La conception de la méthode proposée basée sur les moustaches artificielles, inspirée des moustaches de rat, offre une approche prometteuse pour le dépistage des maladies gastro-intestinales. A, B Illustrent le mécanisme de fonctionnement des moustaches de rat lorsqu’elles se déplacent dans un environnement semblable à un tuyau sans lumière. CA simule le tractus intestinal avec des changements pathologiques. D, E Démontrer la conception de validation de principe du système de moustaches artificielles proposé et la routine de dépistage clinique avec le système proposé. Ici, nous nous concentrons sur un sous-système à canal unique, qui pourrait également faciliter le diagnostic clinique. Crédit: npj robotique (2023). DOI : 10.1038/s44182-023-00003-8
Les maladies gastro-intestinales (GI), dont les symptômes peuvent être variés et douloureux, peuvent entraîner de graves problèmes de santé et constituer un formidable défi sanitaire dans le monde entier. Pour ces maladies, un diagnostic et une intervention précoces sont cruciaux pour le succès du traitement et la réduction du risque de mortalité.
Les modalités de diagnostic existantes des maladies gastro-intestinales sont généralement optiques et soumises à une qualité d’image limitée. De plus, ils n’ont pas la capacité de fournir des informations sur les anomalies tissulaires telles que la raideur ou les problèmes structurels.
Cependant, une équipe de recherche de l’Imperial College de Londres et de l’Université Fudan de Shanghai a proposé une nouvelle méthode de diagnostic sensoriel tactile qui pourrait compléter ou même améliorer les modalités optiques existantes. Leurs travaux sont publiés dans npj robotique.
L’analyse de la modélisation d’un système basé sur des moustaches artificielles, comprenant des modèles statiques et dynamiques, qui fournit un aperçu de son mécanisme de fonctionnement. A Le modèle statique du système de moustaches. Généralement, la moustache artificielle peut être modélisée comme une poutre en porte-à-faux avec une extrémité libre, ce qui satisfait à l’équation de Bernoulli-Euler. Le statique indique que le luminaire est fixé pendant la phase de détection. B Une solution analytique du problème de précision de localisation dans le modèle statique. Cette conception entraînera des changements d’angle de flexion indiscernables sur lesquels le système s’appuie pour compléter la perception de la distance à mesure que la distance entre la moustache et la cible augmente. Modèle dynamique motorisé de système de moustaches CA, qui peut fournir une capacité de détection plus robuste au prix d’un volume important et difficile à intégrer fortement. Modèle dynamique de variante DA utilisant une force de mouvement externe pour le piloter, caractérisé par une intégration et une robustesse plus élevées. Crédit: npj robotique (2023). DOI : 10.1038/s44182-023-00003-8
Modalités de diagnostic existantes et leurs limites
L’endoscopie conventionnelle est une méthode de dépistage mini-invasive, actuellement et largement utilisée, par laquelle les cliniciens peuvent utiliser un endoscope flexible équipé d’une petite caméra pour rechercher des signes de maladie dans le tractus gastro-intestinal d’un patient. Cependant, l’endoscopie étant une méthode basée sur la vision, l’environnement sombre et restreint dans lequel elle opère peut nuire à la qualité des images qu’elle peut fournir.
Une autre méthode est l’endoscopie par capsule sans fil, dans laquelle un patient avale une minuscule capsule photographique capable de transmettre sans fil des images aux cliniciens pour un diagnostic. Bien que l’endoscopie par capsule soit reconnue comme une méthode de dépistage complémentaire peu coûteuse, facile à utiliser et peu intrusive, les images qu’elle fournit sont soumises à des problèmes de qualité similaires à ceux de l’endoscopie conventionnelle. De plus, une endoscopie conventionnelle peut encore être nécessaire pour établir un diagnostic détaillé après une endoscopie par capsule.
Les chercheurs ont également développé et testé diverses méthodes de chromoendoscopie, mais celles-ci sont soumises à des problèmes de qualité d’image similaires et peuvent nécessiter l’utilisation d’agents colorants biocompatibles, ce qui n’est pas toujours réalisable. De plus, une méthode de chromoendoscopie a donné des résultats de recherche ne montrant aucune amélioration des taux de détection des polypes.
Le rat et la structure anatomique des follicules. (A) Les moustaches du rat jouent un rôle crucial dans la capacité de détection et de navigation dans le monde réel. (B) plusieurs mécanorécepteurs dans les follicules. Crédit: npj robotique (2023). DOI : 10.1038/s44182-023-00003-8
Comment les moustaches de rat peuvent éclairer une nouvelle modalité de diagnostic
Pendant ce temps, les chercheurs de cette nouvelle proposition se sont inspirés du mécanisme sensoriel des moustaches de rat. Un peu de contexte : les rats ont une mauvaise vue. Tout comme les humains utilisent le bout de leurs doigts, les rats utilisent leurs moustaches pour les aider à percevoir des informations sur leur environnement physique, qui est souvent sombre et confiné.
Sachant que les moustaches artificielles développées lors de recherches antérieures avaient donné de bons résultats dans des tâches impliquant la perception de distance et la discrimination de texture, l’équipe de recherche a vu une opportunité pour leur utilisation dans le dépistage des maladies gastro-intestinales. Le npj robotique La proposition décrit « un système matériel biomimétique basé sur des moustaches artificielles avec une capacité d’auto-apprentissage basée sur l’intelligence artificielle » à cet effet.
La conception du système matériel proposé pour la détection artificielle basée sur les moustaches, qui comprend un capteur basé sur les moustaches, des circuits de conditionnement de signal et l’algorithme de contrôle intégré. Le circuit de prétraitement AA (étiqueté 3 en B), un amplificateur de charge, est conçu pour réaliser l’adaptation d’impédance, ainsi que la conversion du signal de charge en tension. B La structure du capteur à moustaches. Dans cette conception, une corde de guitare, constituée d’une âme fine entourée d’un fil de fer, est utilisée comme manche de moustache. Un film PVDF est utilisé comme transducteur utilisant des propriétés piézoélectriques compte tenu de sa large plage dynamique. C La structure du circuit de conditionnement du signal contient une coque supérieure d’impression 3D (étiquetée 1), une carte PCB du circuit de conditionnement du signal (étiquetée 2), une batterie Li-ion (étiquetée 3) et une partie inférieure d’impression 3D. coquille (étiquetée 4). D Organigramme du programme de contrôle intégré pour la transmission des commandes et l’échange de données. E Le cadre du circuit de conditionnement du signal, qui contient un système AFE, un système MCU et un système d’alimentation. Le protocole SPI est utilisé pour le contrôle de synchronisation et l’interaction données/instructions entre le MCU et le système AFE. Crédit: npj robotique (2023). DOI : 10.1038/s44182-023-00003-8
Fouet et IA
Les follicules dans lesquels sont enracinées les moustaches du rat sont en grande partie responsables de leur capacité sensorielle. En intégrant ces connaissances, l’équipe a conçu et testé plusieurs versions de systèmes matériels statiques et dynamiques, dont elle discute dans son article. Ils ont finalement déterminé qu’un modèle dynamique avec un mouvement entraîné de l’extérieur (par opposition au mouvement entraîné par un moteur monté, qu’ils ont également évalué) offrirait la meilleure capacité de détection à des fins de diagnostic.
Le modèle proposé incorporerait un mouvement de fouet continu pour fournir des informations basées sur la perception de la distance plutôt que sur une localisation précise.
“Sur la base de cette idée, un algorithme d’apprentissage profond est développé pour le mappage paramétrique non linéaire en termes de signal de sortie et de paramètres d’intérêt, tels que les informations texturales, la dureté et l’estimation de la distance, de cette manière, pour traduire le résultat dans le format pertinent. informations pour aider au diagnostic clinique », indique la recherche.
De manière très détaillée, l’article discute du modèle proposé ainsi que des expériences de référence des chercheurs sur l’évaluation du bruit inhérent et de la fonction centrale. Il décrit également l’étude pilote de l’équipe de recherche, dont les résultats de précision des tests déclarés « étaient en moyenne de 94,44 % avec 0,9167 kappa ».
L’équipe conclut qu’en fournissant des détails sur la structure et la texture du tractus gastro-intestinal, la méthode tactile proposée pourrait grandement améliorer ou fonctionner avec les modalités de diagnostic optique actuelles. Les chercheurs suggèrent qu’une étude plus approfondie des propriétés mécaniques et physiques de la moustache artificielle, ainsi que la conception du système de matériel multicanal qui l’accompagne, pourraient aider à mener à bien cette méthode de diagnostic.
Plus d’information:
Zeyu Wang et al, Perception tactile : une méthode biomimétique basée sur les moustaches pour le dépistage clinique des maladies gastro-intestinales, npj robotique (2023). DOI : 10.1038/s44182-023-00003-8
© 2023 Réseau Science X
Citation: Une équipe de recherche propose un nouveau système de diagnostic gastro-intestinal basé sur l’IA et inspiré des moustaches de rat (7 novembre 2023) récupéré le 7 novembre 2023 sur
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