Los chips de silicio y salvar la vista de las personas son el legado de los investigadores de quirófano

Jul 05, 2023

La investigación que involucra inteligencia artificial (IA), realizada a fines de la década de 1990 por Ken Tobin y otros en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, está detrás de la tecnología que ahora se usa en las clínicas de atención médica de una cadena de farmacias para proporcionar diagnósticos telemédicos que salvan la vista a cientos de miles de pacientes diabéticos.

Imagínese esto: un paciente que se enteró recientemente de un proveedor de atención médica en una clínica de farmacia que tiene diabetes regresó a la clínica para un examen de la vista.

En ese escenario, el proveedor de la farmacia tomó fotos de ambos ojos con una pequeña cámara. Subió las imágenes desde una computadora a un sitio de Internet que un oftalmólogo que trata enfermedades y trastornos oculares puede ver de forma remota. El diagnóstico se le enviará por correo electrónico en aproximadamente un día y ella le notificará al paciente los resultados.

Ella podría haberle dicho al paciente: "Debe hacerse este examen todos los años. Una complicación grave puede ser la retinopatía diabética. Ahí es cuando los niveles altos de azúcar en la sangre pueden dañar los pequeños vasos sanguíneos de la retina en la parte posterior de los ojos".

"La enfermedad eventualmente puede dejarlo ciego. Pero si lo detectamos lo suficientemente temprano antes de que se dé cuenta de que está perdiendo la vista, puede someterse a una cirugía con láser para salvar su vista".

El oftalmólogo que realiza el diagnóstico utiliza un sistema de recuperación de imágenes basado en contenido (CBIR) que busca automáticamente y compara las imágenes del ojo del paciente con imágenes del ojo similares en una gran base de datos. El archivo incluye imágenes que presentan firmas de ojos sanos, de ojos que muestran los primeros signos de retinopatía diabética (que se puede corregir con cirugía láser) y de ojos tan gravemente afectados por la enfermedad que la ceguera es inevitable.

¿Cuál es el origen de esta tecnología que ha llevado al uso conveniente de los servicios de CVS MinuteClinic y endocrinólogos? Se deriva de la investigación que involucra a la IA realizada por Tobin y otros en ORNL.

Tobin, director de investigación y asociaciones universitarias de Oak Ridge Associated Universities desde 2020, describió los sistemas CBIR que él y sus colegas de ORNL desarrollaron y patentaron durante una charla reciente sobre sus 35 años de innovación y liderazgo para Friends of ORNL. Dijo que el desarrollo de CBIR fue "un predecesor de los avances de IA sobre los que leímos en las noticias últimamente, como ChatGPT".

"Cuando pienso en mi carrera, lo que me hace dormir bien por la noche es el logro del diagnóstico telemédico de retina porque salva o mantiene la visión de miles de pacientes", dijo Tobin, quien se describió a sí mismo como "un tipo de imágenes que usó IA. "

Agregó que también estaba orgulloso del desarrollo tecnológico que encabezó y que ha ayudado a la industria de semiconductores de EE. UU. a "mejorar el rendimiento del producto y reducir el desperdicio" para lograr dispositivos de alta calidad y aumentar las ganancias de la industria. Los dispositivos semiconductores, también conocidos como "chips", son componentes esenciales en los circuitos electrónicos de nuestros automóviles, computadoras portátiles, tabletas inteligentes y teléfonos inteligentes.

La tecnología de recuperación automatizada de imágenes de semiconductores de ORNL ocupa el noveno lugar entre los 10 principales éxitos de transferencia de tecnología del laboratorio. Estas 10 tecnologías principales representan el 48% de las regalías del laboratorio.

El trabajo inicial de Tobin con Shaun Gleason, Tom Karnowski y otros para SEMATECH, un consorcio de empresas de semiconductores como Hewlett Packard, IBM y Motorola, condujo al desarrollo de un sistema CBIR para fabricantes, gracias a la financiación de Investigación y desarrollo dirigidos por laboratorio (LDRD) en 1998-99 de ORNL.

Las empresas de semiconductores producen obleas de silicio, que crean circuitos integrados en dispositivos electrónicos. Una oblea, de 8 a 11 pulgadas de ancho, puede contener hasta 600 chips semiconductores, cada uno de los cuales tiene potencialmente millones o miles de millones de transistores. Una sola oblea, que puede tener hasta tres millones de componentes, cuesta miles de dólares.

"Los fabricantes de chips quieren saber cómo el proceso de fabricación puede producir chips malos o defectuosos", dijo Tobin. Para mejorar la cantidad de chips buenos y minimizar la cantidad de malos, el fabricante debe determinar rápidamente cuál de los complicados procesos de fabricación de semiconductores es defectuoso y necesita reparación.

Tobin y sus colegas desarrollaron un clasificador de imágenes digitales de obleas individuales proporcionadas por empresas de semiconductores que tenían rayones y otros defectos en diferentes patrones. Estos mapas fueron etiquetados como firmas de una máquina que no funciona correctamente o que produce contaminación por partículas durante un proceso de recubrimiento o deposición química que forma las capas de una oblea.

Al hacer coincidir imágenes de obleas recién formadas con imágenes en una base de datos, "nuestro clasificador generó rápidamente resultados sobre qué procesos debían corregirse y envió automáticamente informes cada hora, día o semana para producir ingenieros", dijo Tobin. "Varias empresas que trabajaban con SEMATECH querían nuestra tecnología en su fábrica" ​​porque les ayudaría a reducir los desechos, aumentar la eficiencia y aumentar las ganancias.

Desafortunadamente, dado que ORNL solo tenía un acuerdo de trabajo para otros con SEMATECH, no podía cobrar regalías de la licencia de SEMATECH de la tecnología del laboratorio a empresas de semiconductores fuera del consorcio. Entonces, UT-Battelle, el gerente del laboratorio, desarrolló "propiedad intelectual de fondo" que condujo a patentes inicialmente con licencia para Applied Materials y luego con licencia en 2004 para Rudolph Technologies. ORNL recibió regalías de 2004 a 2019 por su análisis automatizado de firmas de defectos que permitió mejoras en los procesos de fabricación de semiconductores.

Los investigadores de ORNL han desarrollado sistemas CBIR con grandes depósitos de datos pictóricos para imágenes médicas de órganos en animales pequeños para determinar estados de enfermedades y para imágenes geoespaciales por satélite para identificar ubicaciones de centrales eléctricas y bases de la fuerza aérea.

Tobin se involucró en el diagnóstico automatizado de enfermedades oculares cuando Lee Riedinger, quien pasó muchos años en la Universidad de Tennessee en Knoxville como físico y director de investigación, trabajó a principios de este siglo como subdirector de ciencia y tecnología en ORNL. Riedinger invitó a profesionales de la salud al laboratorio del Centro de Ciencias de la Salud de UT en Memphis. Así fue como Tobin conoció a Edward Chaum del Instituto del Ojo de Hamilton del centro.

"Estaba trabajando con pacientes que tenían retinopatía diabética y degeneración macular relacionada con la edad", dijo Tobin. "Quería saber si me proporcionaba un gran depósito de imágenes oculares si podía automatizar el diagnóstico de enfermedades oculares y detectar la retinopatía diabética lo suficientemente temprano como para prevenir la ceguera".

Se estima que 100 millones de personas en el mundo están afectadas por la retinopatía diabética.

Tobin, Karnowski y Chaum recibieron una patente para "un método para el diagnóstico de la ceguera ocular utilizando contenido de imágenes y un archivo de datos de pacientes humanos diagnosticados".

Montaron una red Telemedical Retinal Image Analysis and Diagnosis (TRIAD) en nueve sitios en tres estados. La red de prueba demostró que el concepto podría tener éxito.

Sin embargo, los intentos iniciales de UT-Battelle de licenciar TRIAD a una empresa fracasaron debido a las preocupaciones sobre la renuencia de la Administración de Alimentos y Medicamentos a aprobar técnicas de diagnóstico que utilizan IA. Entonces, TRIAD obtuvo la licencia en 2009 para la nueva empresa de Tobin, Hubble Telemedical Inc. en Knoxville.

En 2010, su empresa recibió una inversión de capital de riesgo de Memphis Biomed Ventures, lo que permitió la contratación de un director general, programadores informáticos y especialistas en marketing.

"Teníamos suscripciones a nuestro servicio remoto de detección de retinopatía diabética", dijo Tobin.

En enero de 2015, Hubble fue adquirido por una empresa de Nueva York, Welch Allyn Inc., una empresa líder en dispositivos de diagnóstico médico que ofrecía innovación práctica en el punto de atención. En junio de 2015, Hill-Rom, Inc. adquirió Welch Allyn.

En 2022, Hill-Rom llegó a un acuerdo con CVS MinuteClinic para evaluar a los clientes en busca de enfermedades que causan ceguera con la ayuda de un lector certificado. Entonces, la visión de Tobin de usar técnicas de visión por computadora para automatizar la búsqueda de imágenes que puedan vincularse a procesos de fabricación erróneos culminó en una tecnología que está salvando la visión de miles de personas.