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martedì, Giugno 18, 2024
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IL NASO ELETTRONICO

Lo strumento che identifica la “firma molecolare” del cancro al polmone

Il naso elettronico, sviluppato dallo IEO in collaborazione con l’Università Tor Vergata di Roma, è un apparecchio in grado di identificare la “firma molecolare” del cancro polmonare, vale a dire un insieme di particelle prodotte dal tumore (VOC, composti organici volatili) rilevabili nel respiro, che svelano l’eventuale presenza della malattia.

Nessun naso elettronico fino ad ora aveva mai identificato uno stadio iniziale del tumore (Stadio I) e per questo ora si aprono prospettive nuove e significative per l’anticipazione diagnostica di questo tumore, la cui guaribilità è direttamente correlata alla precocità della diagnosi. 

L’apparecchio messo a punto dai ricercatori IEO è semplice da usare (l’esame può essere eseguito dal medico di famiglia), facile da effettuare (la persona deve semplicemente respirare in un sacchetto-contenitore che non disperda il suo esalato), e non richiede medicalizzazione: nessun raggio, nessun prelievo.

Il naso elettronico IEO è una matrice di 8 cristalli di quarzo ed è in grado di rilevare nel 92% dei casi il cancro del polmone al primo stadio della sua formazione, identificando un insieme di particelle prodotte dal tumore stesso (VOC, composti organici volatili) che si trovano nel respiro.

Ad oggi, grazie anche al contributo della Fondazione IEO-CCM, è stato avviato un progetto di analisi di respiro, urine e sangue su un’ampia corte di soggetti sani e tumorali. Il progetto vuole inoltre combinare le singole informazioni ottenute dai fluidi biologici in modo da sviluppare un algoritmo diagnostico, che potrebbe identificare la malattia in fase precoce ed aumentare la possibilità di cura e sopravvivenza del paziente.

L’analisi delle diverse componenti metaboliche tumorali potrebbe anche permettere di identificare nuovi biomarcatori del cancro del polmone utili nella pratica clinica.

Fonte: FONDAZIONE IEO-MONZINO

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Panoramica dello sviluppo del naso elettronico

L’olfatto non è solo uno dei cinque organi di senso degli esseri viventi, ma svolge anche un ruolo importante negli esseri viventi. La percezione olfattiva consiste nell’attivare i recettori olfattivi da parte delle sostanze odorose e inviare segnali elettrici al cervello per identificare i tipi di odori.Istintivamente, può fare affidamento sull’olfatto per percepire il pericolo, trovare cibo e contrassegnare i luoghi. Con lo sviluppo della civiltà e il rapido sviluppo della tecnologia, l’applicazione dell’olfatto è diventata sempre più ampia, come ad esempio: distinguere il deterioramento del cibo in base all’odore, distinguere il tipo di chicchi di caffè o addestrare i cani antidroga per rintracciare le droghe, ecc. Nelle applicazioni di cui sopra, un giudizio olfattivo accurato richiede una formazione a lungo termine e l’accumulo di esperienza, ma questo processo non solo richiede tempo e denaro, e l’olfatto biologico non ha uno standard equo per il giudizio e la descrizione dell’odore ed è suscettibile di lo stato biologico e psicologico degli organismi. Pertanto, è possibile utilizzare il risultato del giudizio in dati. , Un sistema olfattivo artificiale espresso in modo oggettivo.

L’olfatto artificiale può essere fatto risalire al 1982. Persaud e Dodd dell’Università di Warwick nel Regno Unito hanno pubblicato su Nature [1] che hanno utilizzato tre semiconduttori per formare una serie di sensori per simulare il sistema olfattivo dei mammiferi.Sensori diversi hanno effetti diversi sullo stesso gas. La risposta è distinguere i tipi di gas per permutazione e combinazione. L’articolo menzionava: “Il naso elettronico è una combinazione di sistemi microelettronici e semplici principi olfattivi per distinguere gli odori e può essere utilizzato come strumento di controllo della qualità nell’odore -Finora, il sistema di naso elettronico può determinare rapidamente e con precisione il gas e dare uno standard di giudizio oggettivo all’odore. Non solo ha raggiunto l’efficacia nel controllo della qualità industriale, ma ha anche sviluppato più applicazioni nella vita.

Figura 1. Le molecole dell’odore stimolano le cellule epiteliali olfattive a inviare segnali elettrici alla corteccia cerebrale per formare sinapsi nervose per formare il senso dell’olfatto

Una nuova generazione di naso elettronico combinato con l’intelligenza artificiale

L’olfatto si basa su milioni di cellule olfattive che reagiscono con il gas per trasmettere segnali elettrici in diverse permutazioni e combinazioni per formare una trama olfattiva, che viene analizzata e distinta dal cervello. Allo stesso modo, il sistema di naso elettronico si basa su cambiamenti nella natura della serie di sensori e il gas da misurare in misura diversa.Il segnale elettronico viene catturato dal circuito di interfaccia del segnale e inviato al computer.Dopo che il segnale è stato elaborato, esso diventa un modello o chiamato un gas specifico Impronte digitali elettroniche, quindi utilizzare queste impronte digitali come base per i calcoli da confrontare con il database stabilito e classificarle ulteriormente per identificare il tipo e la concentrazione del gas da misurare.
Il sistema nasale elettronico non solo può visualizzare le informazioni sugli odori, eseguire analisi obiettive e rilevare gas incolore e inodore. Man mano che l’applicazione diventa sempre più diffusa, la domanda di nasi elettronici diventa sempre più complicata. I metodi di classificazione semplici non possono più risolvere il problema senza problemi. Pertanto, con l’introduzione dell’intelligenza artificiale, non solo le prestazioni dei nasi elettronici sono notevolmente migliorato, ma anche in varie applicazioni Raggiungi risultati migliori che mai.
L’intelligenza artificiale è simile al ragionamento umano e ai giudizi sulle informazioni memorizzando una grande quantità di conoscenze pregresse o qualche tipo di regole di ragionamento.Oggi non solo può sostituire il semplice lavoro umano, ma anche quando ci sono troppi dati, può utilizzare enormi L’elaborazione hardware può ottenere prestazioni migliori rispetto agli umani. Negli ultimi anni, con l’innovazione delle apparecchiature hardware, l’intelligenza artificiale ha iniziato ad essere ampiamente utilizzata nella vita.Ad esempio, il sistema di ricerca di GOOGLE rende più comoda la ricerca, utilizzando la fotocamera per determinare l’identità di una persona, o negli ultimi anni AlphaGo, che è sulla scacchiera.E così via, fanno parte dell’intelligenza artificiale anche i metodi di machine learning che trovano largo impiego nel campo dei nasi elettronici.
L’apprendimento automatico è un algoritmo di apprendimento basato sulla teoria statistica. Elabora principalmente una grande quantità di dati complessi e ottiene le regole attraverso l’induzione. Questa funzione è ampiamente utilizzata negli attuali sistemi di naso elettronico. Quando il naso elettronico ottiene le impronte digitali di vari gas, è necessario Analizzare i dati immediatamente o ulteriormente dipende da algoritmi di apprendimento automatico, come l’analisi delle componenti principali (PCA), la classificazione K-nerest neighbor (KNN), ecc. Questi algoritmi non solo rendono il naso elettronico più preciso e veloce Il calcolo del naso elettronico rende l’applicazione del naso elettronico non più solo per giudicare il tipo di gas puro.

Figura 2 Combinando l’intelligenza artificiale, il funzionamento del sistema nasale elettronico è più vicino al giudizio olfattivo umano

L’esame rapido e non invasivo accelera notevolmente la diagnosi clinica

Nell’antica medicina cinese c’era un detto: “Guarda, annusa, chiedi e taglia”. Poiché l’uso del naso per giudicare l’odore anomalo può essere troppo soggettivo e fare affidamento su un giudizio empirico, il sistema del naso elettronico può svolgere un importante mezzo tra di loro e diventare una delle basi per la diagnosi del medico. Ad esempio, i pazienti diabetici con chetoacidosi avranno in bocca un odore di frutta avariata e i pazienti con funzionalità renale anormale avranno in bocca odore di urina o di pesce.

Queste condizioni che producono odori particolari in bocca sono chiamate “alitosi patologica”. La diagnosi non è sufficiente per essere la base principale, ma spesso influenza la decisione del medico se effettuare ulteriori esami. Allo stato attuale, sono state condotte ricerche sui nasi elettronici per rilevare se i soggetti hanno diabete e malattie gastrointestinali[2][3], confermando la fattibilità dei nasi elettronici in quest’area.


Oltre a rilevare odori particolari nei pazienti, i nasi elettronici possono anche rilevare patologie che i medici non possono annusare, ad esempio l’aria espirata dai pazienti con polmonite è una di queste. La polmonite è stata elencata come una delle dieci principali cause di morte a Taiwan per molti anni, ed è addirittura salita alla terza causa di morte nel 105.

La sua gravità non può essere ignorata. Ogni volta che un medico scopre che un paziente soffre di sintomi di polmonite, prenderà medicine per alleviare i sintomi in base alla sua esperienza.Allo stesso tempo, eseguirà esami del sangue o test di coltura dell’espettorato per scoprire i batteri che causano la polmonite e quindi prescriverà il medicina giusta.

Questi processi richiedono da tre a cinque giorni.Ha perso il periodo di trattamento d’oro e ha causato rimpianti. Precedenti studi hanno scoperto che diversi batteri della polmonite possono secernere gas unici nei polmoni dei pazienti.Il naso elettronico non solo può rilevare i cambiamenti in questi gas, ma ha anche caratteristiche non invasive, igieniche e sicure, quindi viene utilizzato in clinica Può identificare rapidamente i batteri della polmonite, il che non solo riduce notevolmente i tempi di diagnosi, ma aiuta anche i medici a somministrare immediatamente i farmaci per il trattamento. 

Oltre alla polmonite e al diabete sopra menzionati, il sistema nasale elettronico viene utilizzato anche per distinguere il cancro del polmone [4], la polmonite cronica ostruttiva (BPCO) [5], ecc. Si ritiene che il naso elettronico svolgerà un ruolo importante nella diagnosi medica futura Un ruolo indispensabile.

Figura 3 Assistenza ai medici nella diagnosi tramite esame di insufflazione non invasivo

Il monitoraggio ambientale in tempo reale migliora la sicurezza della vita

I gas comunemente pericolosi nell’ambiente includono monossido di carbonio, anidride carbonica, formaldeide, ozono, ecc. Quando si inalano grandi quantità di questi gas, quelli lievi provocano mal di testa, vertigini e asma e quelli gravi provocano ipossia nel cervello e causare paralisi o morte. Ecco perché lo Yuan legislativo ha approvato la “Legge sulla gestione della qualità dell’aria interna” in terza lettura l’8 novembre 100. La ragione legislativa menzionava: “Tutti trascorrono circa il 90% del tempo nell’ambiente interno ogni giorno, che migliora efficacemente l’ambiente interno. La qualità è l’unico modo per proteggere la salute delle persone. “Dopo la legislazione, la questione della qualità dell’aria è stata gradualmente prestata attenzione e la domanda di design decorativo per migliorare la sicurezza interna è aumentata notevolmente Sebbene il miglioramento attivo della ventilazione possa effettivamente migliorare la qualità dell’aria, i rischi di gas pericolosi sono sempre inevitabili.Ad esempio: anche se lo scaldabagno è installato all’aperto, il monossido di carbonio prodotto dalla combustione incompleta può defluire nell’ambiente domestico a causa della direzione del vento, e può essere deplorevole, oppure la rottura del gasdotto può causare la fuoriuscita di gas o gas naturale, che può causare un’eccessiva concentrazione di gas infiammabile nell’ambiente.La notizia di esplosioni di gas si sente anche di tanto in tanto per tempo, quindi il monitoraggio passivo del gas è anche uno dei più importanti nella gestione della qualità dell’aria. Il monitoraggio dei gas può non solo rilevare i gas pericolosi per la prima volta, ma anche visualizzare i cambiamenti nella concentrazione di gas pericolosi e fornire avvisi quando la concentrazione supera lo standard o quando la concentrazione aumenta in modo anomalo per prevenire disastri.

Oltre ai gas pericolosi che esistono in luoghi specifici, come gli alcani nelle miniere, l’anidride solforosa emessa dalle fabbriche e i gas di scarico del vapore e delle locomotive sulle strade, sono anche in agguato nelle case o ovunque, quindi la domanda di apparecchiature di monitoraggio è aumentata in modo significativo. I tradizionali strumenti di monitoraggio del gas sono spesso costosi e troppo grandi per essere adatti per l’installazione in punto fisso.Al contrario, i sistemi nasali elettronici hanno costi di produzione inferiori, sono facili da produrre in grandi quantità e sono di piccole dimensioni e portatili.Non solo possono essere ampiamente utilizzato in qualsiasi luogo. , Può essere divulgato presso il grande pubblico, monitorando se l’attuale gas ambientale è nocivo in qualsiasi momento e diventando un aiuto per migliorare la sicurezza della vita.

Figura 4 Il naso elettronico rileva rapidamente i gas pericolosi e fornisce segnali di avvertimento per prevenire disastri

Stato di ricerca e scoperta della tecnologia del naso elettronico intelligente domestico

Il naso elettronico ha un sensore front-end per rilevare gas e analisi del segnale back-end.Dopo la combinazione con l’intelligenza artificiale, oltre a distinguere il tipo e la concentrazione di gas, può gestire ulteriormente problemi di classificazione complessi. Il naso elettronico può ottenere un’identificazione ad alta precisione stabilendo un database e fornire standard oggettivi di valutazione degli odori.Non solo migliora la soggettività e l’incertezza dell’identificazione artificiale in passato, ma rileva anche con precisione i gas che non possono essere annusati dall’olfatto biologico. Inoltre, il sensore front-end del sistema naso elettronico è economico e la struttura del sistema back-end è relativamente semplice.Può essere prodotto in serie e reso popolare tra il grande pubblico.L’uso di massa può continuare ad aumentare i dati del database cloud, non solo aumentare la stabilità del sistema e continuare ad adeguarsi Il sistema può essere utilizzato anche in altri campi e si prevede che diventi un “odore” temporaneo nella vita di oggi.

A livello nazionale, le tecnologie correlate al naso elettronico dell’intelligenza artificiale sono state sviluppate per molti anni.Tra queste, il sistema di naso elettronico dell’intelligenza artificiale sviluppato dal gruppo di ricerca del professor Zheng Guizhong del Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università Nazionale Tsing Hua può rapidamente individuare polmonite e cancro ai polmoni soffiando aria, e può anche monitorare i gas ambientali in tempo reale; I risultati sono stati ora trasferiti a Shichuang Biotechnology Co., Ltd., che è la prima azienda in Cina per nasi elettronici, iniettando nuova vitalità in l’industria del rilevamento del gas.

L’articolo è riprodotto dal Computer and Communication Monthly dell’Industrial Technology Research Institute

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