Mühendislik ve yapay zeka, hastaların hayatlarını korumak için bir araya geliyor

0
17

Princeton ve Google’daki araştırmacılar, her tür ventilatör için kontrolleri otomatikleştirmek ve iyileştirmek amacıyla Princeton’da tasarlanmış ve üretilmiş bir ventilatör kullanıyor. Kredi bilgileri: Aaron Nathans

Princeton ve Google’daki araştırmacılar, COVID-19 salgınının taleplerinden etkilenerek, dünya çapında ventilasyon tedavilerinin kullanılabilirliğini ve etkililiğini artırmak için makine mühendisliği ve yapay zeka uyguluyor.

Ventilatörler ve destek ekipmanları hayat kurtaran teknolojilerdir, ancak aynı zamanda doktorların ve diğer yüksek eğitimli tıbbi çalışanların uzman ilgisini gerektiren pahalı ve karmaşık cihazlardır. Cihazlar, her bir hastaya göre ayarlanmış bir dizi parametreyi – basınç, hacim, nefes hızı – karşıladıklarından emin olmak için dikkatle kalibre edilmeli ve izlenmelidir. Genellikle bu önlemler tedavi sırasında değişir ve daha fazla ayarlama gerektirir.

Daniel Cohen ve Elad Hazan liderliğindeki Princeton’daki araştırmacılar, bu izleme ve ayarlamanın çoğunun yapay zeka tarafından gerçekleştirilebileceğini düşünüyordu. Bilgisayarlar işin çoğunu halledebilirse, sadece sağlık çalışanlarının üzerindeki yükü azaltmakla kalmaz, aynı zamanda ventilatörlerin uzman operatör eksikliği olan alanlarda konuşlandırılmasına da izin verir.

Proje, makine ve havacılık mühendisliği profesörü yardımcı doçent Cohen’in liderliğindeki bir ekip tarafından tasarlanan ve inşa edilen yeni bir vantilatörden kaynaklandı. Geçen baharda erken COVID-19 salgınından bu yana, Cohen’in ekibi, hazır parçaları kullanarak düşük maliyetli ventilatörler tasarlamak için çalışıyordu. Başlangıçta Cohen, yeni tasarım için bir kontrol sistemini tartışmak üzere Hazan ile bir araya geldi. Ancak araştırmacılar, yapay zekanın yalnızca Princeton’da tasarlanan tipte değil, tüm ventilatörler için kontrolleri iyileştirebileceğini fark ettiler.

Toplantılar, “Vantilatörlerin kullandığı kontrol yöntemlerini iyileştirerek insanların sağlığını iyileştirebilir miyiz?” Sorusuna yol açtı. Bilgisayar bilimi profesörü ve Google AI Princeton yöneticisi Hazan, dedi.

Tıbbi cihazlar için tipik olduğu gibi, Princeton ventilatör tasarımının hastalarla kullanılmadan önce kapsamlı bir incelemeden geçmesi gerekir. Bununla birlikte, kısa vadede makine, araştırmacıların diğer ventilatörleri çalıştırmak için kullanılan sistemleri iyileştirmesine izin vermede kritik bir rol oynayabilir. Çoğu modern ventilatör, bir cihazı sürekli olarak izlemek ve ayarlamak için PID olarak bilinen standart bir algoritma ile kontrol edilir. 1900’lerin başlarına dayanan bu PID algoritmaları, arabalardaki seyir kontrolleri gibi birçok popüler otomatik cihazı kontrol etmek için kullanılır.

Kıdemli Paula Gradu’nun da dahil olduğu bir ekibi bir araya getiren Hazan, “Hipotez, yapay zeka araçlarının uygulanmasının klasik kontrol teorisindeki bu eski yöntemleri geliştirebileceği ve sistemleri daha sağlam ve daha güvenli hale getirebileceğidir,” dedi; yüksek lisans öğrencileri Xinyi Chen, Udaya Ghai, Edgar Minasyan, Karan Singh ve Daniel Suo; ve son doktora mezunlar Naman Agarwal ve Cyril Zhang.

Hazan, kontrol araştırmasının, Cohen’in makine mühendisliği laboratuvarında daha uygun maliyetli bir ventilatör tasarlamak için yapılan çalışmayla el ele gittiğini söyledi; bu, daha önce tescilli endüstri standartlarını elde ederek geniş çapta açık kaynaklı bir cihaz yaratmayı içeriyor.

Çalışan bir ventilatöre erişim kritik öneme sahiptir. Solunumun altında yatan fizik karmaşıktır ve gaz / sıvı dinamiklerini çalışma denklemlerine indirgemek genellikle pratik değildir ve yanlıştır. Bu nedenle, kontrol problemine akciğer fiziği yoluyla yaklaşmak yerine, araştırmacılar Cohen ekibinin ventilatörleri üzerinde deneyler yapmaya ve deneylerden “öğrenmek” için makine öğrenimini uygulamaya karar verdiler. Yaklaşım işe yarasaydı, yapay zekanın temeldeki fiziği çözmesi gerekmeyecekti. Bunun yerine, ventilatörün güvenli ve etkili çalışmasına rehberlik edecek verilerdeki kalıpları ortaya çıkaracaktır. Hazan, erken sonuçların umut verici olduğunu ve araştırma ekibinin bu yaklaşımla ilgili bilimsel bir makale hazırladığını söyledi. Ventilatör operasyonlarını doğru bir şekilde simüle etmenin bir yolu olmadan bunun mümkün olmayacağını söyledi.

“Profesör Cohen ile işbirliği bu yüzden çok önemlidir” dedi. “Kullanabildiğimiz açık kaynak kurulumları zaten vardı.”

“Legolar gibi birlikte çalışan” düşük maliyetli bir vantilatör tasarlamak

Ventilatörün geliştirilmesi, COVID-19 salgını sırasında bölgesel tıp topluluğunun ihtiyaçlarına cevap vermek için moleküler biyoloji alanında profesör rütbesine sahip bir doktor ve öğretim üyesi olan Cohen ve Daniel Notterman’ın çabalarının bir parçası olarak başladı. Geçen bahar salgın sırasında, tıp uzmanları ülkede vantilatör yetersizliğinden korktular ve araştırmacılar, pahalı olmayan ve kullanıma hazır parçalardan monte edilebilecek yeni bir sistem tasarlamaya başladılar.

Notterman ile mekanik ventilasyonun tasarımı ve klinik ihtiyaçları hakkında ilk görüşmelerden sonra, kampüsün dört bir yanından araştırmacı ekipleri tasarım üzerinde çalıştı. Bu çaba, bilgisayar bilimi, nörobilim, fizik ve makine ve havacılık mühendisliği gibi bölümlerden bireyleri içeriyordu. Cohen’in laboratuvarında yüksek lisans öğrencisi olan Julienne LaChance, bir prototip oluşturmak için mühendislik çabalarına öncülük etti. LaChance, Notterman ve Cohen’in yanı sıra yerel Princeton ekibi arasında Tom Zajdel (elektronik ve donanım), Manuel Schottdorf (yazılım ve kontroller), Grant Wallace (yazılım mimarisi), Sophie Dvali (akış ve sterilite) ve Zhenyu Song (yazılım ). Harici işbirlikçiler arasında Chase Marshall (bilgisayar destekli tasarım ve yerleşim), Rengo Seirup (elektronik ve donanım), Moritz Kutt (baskılı devre kartı tasarımı) ve Jonny Saunders (kullanıcı arayüzü tasarımı, yazılım ve alarm sistemi) bulunmaktadır.

Solunum yetmezliği olan hastaları yönetme deneyimi olan kurul sertifikalı bir pediatrik yoğun bakım doktoru olan Notterman, “Modern ventilatörler, aynı zamanda hastaları aşırı basınç ve hacim seviyelerinden korurken, klinik sonuçları en üst düzeye çıkarmaya çalışıyor” dedi. “Kavramsal olarak basit olmasına rağmen, ventilatör performansının düzenlenmesi son derece karmaşıktır. Bu çaba, programlama, mühendislik ve klinik tıp uzmanlarına Profesör Cohen’in liderliğinde birçok olağan çözümü yeniden düşünme fırsatı sağladı.”

Princeton’a gelmeden önce General Electric’te araştırmacı olarak çalışan LaChance, planın hazır parçalardan kolayca monte edilebilen ve çeşitli klinik gereksinimleri karşılayabilecek bir ventilatör inşa etmek olduğunu söyledi.

“Temelde Legolar gibi bir araya geliyor” dedi. “Lise robotik takımımın bunu bir araya getirdiğini hayal ediyorum.”

Ekip iki prototip üzerinde çalıştı. Cohen, birinin Hoyt Laboratuarlarında, Cohen’in laboratuvarında elektrik mühendisliği geçmişi olan ve performans testini tamamlamada etkili olan doktora sonrası araştırmacı Zajdel yönetiminde inşa edildiğini söyledi. Diğeri ise Rensselaer, New York’ta bir garajda, toplulukla paylaşılacak tüm belgelerin tasarımı ve derlenmesi için ince ayarlardan geçiyor. LaChance, “Birçok insan gibi, şu anda kampüste değilim,” dedi. “Ben de bir ‘garaj inşaatı’ başlattım.”

Cohen, ventilatörün artık tamamen inşa edildiğini ve FDA tarafından belirlenen temel performans standartlarını karşıladığını, buna karşın 1.500 $ ‘dan daha düşük bir maliyete sahip olduğunu söyledi – ticari ventilatörlerin onda biri veya yirmide biri. İlk versiyon, projenin tamamen şeffaf ve açık doğasını vurgulamak için “Halkın Vantilatörü Projesi” için PVP1 olarak bilinir. Cohen, projenin anahtarlarından birinin, dikkatlice tasarlanmış, modüler donanımı, makinenin potansiyelini ortaya çıkaran esnek, güvenilir ve açık bir yazılım temeliyle birleştirmek olduğunu sözlerine ekledi. Cohen, “Ekip, sıkı uzaktan operasyonlara, 12 saati kapsayan üç farklı zaman dilimine ve çılgınca bir tempo olmasına rağmen gerçekten birlikte fevkalade iyi çalıştı” dedi.

Cohen, LaChance’in yeni vantilatörü inşa etmek için kullanılan mühendislik standartlarını elde etmede kilit bir rol oynadığını söyledi. Uluslararası standart kuruluşları tarafından geliştirilen standartları içeren belgeler, genellikle yeni makine geliştirmek isteyen firmalar tarafından satın alınmaktadır. Tek bir cihaz için birden fazla standarda ihtiyaç duyulduğundan ve her standart dokümanı binlerce dolara kadar çalışabileceğinden, kurumsal olmayan tasarımcılar için maliyet engelleyici olabilir.

Mart ayında bir Pazar günü, LaChance ve başka bir tasarımcı, AJ Ortiz, ventilatör standartlarını acil bir durumda açmalarını istemek için bu tür cihazları denetleyen ABD standartlar kuruluşunun temsilcileriyle sanal olarak bir araya geldi, Amerikan Ulusal Standartlar Enstitüsü (ANSI). ANSI temsilcileri kabul etti.

“ANSI, Portalımız aracılığıyla Uluslararası Standardizasyon Örgütü (ISO) ve International’dan 37 kritik uluslararası standarda ücretsiz, salt okunur erişim sağlayarak Princeton’ın ve COVID-19 ile mücadelede yer alan birçok grubun önemli çabalarını desteklemekten gurur duyuyor. Elektroteknik Komisyonu (IEC), “1979 yılında Princeton Kamu ve Uluslararası İlişkiler Okulu’ndan yüksek lisans derecesi alan ANSI hükümet ilişkilerinden sorumlu başkan yardımcısı Mary Saunders,” Portalı oluştururken ANSI proaktif olarak ISO ve IEC’ye ulaştı. ABD şirketleri, ajansları, kuruluşları ve üniversiteleri tarafından – Princeton da dahil olmak üzere – müdahale çabaları için gerekli olduğu belirlenen bu standartlara erişimin açılması için onay alın. “

Cohen, ekibin mühendislik standartlarını karşılamak için çalıştığını ve aynı zamanda pandeminin neden olduğu birçok zorluğa, örneğin parçaların kullanılabilirliğinin azalması ve hastaneler ve tıbbi tesisler üzerindeki finansal stres gibi yaklaşımları yeniden düşündüğünü söyledi.

Ventilatör ekibi, kontrolleri iyileştirme konusunda Hazan’ın araştırma grubuyla çalışmanın yanı sıra, özellikle COVID-19 pandemisinden sonra özellikle ventilatöre ihtiyaç duyan daha az varlıklı ülkelerde yasal onay için zorlamaya yardımcı olacak üretim ortakları arıyor. Araştırmacılar ayrıca sistemin uygun maliyetli ve güvenli pediatrik ventilasyon için uygunluğunu araştırıyorlar.

Cohen, “Çok iyi yapılmış birçok yazılım ve kodlamayla bir araya getirdiğimiz sağlam, basit parçalar kullanıyoruz” dedi. “Pandemiden sonra bile dünyanın herhangi bir yerinde herkesin üzerinde çalışabileceği veya geliştirebileceği genelleştirilmiş bir platform geliştirmeye çalışıyoruz.”

Princeton Üniversitesi tarafından sağlanan koronavirüs (COVID-19) salgını ile ilgili en son haberleri takip edin

Alıntı: Mühendislik ve yapay zeka, hastaların hayatlarını korumak için birleştirildi (2021, 27 Ocak) 27 Ocak 2021 tarihinde https://medicalxpress.com/news/2021-01-art artificial-intelligence-combine-safeguard-patients.html adresinden alındı

Bu belge telif haklarına tabidir. Özel çalışma veya araştırma amacına yönelik herhangi bir adil işlem dışında, yazılı izin olmadan hiçbir bölümü çoğaltılamaz. İçerik yalnızca bilgi amaçlı sağlanmıştır.

CEVAP VER

Lütfen yorumunuzu giriniz!
Lütfen isminizi buraya giriniz