che possono essere utilizzati come meta-informazioni.
Si noti inoltre che, secondo un aspetto della presente invenzione, l?architettura della rete neurale convolutiva ? definita da componenti modulari che elaborano i dati clinici e simulativi in modo sequenziale in modo da produrre un vettore rappresentativo del paziente, in particolare delle immagini relative all?apparato respiratorio e alle relative serie temporali ed avente una lunghezza fissa, ad esempio pari a 512x512 elementi. A titolo esemplificativo e non limitativo, le componenti modulari comprendono filtri di convoluzione (strati convolutivi), trasformazioni affini (strati ?densi?) e diverse funzioni non-lineari.
Secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione, qui non descritto, l?algoritmo predittivo pu? impiegare ulteriori tecniche note al tecnico del ramo e, in generali, presenti nell?attuale stato della tecnica.
Si noti inoltre che, con riferimento alla seconda modalit?, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per predire lo stato ventilatorio-perfusionale del paziente, per la predizione dell?evoluzione della malattia polmonare creando scenari multipli della progressione di eventuali malattia e i livelli di gas arteriosi associati.
Si noti inoltre che, nella prima modalit?, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per impiegare congiuntamente i dati clinici e i dati simulativi relativi a pazienti in modo da fornire un sistema di dati sufficiente per l?addestramento e, successivamente, l?impiego sul campo del modello ottenuto dall?algoritmo predittivo; in questo modo, il potere predittivo del sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? assicurato in condizioni in cui la ricostruzione automatizzata dei polmoni e la metodologia di simulazione al calcolatore non siano espletati in maniera completa e dettagliata.
L?algoritmo predittivo ? inoltre vantaggiosamente utilizzato per la predizione della progressione della malattia polmonare o per stimare i livelli di O2 e/o di CO2 nei momenti successivi alla data dell?acquisizione di immagini, ad esempio giorni, settimane, mesi oppure anni, in associazione oppure separatamente dai dati di simulazione. L?algoritmo predittivo ? quindi addestrato per utilizzare le serie temporali associate ai dati radiologici, ai dati emogasanalitici e ai dati funzionali clinici su molteplici giorni successivi alla data di acquisizione dei dati clinici e radiologici. L?algoritmo predittivo ? quindi utilizzabile come mezzo prognostico da impiegarsi nella pratica clinica, in reparto, in terapia intensiva o per il monitoraggio a distanza dei pazienti in telemedicina.
Sulla base di quanto precedentemente descritto sono evidenti i vantaggi che la presente invenzione consente di raggiungere.
In particolare, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per essere in grado di quantificare i livelli di O2 e di CO2 arteriosi congiuntamente con la conoscenza funzionale delle regioni alveolari polmonari, l?effetto della produzione del muco nelle vie aeree e sua evoluzione nel tempo, e la sua distribuzione nelle zone dello spazio morto e nel parenchima.
Inoltre, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per essere in grado di seguire la progressione di eventuali malattie polmonari analogamente ad un dispositivo diagnostico e prognostico.
In uso, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per essere impiegato al momento dell?ingresso del paziente in ospedale e successivamente alla degenza. L?uso pu? avvenire in situazioni di emergenza per migliorare ed ottimizzare il processo di decisione clinica, nonch? per ottimizzare i protocolli clinici in uso, oppure per i pazienti cronici stabili, in cui la conoscenza dello stato respiratorio sia necessaria.
Inoltre, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per consentire l?ottimizzazione dell?uso di dispositivi medicali, quali ventilatori, maschere ad ossigeno, ECMO, eccetera, in particolare riguardo al tipo e quantit? di O2 somministrato in terapia, volume e frequenza ventilatoria, posizionamento prono o supino del paziente, protocollo in terapia intensiva, e trattamento farmacologico, sia in aree critiche che per pazienti stabili.
In aggiunta, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per essere impiegato anche in fase di monitoraggio domiciliare dei pazienti cronici stabili affetti da patologie respiratorie diffuse, quali asma e bronco pneumopatia ostruttiva, in modo da aggiornare in maniera continuativa la cartella clinica del paziente o per modificare la terapia a distanza.
Infine, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per essere in grado di impostare un sistema virtualizzato per l?addestramento del personale clinico che necessita di conoscere le modalit? operative di funzionamento in connessione con la risposta ventilatoria e perfusionale del paziente prima di operare sullo stesso. In altre parole, il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente 1 ? progettato per ridurre l?errore umano e, quindi, fornire uno strumento che consenta al personale medico di gestire al meglio la condizione respiratoria di un paziente.
Claims (9)
1. Sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente (1) comprendente:
- un sistema di acquisizione di immagini (2) progettato per acquisire immagini di una porzione del torace del paziente e per generare relativi dati; e
- una o pi? risorse informatiche di elaborazione e memorizzazione (3) collegate al sistema di acquisizione di immagini (2), in cui il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente (1) ? progettato per:
- acquisire (4) immagini attraverso il sistema di acquisizione di immagini (2), di una porzione del torace del paziente;
- elaborare (7-18) attraverso l?una o pi? risorse informatiche di elaborazione e memorizzazione (3) i dati generati dal sistema di acquisizione di immagini (2) per determinare una predizione relativamente allo scambio ventilazione-perfusione nella respirazione del paziente.
2. Sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente (1) secondo la rivendicazione 1, in cui il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente (1) ? inoltre progettato per:
- segmentare le immagini precedentemente acquisite a mezzo dell?una o pi? risorse informatiche di elaborazione e memorizzazione (3), in modo da riconoscere e segmentare l?apparato respiratorio in modo da suddividerlo in una pluralit? di regioni; e
- estrarre una o pi? regioni di interesse dalla pluralit? di regioni ottenute dalla fase di segmentazione delle immagini acquisite.
3. Sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente (1) secondo la rivendicazione 2, in cui il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente (1) ? inoltre progettato per:
- tesselare (5) porzioni dell?apparato respiratorio in esame individuate nell?una o pi? regioni di interesse sotto forma di elementi poligonali; e
- generare un reticolo computazionale in funzione della fase di tesselazione eseguita.
4. Sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l?una o pi? risorse informatiche di elaborazione e memorizzazione (3) sono progettate per elaborare i dati generati dal sistema di acquisizione di immagini (2) per determinare una predizione relativamente allo scambio ventilazione-perfusione nella respirazione del paziente eseguendo le seguenti operazioni:
- simulare il flusso di aria e di ulteriori fasi a mezzo di un modello matematico; - determinare i livelli di ossigeno ed anidride carbonica nell?apparato respiratorio del paziente;
- predire l?andamento di scambi ventilatori nell?apparato respiratorio del paziente in funzione della simulazione del flusso di aria e di ulteriori fasi; e
- valutare lo scambio ventilazione-perfusione nella respirazione del paziente in funzione dei livelli di ossigeno ed anidride carbonica determinati e della predizione dell?andamento degli scambi ventilatori nell?apparato respiratorio del paziente.
5. Sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente (1) secondo la rivendicazione 4, in cui l?una o pi? risorse informatiche di elaborazione e memorizzazione (3) sono inoltre progettate per simulare il flusso di aria e di ulteriori fasi a mezzo di un modello matematico eseguendo le seguenti operazioni:
- ricevere le immagini acquisite ed elaborate in precedenza nonch? dati biomeccanici e condizioni al contorno forniti al sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente (1);
- eseguire (7) un?elaborazione delle immagini acquisite in precedenza in funzione delle condizioni al contorno e dei dati biomeccanici precedentemente forniti al medesimo sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente (1); e
- generare (8) una simulazione del flusso di aria e di ulteriori fasi, quali muco, nel apparato respiratorio di un paziente,
in cui i dati biomeccanici sono indicativi sia delle immagini acquisite dal sistema di acquisizione di immagini (2) sia dell?eventuale storia clinica relativa alle condizioni del paziente.
6. Sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente (1) secondo la rivendicazione 5, in cui il modello matematico ? un modello basato sull?equazione del moto di Navier-Stokes per un sistema multi-fase.
7. Sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente (1) secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente (1) ? inoltre progettato per:
- acquisire (12) la simulazione dei flussi di aria e ulteriori fasi;
- valutare (13) la permeabilit? locale gassosa dell?apparato respiratorio del paziente: - applicare (14) un modello matematico per i gas alveolari alla simulazione dei flussi di aria ed ulteriori fasi e in funzione della permeabilit? locale gassosa; e
- quantificare (15) lo scambio di ossigeno e anidride carbonica tra le regioni alveolari e il sistema circolatorio sanguigno del paziente.
8. Sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente (1) ? inoltre progettato per:
- applicare (9, 16) l?algoritmo predittivo alle immagini acquisite e relative al apparato respiratorio del paziente in funzione di dati relativi al paziente;
- determinare (10, 17) i valori correnti dei livelli di ossigeno e anidride carbonica nel paziente; e
- determinare (11, 18) i valori previsti dei livelli di ossigeno e anidride carbonica in un intervallo di tempo predeterminato.
9. Software caricabile in un sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente (1) e progettato per far s? che il Sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente (1) operi secondo le rivendicazioni 1-8.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| IT102021000021806A IT202100021806A1 (it) | 2021-08-12 | 2021-08-12 | Sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente |
Applications Claiming Priority (1)
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| IT102021000021806A IT202100021806A1 (it) | 2021-08-12 | 2021-08-12 | Sistema di diagnosi e prognosi dello scambio ventilazione-perfusione nella respirazione di un paziente |
Publications (1)
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| IT202100021806A1 true IT202100021806A1 (it) | 2023-02-12 |
Family
ID=78649715
Family Applications (1)
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| WO2014125059A1 (en) * | 2013-02-14 | 2014-08-21 | Fluidda Respi | Method for determining a respiratory condition based on functional respiratory imaging |
| WO2017095901A2 (en) * | 2015-11-30 | 2017-06-08 | Materialise N.V. | Method and apparatus for improved airflow distribution |
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2021
- 2021-08-12 IT IT102021000021806A patent/IT202100021806A1/it unknown
Patent Citations (2)
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