Ricercatori di LABORAF - Diagnostica e Ricerca San Raffaele S.p.A. hanno sviluppato e utilizzato per la prima volta un software neuro-fuzzy, un esempio di intelligenza artificiale applicata alle analisi di laboratorio

Per la prima volta ricercatori del San Raffaele hanno messo a punto un software per l'interpretazione dell'elettroforesi capillare, un esame utile allo studio delle proteine e molto importante nella diagnosi di alcune patologie del sistema immunitario. Il nuovo software, chiamato FuzzyLab, consente di ottenere risultati qualitativamente migliori e di abbattere di dell'80% i tempi di refertazione dell'esame, a tutto vantaggio non solo del medico ma anche del paziente.

FuzzyLab è un software di tipo neuro-fuzzy, si basa cioè su una combinazione di reti neurali e logica fuzzy. Le reti neurali sono una sorta di cervello artificiale in grado di migliorare continuamente la propria capacità di apprendimento. La logica fuzzy rende i processi di calcolo del computer più “flessibili”. Si tratta di una logica applicata già da qualche anno a molti prodotti di largo consumo che permette ad esempio alle lavatrici di ultima generazione di dosare acqua e detersivo in base al livello di sporco del bucato. Fuzzylab svolge rapidamente e in modo del tutto automatizzato e standardizzato il lavoro di interpretazione dell'elettroforesi capillare fino ad oggi eseguito manualmente e soggetto all'interpretazione del medico. “In un laboratorio di grandi dimensioni” – spiega Stefania Del Rosso, responsabile del laboratorio di Proteine di Laboraf-Diagnostica e Ricerca San Raffaele– “si effettuano ogni giorno in media 350 elettroforesi, la cui lettura richiede ad un medico esperto almeno due ore di lavoro. Per svolgere lo stesso compito il software impiega solo 20 minuti.

In questo modo il medico può distinguere velocemente tra esiti “normali” e patologici e dedicare quindi il tempo risparmiato all'analisi degli esami più critici e più difficili da interpretare”. L'elettroforesi capillare analizza le proteine del siero e, oltre a fornire indicazioni di carattere molto generale su stati infiammatori e possibili sofferenze epatiche, serve per rivelare la presenza di una componente monoclonale - un insieme di anticorpi tutti uguali tra loro - prodotto in diversi casi di alterazioni del sistema immunitario. Le componenti monoclonali sono correlate ad esempio a patologie linfoproliferative maligne come il mieloma multiplo, la leucemia linfatica cronica e i linfomi; l'elettroforesi può inoltre essere importante per sottoporsi a una TAC. In questo caso, infatti, la presenza di una componente monoclonale può interferire con alcuni mezzi di contrasto utilizzati per l'esame, scatenando una pericolosa reazione anafilattica.

Per imparare a leggere le analisi, FuzzyLab è stato sottoposto a un vero e proprio addestramento articolato in tre fasi. Nella fase iniziale il software “allievo” è stato istruito a riconoscere la forma delle curve elettroforetiche normali con un algoritmo matematico, sulla base dei dati forniti dal medico “addestratore”. Nella seconda fase sono state messe a punto e inserite nel computer le formule matematiche per l'identificazione delle curve patologiche. Nella terza fase, di validazione del sistema, l'interpretazione manuale e quella di FuzzyLab sono state messe a confronto per valutarne il margine di errore, risultato inferiore al 2%.

Il sistema è estremamente flessibile e potenzialmente in grado di incrementare il proprio aggiornamento con l'esperienza, via via che i medici addetti utilizzano il programma e inseriscono nuovi dati, così com'è nella logica delle reti neurali. “I vantaggi di questo approccio sono importanti e molteplici sia per il medico sia per il paziente”, dice Michelangelo Murone, vice-direttore di Laboraf. “Il primo e più evidente è la riduzione dei tempi di refertazione che permette all’analista di avere più tempo a disposizione per esaminare i tracciati patologici. Non meno importante è il miglioramento della qualità interpretativa, che si traduce in una refertazione innanzitutto più sicura, perché le curve patologiche vengono analizzate in doppio, prima dal software e poi dal medico, ma anche più oggettiva e standardizzata, perché Fuzzylab riduce la probabilità di errori ed elimina il rischio di differenze interpretative legate al fattore umano”.

Logica fuzzy, reti neurali e software neuro-fuzzy: approfondimento

Il programma FuzzyLab, sviluppato da Lorenzo Schiavina, professore di matematica all'Università Cattolica di Brescia, è un sistema esperto di tipo neuro-fuzzy, cioè un'applicazione che appartiene all'area dell'intelligenza artificiale, basata su una fusione di reti neurali e logica fuzzy. Le reti neurali sono strumenti di calcolo che riproducono la struttura di base e i processi di apprendimento del cervello, in modo tale da poter essere addestrate con particolari algoritmi a fornire le stesse risposte che darebbe un esperto umano a specifiche richieste.

La logica fuzzy è invece un'estensione della tradizionale logica binaria (del “sì o no”, del “vero o falso”) su cui sono basati i normali programmi per computer ed è stata introdotta proprio per superare questo eccessivo schematismo. “Fuzzy” in inglese significa infatti vago, indefinito, sfumato, e la logica fuzzy permette ai computer di non classificare i dati che deve elaborare solo come “tutto bianco” o “tutto nero”, ma anche di considerare le innumerevoli vie di mezzo comprese tra i due estremi, pur mantenendo il rigore matematico tipico del calcolatore. È dunque particolarmente adatta a rappresentare la conoscenza di un esperto umano della realtà, che è variegata, multiforme e sfaccettata.

Laboraf – Il laboratorio di analisi del San Raffaele

Laboraf, Diagnostica e Ricerca San Raffaele S.p.A., nasce nel giugno del 2002 da un'esperienza di oltre 30 anni nel campo della diagnostica e della ricerca di laboratorio all'interno dell'Istituto Scientifico Universitario San Raffaele. Dal 1970 fino ad oggi i settori di analisi si sono diversificati e specializzati fino a comprendere oltre 25 laboratori specialistici, tutti dotati di strumentazione all’avanguardia e in grado di avvalersi delle tecniche di indagine diagnostica più moderne.

Esegue più di 6.000.000 di analisi di laboratorio all'anno, 700 tipi diversi di test, 50 metodiche nuove ogni anno. Conta oltre 2.000 utenti al giorno e 300 clienti in service. Dal 1998 tutti i laboratori di analisi Laboraf sono certificati UNI EN ISO 9002 e dal 2002 UNI EN ISO 9001:2000.

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