Utilizzo del digital twin per migliorare l’assistenza sanitaria

Abbiamo voluto aprire il dibattito sul tema dell'utilizzo dei digital twin in sanità con una rilettura in tal senso dell'iniziativa di ricerca che il Politecnico di Losanna sta portando avanti su tecnologia HPE. In argomento, ospitiamo l'intervento di Thierry Marchal, Industry Director for Healthcare, Construction and Consumer Products di Ansys, società storicamente di primo piano nel settore della simulazione e che ora sta aprendo il suo influsso anche al campo healthcare.

Il settore sanitario sta sperimentando una rapida adozione della tecnologia dei gemelli digitali, con l’obiettivo di offrire un modello di medicina personalizzata e data driven. I digital twin sono rappresentazioni digitali della fisiologia umana costruiti su modelli computerizzati - in silico - nei quali vengono introdotti dati relativi sia all’individuo sia alla popolazione.

Thierry Marchal, Ansys

Questi strumenti sono di grande aiuto ai ricercatori nello studio di malattie, nuovi farmaci e dispositivi medici e in futuro potranno anche aiutare i medici a ottimizzare le performance di piani di trattamento specifici paziente per paziente. Sul breve periodo, invece, i gemelli digitali aiuteranno il sistema sanitario a introdurre più rapidamente sul mercato innovazioni salvavita, a costi minori e maggiore sicurezza per il paziente.

I gemelli digitali utilizzati per automatizzare la deposizione di farmaci via aerosol
Nei pazienti che ricevono farmaci chemioterapici somministrati per aerosol il rischio è che i trattamenti mirati al tumore sbaglino l’obiettivo o colpiscano tessuti sani. Tool come ANSYS computational fluid dynamics (CFD) aiutano i ricercatori a studiare la somministrazione convenzionale dei farmaci.

I ricercatori del Biomechanics Laboratory (CBBL) dell’Oklahoma State University hanno scoperto che solo il 20% del farmaco inalato raggiungeva l’obiettivo nel polmone. Il restante andava a colpire tessuti sani, spesso con effetti avversi.

Seguendo il percorso delle particelle di aerosol nell'albero respiratorio, CBBL ha identificato la posizione ottimale per il rilascio di aerosol in modo che il farmaco possa raggiungere una posizione specifica nei polmoni

I ricercatori hanno quindi cercato di capire se limitando le dimensioni delle particelle del principio attivo e la regione all’interno dell’aerosol (rispetto alla distribuzione uniforme in tutto lo spray) si avrebbe potuto accrescere l’efficienza della somministrazione.

Hanno perciò simulato il movimento delle particelle di aerosol nelle vie aeree superiori di un gemello digitale, scoprendo che variando parametri quali il diametro delle particelle, la velocità del flusso inalatorio e la posizione iniziale del farmaco all’interno dell’aerosol era possibile ottimizzare l’aerosol fino a raggiungere un’efficienza di distribuzione di oltre il 90%.

La configurazione delle vie aeree appartiene al sistema umano virtuale di CBBL - una raccolta di gemelli digitali che rappresentano il sistema respiratorio di un adulto e di un bambino sia seduto sia in posizione eretta. Importando le geometrie del polmone mediante scansioni CT/MRI, i ricercatori sono ora in grado di creare gemelli specifici per ogni paziente.

Digital twin in neurochirurgia

I gemelli digitali sono sufficientemente intelligenti da poter aiutare i ricercatori a trattare anche il nostro cervello. La startup francese Sim&Cure, ad esempio, ha sviluppato un digital twin per il trattamento degli aneurismi.

La neurochirurgia è normalmente l’estrema risorsa per la riparazione degli aneurismi. La riparazione endovascolare, però, è un’opzione meno invasiva e meno rischiosa. Utilizza un impianto guidato da un catetere che risana le arterie danneggiate riducendo la pressione esercitata sull’aneurisma dal flusso sanguigno irregolare.

Se non trattato, un aneurisma cerebrale è una possibile patologia potenzialmente letale. Sim&Cure utilizza simulazioni e gemelli digitali per aiutare i neurochirurghi a massimizzare la sicurezza del paziente durante il trattamento

Sfortunatamente, le ricerche condotte dal National Center for Biotechnology Information (NCBI) indicano che il 65% delle procedure endovascolari è geograficamente problematico, ovvero non colpisce l’obiettivo. Ad esempio, se un dispositivo intrasacculare non si espande fino al volume dell’aneurisma, il sangue può penetrare nelle fessure esercitando ulteriore pressione.

La soluzione proposta da Sum&Cure aiuta i chirurghi a selezionare un impianto ottimale che si adatti perfettamente sia al diametro sia alla lunghezza dell’aneurisma. La startup francese ha anche ricevuto l’autorizzazione ministeriale per un digital twin che aiuta i chirurghi a selezionare e introdurre impianti endovascolari in grado di ottimizzare la riparazione dell’aneurisma.

Una volta preparato il paziente all’intervento, il software Sim&Cure crea un modello 3D dell’aneurisma e dei vasi circostanti basato su un’angiografia rotazionale 3D. Il software utilizza questo modello personalizzato per proporre al chirurgo una selezione di dispositivi adatti e disponibili per l’impianto. Scelto il dispositivo, il software crea un file per l’analisi con Ansys Mechanical.

Il chirurgo può a questo punto avviare una simulazione di 10-20 secondi, ruotando e zoomando sul dispositivo. In questo modo, ha una chiara comprensione delle relazioni interattive tra impianto e aneurisma e, spesso in meno di cinque minuti, è in grado di stabilire quale impianto usare per ottimizzare la procedura.

I primi test hanno fornito risultati impressionanti. Al momento di stendere questo articolo nessuna procedura effettuata usando il software Sim&Cure ha richiesto interventi aggiuntivi, necessari invece nel 10% dei trattamenti endovascolari tradizionali.

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