“Manos a la obra”: Cómo la Universidad de Duke y AI for Health se apresuraron para crear una solución COVID-19 para los pacientes

La bebé de 7 meses lloraba. Amanda Randles la levantó, la abrazó y continuó con su reunión en videollamada desde casa. Cerca, su otro bebé de 7 meses comenzó a llorar. Randles dejó a una bebé, cargó al segundo y lo acunó mientras se calmaba. La rotación del llanto de los gemelos continuó durante la reunión.

No era una sesión ordinaria de trabajo desde casa para Randles, profesora asistente de ciencias biomédicas en la Universidad de Duke, y una de las expertas en el país en cómputo de alto desempeño e ingeniería biomédica.

Ella y un grupo de dos docenas de profesionales en tecnología y ciencia de la Universidad de Carolina del Norte y de Microsoft AI for Health, se presentaron entre ellos de manera virtual ese día de abril por primera vez, y el tiempo escaseaba. Se apresuraban para enviar una propuesta a la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA, por sus siglas en inglés) de Estados Unidos, para la autorización de uso de emergencia de un dispositivo en forma de Y llamado divisor de ventilador, y un sistema de resistencia para ayudar a los pacientes de COVID-19, ya que un número creciente de hospitales se enfrentaba a una escasez de ventiladores.

Muath Bishawi, colega de Randles, desarrolló el dispositivo, mientras que Randles y su equipo en Duke crearon el software para el sistema de resistencia del divisor de ventilador, a través de simulaciones de flujo de aire, para que pudiera ser personalizado para los pacientes.

Esa personalización es crucial para asegurar que los pacientes reciben la cantidad correcta de oxígeno. Aunque la FDA otorgó la aprobación de emergencia para permitir que dos pacientes compartan un ventilador durante la pandemia, los profesionales médicos creían que no era lo óptimo, y en algunos casos, podría causar más daño que bien.

Para que un ventilador compartido funcione bien, los pacientes necesitan, entre otros factores, tener casi el mismo peso y una distensibilidad pulmonar similar, una medida de la capacidad de los pulmones de estirarse y expandirse. Encontrar dos pacientes similares en una sala de hospital puede ser un juego de azar. El sistema de resistencia del divisor del ventilador lo convierte en una opción más segura.

“En la vida real, tú no quieres dividir ventiladores. No están construidos para dividirse”, mencionó Randles. “En realidad, sólo en estas circunstancias extremas deberías considerar dividirlos”.

Además del trabajo voluntario realizado sobre el proyecto por Randles y su equipo en la Universidad de Duke, incluido Mike Kaplan, estudiante de medicina, Simbarashe Chidyagwai, un estudiante graduado en ingeniería biomédica, así como la oficina de tecnologías de la información de Duke, otros se agregaron para ayudar de forma gratuita. Un desarrollador de software creó una aplicación móvil para que los doctores pudieran tomar decisiones sobre la compatibilidad de los pacientes y la configuración del ventilador. Otra empresa comenzó a hacer por su cuenta la impresión en 3D de los divisores de ventilador.

“Todos hacían esto porque pensaban que era importante y porque querían ayudar”, mencionó Randles. “Todos estaban motivados por hacer llegar esto a los doctores tan rápido como fuera posible”.

La Universidad de Duke y Microsoft se unieron en un inicio a través del Consorcio de Cómputo de Alto Desempeño COVID-19, creado en marzo por la Oficina de Políticas de Ciencia y Tecnología (OSTP, por sus siglas en inglés) de la Casa Blanca. El consorcio, cuyos miembros incluyen a Microsoft, tiene como objetivo brindar a los investigadores de COVID-19 de todo el mundo acceso a los recursos de cómputo de alto rendimiento más poderosos del mundo para combatir al virus.

Geralyn Miller, directora senior de Microsoft AI for Health, es parte del comité técnico de revisión del consorcio, que lee y revisa las propuestas de investigación relacionadas con COVID-19. Ella dice que cuando llegó el proyecto de Randles, era “algo único” entre los cientos de propuestas que eran enviados, debido a sus “medidas inmediatas para salvar vidas”.

“Es en verdad increíble que se realicen tantas investigaciones científicas sobre el virus en sí. Tiene que suceder”, comentó Miller. “Pero esta investigación en verdad está enfocada en salvar vidas. Era la única que había visto que hablaba de una intervención terapéutica con beneficios inmediatos”.

Miller aprendió sobre y empatizó con el caótico calendario de Randles, que incluye supervisar un laboratorio de investigación en Duke llamado Randles Lab y cuidar a una hija pequeña, además de los gemelos. Miller, madre de cinco, fue contratada por Microsoft en 1998 como desarrolladora de software, en un tiempo donde pocas mujeres estaban en esa profesión.

“Las mujeres siempre hacen un acto de malabarismo profesional”, comentó Miller. “Siempre hay algún elemento de eso, sea a o no tan intenso como lo ha sido con COVID-19, con personas que hacen malabares con las obligaciones familiares y la educación en casa, y las cosas generales que conllevan vivir en un encierro”.

Randles y el equipo de Duke supieron un lunes que habían sido emparejados con Microsoft AI for Health para brindar el poder de cómputo de alto desempeño con Microsoft Azure. Para el jueves, tuvieron su primera reunión virtual con expertos de Microsoft en varias áreas que incluían dinámica de fluidos, infraestructura y red de Azure, cómputo de alto desempeño y AI for Health.

“Fue poner manos a la obra, vamos a poner esto en marcha”, mencionó Miller.

La meta del trabajo de Duke era “brindar a los médicos todo el espacio de parámetros, de modo que sin importar el peso del paciente o la distensibilidad pulmonar con la que se encontraran, los datos estaban ahí y les brindarían la orientación necesaria para determinar la mejor manera de utilizar el divisor del ventilador”, comentó Randles. “Para hacerlo, necesitábamos pre calcular todas las diferentes combinaciones de parámetros, y esto llevó a la necesidad de correr cientos de millones de simulaciones que, en total, requirieron de casi un millón de horas de cómputo.

“Es algo que no era posible en las computadoras convencionales y clústeres que teníamos en el campus en Duke, al menos en el tiempo de respuesta que necesitábamos”, comentó. “Habría tomado meses en completarse si lo hubiéramos hecho con los recursos locales en Duke”.

Tres días después de esa reunión en jueves, el trabajo inicial había sido hecho, con más de 800 mil horas de tiempo de cómputo llevadas a cabo en 36 horas.

Luego, el equipo usó los siguientes tres días para finalizar el proyecto.

“Hubo emails que volaban de ida y vuelta durante el fin de semana a las 2 y 3 de la mañana, de gente que trataba de dar seguimiento a todo”, comentó Randles. “Todo el equipo de las tres instituciones no durmió y terminó las cosas”.

Randles es ya conocida por no dormir y por terminar las cosas. Ella y su marido, un bioquímico, han perfeccionado su rutina de trabajo en casa durante COVID-19 para hacerla tan manejable como sea posible.

“Hemos hecho mucho eso de que una persona tiene a los niños por hora y media, y luego la otra persona lo hace por el mismo tiempo”, comentó. “Y se compensa en estos intervalos de tiempo que son bastante pequeños, porque hay muchas reuniones en el medio y necesitábamos ese tipo de flexibilidad y granularidad para entrar a reuniones virtuales a las que los dos necesitábamos asistir”.

Ya con muchos logros en su campo, la Asociación para Maquinaria de Cómputo reconoció a Randles con el premio Grace Murray Hopper en 2017, que se otorga cada año a un joven profesional sobresaliente en computación por una importante contribución técnica o servicio reciente.

Randles creó un código de computadora que puede modelar todo el sistema arterial a una resolución subcelular, algo que puede ayudar a mostrar áreas en el cuerpo en las que una enfermedad vascular podría ocurrir. Ella nombró HARVEY al código, en memoria de William Harvey, un médico del siglo XVII que fue el primer doctor en describir con precisión cómo la sangre era bombeada por el corazón a todo el cuerpo.

MIT Technology Review también nombró a Randles en 2017 como una de las “Innovadoras menores de 35” y una “visionaria” por su trabajo con HARVEY, que ha continuado con su evolución. Para hacer a HARVEY más accesible para los que están en ciencias y medicina, Randles y el equipo en Duke introdujeron de manera reciente una interfaz gráfica de usuario, llamada Harvis, descrita en un estudio publicado por el Journal of Computational Science.

El proyecto del divisor de ventilador era algo muy diferente para Randles, pero era algo que tenía muchas ganas de hacer cuando su colega Bishawi le pidió su ayuda.

“Cuando entramos en cierre por COVID-19 por primera vez, no pensé que hubiera alguna forma de contribuir”, mencionó. “Quería hacer algo útil. Con el divisor de ventilador, pensé que era emocionante que hubiera una manera en la que pudiéramos tener un impacto en verdad concreto”.

Esa inmediatez e impacto de hacer mejor las cosas estuvieron entre las razones por las que AI for Health estuvo tan interesado en el proyecto. Como parte de la iniciativa AI for Good, AI for Health es un programa de $60 millones de dólares, a cinco años, para impulsar a investigadores y organizaciones con IA para mejorar la salud de las personas y comunidades alrededor del mundo.

Desde abril de 2020, AI for Health ha otorgado más de 150 subvenciones a proyectos de COVID-19 en todo el mundo.

“Una de las cosas en las que en verdad nos enfocamos en AI for Health es en el impacto social”, comentó Miller. “El proyecto de Amanda se adapta muy bien a nuestra estrategia para COVID-19, donde una de las áreas en las que pensamos es la asignación de recursos, cómo hacer cosas como asignar ventiladores y camas de terapia intensiva y equipo personal de protección”.

La FDA todavía no ha aprobado la autorización del uso de emergencia del sistema de resistencia del divisor de ventilador, pero Randles encuentra algo de consuelo en eso.

“Es algo positivo que nos pongan en la hornilla trasera”, comentó. “Eso significa que no lo necesitan justo en este momento”.

Pero si lo necesitan, los planes pueden ponerse en acción de manera rápida.

“Este trabajo es muy importante”, comentó Randles. “El número de casos de COVID-19 está en incremento. Todavía hay un número finito de ventiladores disponibles, y a medida que comenzamos a empujar esa capacidad, los doctores necesitan más opciones, más capacidades y necesitan más datos. Y nosotros les brindamos información que es crítica y que, con suerte, mejorará los resultados del paciente y su atención”.

Imagen principal: Investigadores en la Universidad de Duke crearon divisores de ventilador que son impresos en 3D, y pueden ayudar a que sea más seguro compartir ventiladores. Foto: Universidad de Duke.