În era medicinei personalizate, complexitatea datelor clinice a depășit deja capacitatea cognitivă de procesare a medicilor. Viitorul diagnosticării și al tratamentului nu mai depinde doar de intuiția clinică, ci de integrarea armonioasă a sistemelor software inteligente și a automatizării proceselor. Grupul de cercetare ADAPTED (Advanced Process Control Methods), din cadrul Universității Tehnice din Cluj-Napoca, condus de Prof. Dr. Ing. Eva Dulf, se află la intersecția dintre teoria avansată a controlului și aplicațiile medicale de mare impact.
Cercetările grupului se fundamentează pe trei piloni tehnologici esențiali care transformă modul în care interacționăm cu sistemele biologice.
Spre deosebire de sistemele industriale rigide, corpul uman este un mediu non-linear și vâsco-elastic. Controlerele clasice de tip PID eșuează adesea în a captura "memoria" și proprietățile de difuzie ale țesuturilor. Soluția propusă de grupul ADAPTED este utilizarea calculului fracționar (Fractional Order Control - FOC).
O aplicație majoră o reprezintă automatizarea anesteziei generale. (Vezi Fig.1.) Prin modelarea răspunsului pacienților la diferite anestezice, folosind modele de impedanță de ordin fracționar, cercetătorii au reușit să regleze automat Indicele Bispectral (BIS). Rezultatul? O reducere semnificativă a riscului de sub-dozare sau supra-dozare prin adaptarea în timp real la metabolismul specific fiecărui pacient.
Figura 1. Schema bloc de control în anestezia generală
Tot în această zonă, grupul explorează tehnologia "Organ-on-a-Chip". ( Vezi Fig. 2). Folosind microfluidică și senzori avansați, aceste dispozitive recreează fiziologia organelor la scară microscopică, permițând testarea medicamentelor (de exemplu, oncologice) fără riscuri umane, într-un mediu controlat software.
Figura 2. Exemplu de "organ on a chip"
Automatizarea în aplicațiile medicale necesită interpretarea continuă a bio-semnalelor. Cercetarea grupului se concentrează pe modelarea unor procese fiziologice și recunoașterea tiparelor în date de tip serie temporală prin reducerea zgomotului inerent existent.
Dintre aplicațiile pe rol în prezent am menționa monitorizarea somnului. Prin utilizarea senzorilor purtabili și a logicii de control fuzzy se monitorizează și se "măsoară" calitatea somnului, indice îmbunătățit prin controlul mediului ambient. ( Vezi Figura 3).
O altă aplicație din acest domeniu reprezintă procesarea semnalelor EEG. Folosind transformata Fourier de ordin Fracționar (FrFT) se identifică biomarkeri în semnalele cerebrale, esențiali în diferite diagnosticări - cum ar fi predicția crizelor epileptice - dar și în diferitele aplicații de BCI (Brain-Computer Interface) - cum ar fi controlul unui scaun cu rotile sau proteze, redând mobilitatea pacienților cu deficiențe severe.
Figura 3. Monitorizarea și controlul somnului
Al treilea pilon vizează complexitatea vizuală a diagnosticelor moderne. Folosind rețele neuronale convoluționale (CNN) și tehnici de Deep Learning, grupul a dezvoltat soluții software pentru diagnosticarea diferitelor probleme medicale:
Cardiologie: Un algoritm semi-automat pentru cuantificarea fibrozei miocardice prin CT cardiac, izolând zonele cu densități specifice (60-90 unități Hounsfield).
Figura 4. Schema de funcționare a sistemului CAD pentru detecția nodulilor tiroidieni
Impactul acestor tehnologii este validat prin peste 38 de proiecte de cercetare, lucrări științifice în reviste de specialitate internaționale, dar și numeroase medalii de aur la saloanele internaționale de invenții de la Geneva și Bruxelles.
Soluțiile propuse sunt bine primite de personalul medical. De exemplu, algoritmii de cuantificare a fibrozei propuse au demonstrat o corelație ridicată cu standardul actual folosit, sugerând că scanările CT - mai rapide și mai ieftine - ar putea deveni o alternativă viabilă pentru screening.
Direcția urmărită de ADAPTED vizează aplicarea acestor rezultate pe scară largă. Obiectivul este crearea de "Digital Twins" (Gemeni Digitali) medicali - replici virtuale ale fiziologiei pacientului care să prezică răspunsul la medicamente înainte de administrare. De asemenea, se urmărește mutarea procesării unor date de pe serverele spitalelor direct pe dispozitivele edge (IoMT - Internet of Medical Things), precum ceasurile inteligente, dar și dispozitive dezvoltate de echipă, pentru o monitorizare continuă la domiciliu.
Prin fuziunea dintre ingineria sistemelor de control, procesarea de semnale și AI, medicina trece de la o abordare reactivă la una proactivă, precisă și, cel mai important, personalizată.
de Radu Dănescu
de Ovidiu Mățan
de Gelu Vac
