Il controllo della diffusione di ossigeno per areggiare meccanicamente i neonati è un processo che deve equilibrare continuativamente l'adeguata ossigenazione tissutale per evitare i possibili effetti tossici di esposizione dell'ossigeno. La tossicità dell'ossigeno svolge un ruolo nello sviluppo dell'affezione polmonare cronica in neonati che richiedono la ventilazione meccanica. In bambini prematuri, i livelli di variazione di esposizione dell'ossigeno sono implicati nello sviluppo di retinopatie della prematurità. A causa di questi effetti, il controllo dell'erogazione di ossigeno ai neonati arieggiati si è trasformato in una priorità nel trattamento neonatale.
Poiché un paziente può avere una maggior o minor richiesta di ossigeno - rilevabile tramite una misurazione della concentrazione dell'ossigeno - ma l'aumento manuale dell'erogazione può può subire ritardi legati ai tempi di reazione umani (cioè un operatore non può essere presente per rispondere immediatamente), sta aumentando la ricerca nel controllo assistito dal computer, anche se gli studi che riguardano i neonati sono molto pochi. E' stato realizzato un regolatore fuzzy (la logica è molto simile a quella vista per il condizionatore automatico) per la registrazione del tenore in ossigeno ispirato da neonati arieggiati. Il regolatore utilizza le regole studiate dai neonatologi e funziona in tempo reale. Una prova clinica di questo regolatore attualmente sta avvenendo nell'unità di cura intensa neonatale (NICU) dell'ospedale dei bambini, Boston, MA.
Il livello dello zucchero nel sangue, per una persona in condizioni normali, dovrebbe essere fra 80-120 mg per 100 ml. Se questo livello supera i 120 mg la persona potrebbe essere diabetica. Tuttavia, esistono determinate situazioni per cui una persona può non essere diabetica anche se il livello dello zucchero nel sangue supera i 120 mg. Ad esempio, dopo che una persona si è affaticata, il livello dello zucchero supera i 120 mg; ancóra, per una donna incinta, nel suo normale corso della gravidanza, il livello dello zucchero nel sangue può essere superiore a 120 mg. In entrambi questi casi non possiamo dire che i pazienti sono diabetici. Questa incertezza può essere trattata con la fuzzy logic applicandola ai microinfusori portatili da insulina.
Un sistema non-invasive è stato studiato all'UTS (University of Technology Sidney) per controllare l'ipoglicemia in pazienti diabetici. Il gruppo di ricerca è diretto da Nguyen del prof. Hung nella facoltà di ingegneria. Vari parametri fisiologici, compreso il sudore, il russare, la frequenza cardiaca, e segnali di EEG e di ECG, sono rilevati e controllati. Questi parametri sono elaborati con fuzzy logic, quindi evitano l'esigenza del prelievo e dell'analisi del sangue.
L'interfacciamento del sistema ad un PC può fornire ai medici un utile strumento per studiare e diagnosticare l'ipoglicemia in pazienti diabetici. Nelle situazioni critiche, il PC è stato collegato ad un sistema di allarme per avvertire il paziente ed il medico dell'inizio dello stato di ipoglicemia.
Il video di UTS è stato esaminato e calibrato nelle prove pre-cliniche nell'unità di ricerca del diabete al Prince of Wales Hospital di Sydney. E' stato costituito un fondo per facilitare ulteriori sviluppi, la prove cliniche e la commercializzazione del sistema di controllo dell'ipoglicemia. Altre applicazioni della tecnologia potrebbero includere il controllo dell'apnea durante il sonno e della sindrome improvvisa della morte in culla.
La maggior parte dei metodi di analisi dei dati provano a ricavare informazioni strutturali fuori dall'insieme di dati disponibili, ma appartenenti al sistema. Queste informazioni dovrebbero rappresentare più soddisfacentemente il sistema che produce l'insieme di dati. In sostanza, lo scopo è identificare parametri interni del sistema che non possono essere misurati direttamente.
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Figura 1: solamente se comprimete le vostre palpebre in modo che le immagini diventino "offuscate" (fuzzy), potrete riconoscere Abraham Lincoln.
Figura 2: per evitare di comprimervi dolorosamente le palpebre, osservare la figura a destra. Questa figura è stata ritoccata con un programma di fotoritocco in modo da aumentare le tonalità di grigio sfumando i contorni dei quadretti. Il risultato è un'immagine sbiadita, meno netta dell'originale, ma che aumenta il suo contenuto d'informazione: si percepisce un'immagine. |
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La logica fuzzy può aiutare a risolvere questo problema. Ecco un semplice esempio: osservate la figura 1. Con l'occhio umano quale sensore, l'aspetto dell'immagine è simile ad una collezione di quadretti in vari tonalità di grigi apparentemente senza senso. L'occhio umano è un sensore già abbastanza preciso in quanto può distinguere fra circa 100 differenti tonalità di grigio; tuttavia, anche con i migliori sensori, la figura 1 rimane una raccolta di quadrati grigi. Solamente se comprimete le vostre palpebre in modo che le immagini diventino "offuscate" (fuzzy), è possibile riconoscere l'immagine di Abraham Lincoln. La lezione appresa è che anche il metodo più accurato non darà le informazioni contenute nell'immagine. Anche se modificaste la tonalità di alcuni quadretti, non potreste risconoscere l'immagine di Lincoln: dovete sfumare i contorni dei quadretti; solo in questo modo aumenta il contenuto d'informazione. In altre parole, la visione d'insieme - quella della figura 2 - è maggiore della visione particolareggiata di singoli dettagli.
L'esempio discusso, può aiutare a capire come basandosi su regole dettate dall'esperienza di medici esperti, la fuzzy logic può permettere la realizzazione di programmi per il miglioramento del riconoscimento delle immagini restituite dalle apparecchiature diagnostiche (ecografia, TAC, PET, ecc.).
L'immagine a destra, ottenuta con PET (Positron Emission Tomography) evidenzia un'ischemia anterolaterale, visibile confrontando le immagini da sforzo e a riposo del miocardio acquisite dalla gammacamera DSTi. Il software MyoFLEX (Myocardial Fuzzy Logic EXpertise) è uno strumento particolarmente efficace nel quantificare con precisione la perfusione in ciascun settore degli strati ad asse corto cardiaci.
(l'immagine PET è tratta dal sito: www.gemedicalsystemseurope.com)
Dopo un intervento chirurgico al ginocchio, ai pazienti è richesto di limitare le sollecitazioni al ginocchio per un lungo periodo di convalescenza. Il problema è che gli esseri umani non dispongono di sensori per controllare le sollecitazioni. Quando si presenta il dolore, il ginocchio già soffre di un danno. Per risolvere questo problema, è stato un sensore di tensione e un sistema di analisi fuzzy di dati per progettare una scarpa capace di restituire un feedback.
La figura 3 mostra lo schema generale. L'inserto in silicone contiene un sensore di pressione fatto in materiale polimerico. Il sensore è collegato ad un'unità elettronica che si trova in una cinghietta attaccata alla caviglia mediante velcro. L'unità elettronica comprende un microprocessore, batterie, altoparlante e una tastiera numerica. L'altoparlante avvisa il paziente quando la forza limite è raggiunta. La conversione A/D (Analogica/digitale), l'elaborazione del segnale e l'analisi dei dati in logica fuzzy sono gestiti da un microprocessore ad 8 bit.
L'obiettivo del sistema fuzzy è stimare lo sforzo interno al ginocchio in base la segnale di tensione. Se l'80% del carico massimo accettabile è raggiunto, un beep avverte il paziente di muoversi più lentamente. Se il 90% del carico massimo accettabile è raggiunto, un beep ripetutp avverte il paziente di non muovere la gamba per un pò, e se il carico supera la soglia massima che è impostata dal medico mediante il tastierino nuemrico, il beep diviene continuo.
 Figura 3: La scarpa ortopedica comprende un'unità elettronica attaccata con velcro sopra la caviglia e di un sensore in uno strato di silicone |
 Figura 4:
tacco di silicone con sensore
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Lo scopo della ricerca è sviluppare un regolatore analogico a fuzzy logic per uno stimolatore cardiaco auto-adattabile. Questa nuova tecnologia è indirizzata alla progettazione e produzione di una nuova generazione di stimolatore cardiaci (pacemakers), o per migliorare quelli esistenti tramite un controllo più preciso ed affidabile ai processi di adattamento.
Lo stimolatore cardiaco dovrebbe essere adattabile al carico del cuore così come alle diverse caratteristiche del paziente. La gestione a fuzzy logic permetterà la regolazione adattativa di uno stimolatore cardiaco. Ciò è destinato per essere prodotto come circuito integrato personalizzato su ordinazione nella tecnologia in CMOS. Lo sviluppo CMOS in analogico contribuirà a ridurre la complessità del chip, l'assorbimento di energia edi densità d'integrazione, di formato e basso.
Finora è stato preparato uno studio preliminare sui differenti tipi di stimolatore cardiaci impiantati stabilmente che include un'analisi degli stati della risposta, della sopra-risposta e della sotto-risposta adattate. Uno studio sperimentale sulla frequenza cardiaca in relazione ai segnali di controllo negli individui sani durante i differenti sforzi delle prove, una ricerca e l'analisi critica dei possibili parametri di controllo, la definizione delle regole di individualizzazione iniziale usando un modello di controllo fuzzy logic.
Il progetto unisce la ricerca fondamentale ed applicata in parecchi campi e presenta interesse teorico, tecnologico e medico. I risultati che saranno ottenuti sono importanti nei domini dei modelli adattativi, hardware a fuzzy logic, dell'ingegneria biomedica e degli stimolatori cardiaci e saranno pubblicati in pubblicazioni specifiche e presentati ai congressi.
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Marcello Guidotti, copyright 2003-2004
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