‘Mãos à obra’: como a Duke University e a AI for Health correram para criar uma solução COVID-19 para pacientes

cientistas com experimento

Por Suzanne Choney

A criança de 7 meses estava chorando. Amanda Randles a pegou, segurou e continuou falando na videoconferência de casa. Ao lado, outro bebê de 7 meses começou a chorar. Randles coloca um bebê no chão, pega o segundo e o balança enquanto ele se acalma. E a troca de colo entre os gêmeos chorosos continua durante toda a reunião.

Não foi um dia comum de trabalho em casa para Randles, professora assistente de ciências biomédicas da Duke University e uma das especialistas do país em computação de alto desempenho e engenharia biomédica.

Ela e um grupo de duas dúzias de profissionais de tecnologia e ciência da universidade da Carolina do Norte e da Microsoft AI for Health foram apresentados virtualmente um ao outro naquele dia de abril pela primeira vez – e o tempo era escasso. Eles estavam correndo para enviar uma proposta à Food and Drug Administration (FDA) dos EUA para autorização de uso de emergência de um dispositivo em forma de Y chamado divisor de respiração e sistema de resistor para ajudar os pacientes com COVID-19, já que um número crescente de hospitais continuava enfrentando falta de respiradores.

O colega de Randles, Muath Bishawi, desenvolveu o dispositivo, enquanto Randles e sua equipe na Duke criaram o software para o sistema de resistor divisor do respirador usando simulações de fluxo de ar para que pudesse ser personalizado para os pacientes.

Essa personalização é crucial para garantir que os pacientes recebam a quantidade correta de oxigênio. Embora o FDA tenha dado aprovação de emergência permitindo que dois pacientes compartilhem um respirador durante a pandemia, os médicos acreditavam que não era o ideal e, em alguns casos, poderia causar mais danos do que benefícios.

Para que um respirador compartilhado funcione bem, os pacientes precisam, entre outros fatores, ter aproximadamente o mesmo peso e ter complacência pulmonar semelhante – uma medida da capacidade dos pulmões de se esticar e expandir. Encontrar dois pacientes semelhantes em uma enfermaria de hospital pode ser complicado. O sistema de resistor divisor do respirador o torna uma opção mais segura.

“Na vida real, você não quer dividir os respiradores. Eles não foram feitos para serem divididos”, diz Randles. “É realmente apenas nessas circunstâncias terríveis que você deve considerar dividi-los.”

Além do trabalho voluntário feito no projeto por Randles e sua equipe na Duke University, incluindo Mike Kaplan, um estudante de medicina, Simbarashe Chidyagwai, um estudante de graduação em engenharia biomédica, bem como o Duke Office of Information Technology, outros aderiram para ajudar de forma gratuita. Um desenvolvedor de software criou um aplicativo móvel para os médicos tomarem decisões rápidas sobre a correspondência de pacientes e configurações do respirador. Outra empresa se propôs a fazer a impressão 3D dos divisores de respiração.

“Todos estavam fazendo isso completamente porque achavam que era importante e queriam ajudar”, diz Randles. “Todos estavam motivados a levar isso aos médicos o mais rápido possível.”

A Duke University e a Microsoft foram inicialmente combinadas por meio do COVID-19 High Performance Computing Consortium, criado em março pelo Escritório de Política de Ciência e Tecnologia da Casa Branca (OSTP). O consórcio, cujos membros incluem a Microsoft, visa fornecer aos pesquisadores do COVID-19 em todo o mundo acesso aos recursos de computação de alto desempenho mais poderosos do mundo para combater o vírus.

duas mulheres analisando informações no laptop
Amanda Randles, de pé, na Universidade Duke. Ela recebeu o Prêmio Grace Murray Hopper em 2017 pela Association for Computing Machinery. Crédito da foto: Duke University

Geralyn Miller, diretora sênior da Microsoft AI for Health, faz parte do comitê de revisão técnica do consórcio, que lê e analisa propostas de pesquisa relacionadas ao COVID-19. Ela diz que quando o projeto de Randles foi aprovado, era “incrivelmente único” entre as centenas de propostas que foram enviadas por causa de suas “medidas imediatas de salvamento”.

“É muito bom que haja muitas pesquisas científicas acontecendo sobre o próprio vírus. Isso precisa acontecer”, diz Miller. “Mas este, este é um que realmente se concentra em salvar vidas. Foi o único que eu vi que falava sobre intervenção terapêutica imediatamente benéfica.”

mulher em pé olhando em frente
Geralyn Miller, diretora sênior da Microsoft AI for Health, diz que o projeto de divisor de ventiladores foi “incrivelmente único” devido às suas “medidas imediatas de salvamento”. Foto por Dan DeLong

Miller aprendeu e sentiu empatia com a agenda caótica de Randles, que inclui supervisionar um laboratório de pesquisa na Duke chamado Randles Lab e cuidar de uma filha pequena, bem como dos gêmeos. Miller, mãe de cinco filhos, foi contratada na Microsoft em 1998 como desenvolvedora de software, época em que poucas mulheres exerciam essa profissão.

“As mulheres estão sempre fazendo malabarismos profissionais”, diz Miller. “Sempre há algum elemento disso acontecendo, seja ou não tão intenso quanto foi com o COVID-19, com as pessoas fazendo malabarismos com as obrigações familiares e educação em casa e as coisas gerais que vêm com a vida durante um shutdown.

Randles e a equipe da Duke souberam na segunda-feira que foram reunidos com o Microsoft AI for Health para fornecer o poder de computação de alto desempenho com o Microsoft Azure. Na quinta-feira, eles tiveram aquela primeira reunião virtual com especialistas da Microsoft em várias áreas, incluindo dinâmica de fluidos, infraestrutura e rede do Azure, computação de alto desempenho e IA para saúde.

“Foi tudo muito prático, vamos colocar isso em funcionamento”, diz Miller.

O objetivo do trabalho da Duke era “fornecer aos médicos todo o espaço de parâmetros, de modo que não importasse o peso do paciente ou a complacência pulmonar que eles tivessem, esses dados já estivessem lá e forneceriam a eles a orientação de que precisavam para determinar a melhor forma de uso deste divisor de respirador”, diz Randles. “Para fazer isso, precisávamos pré-computar todas as diferentes combinações de parâmetros, e isso levou à necessidade de executar centenas de milhões de simulações que, no total, exigiram quase um milhão de horas de computação.

“É algo que simplesmente não era possível nos computadores convencionais e clusters que tínhamos no campus da Duke, pelo menos no tempo de resposta que precisávamos”, diz ela. “Levaria meses para ser concluído se tivéssemos feito isso com recursos locais em Duke.”

Três dias depois daquela reunião de quinta-feira, o trabalho inicial havia sido concluído, com 800.000 horas de tempo de computação registradas em 36 horas.

A equipe então passou os  três dias seguidos finalizando o projeto.

“Havia e-mails indo e voltando no fim de semana às 2 e 3 da manhã de pessoas tentando rastrear tudo”, diz Randles. “Toda a equipe das três instituições não dormiu e fez as coisas acontecerem”.

Randles sabe há muito tempo sobre não dormir e sobre como fazer as coisas. Ela e o marido, um bioquímico, aprimoraram sua rotina de trabalho em casa durante o COVID-19 para torná-la o mais administrável possível.

“Temos nos organizado para que uma pessoa fique com as crianças durante uma hora e meia, e depois a outra pessoa  com as crianças durante uma hora e meia”, diz ela. “E você meio que compensa nesses intervalos de tempo estranhamente curtos, porque há tantas reuniões entre eles que precisávamos desse tipo de flexibilidade para chegar às reuniões virtuais que ambos precisávamos comparecer.”

famíila sorrindo pra câmera
Amanda Randles, com o marido Edward Randles e seus três filhos em casa na Carolina do Norte. Foto cortesia de Amanda Randles.

Já altamente talentosa em seu campo, a Association for Computing Machinery presenteou Randles em 2017 com o prêmio Grace Murray Hopper, concedido anualmente a um jovem profissional de computação por uma única e importante contribuição técnica ou de serviço recente.

Randles criou um código de computador que pode modelar todo o sistema arterial em uma resolução subcelular, algo que pode ajudar a mostrar as áreas do corpo onde podem ocorrer doenças vasculares. Ela chamou o código de HARVEY – em homenagem a William Harvey, o médico do século 17 que foi o primeiro médico a descrever com precisão como o sangue era bombeado pelo coração pelo corpo.

A MIT Technology Review também nomeou Randles como um dos “inovadores com menos de 35 anos” de 2017 e uma “visionária” por seu trabalho em HARVEY, que continuou a evoluir. Para tornar HARVEY mais acessível para as ciências e medicina, Randles e a equipe de Duke recentemente introduziram uma interface gráfica de usuário, chamada Harvis, descrita em um estudo publicado no Jornal da Ciência Computacional.

O projeto do divisor de respiração foi algo muito diferente para Randles. Mas também era algo que ela queria muito fazer quando o colega Bishawi pedia sua ajuda.

“Quando tivemos o primeiro lockdown por causa doCOVID-19, não pensei que houvesse alguma forma de contribuir”, diz ela. “Eu queria fazer algo útil. Com o divisor de ventilação, achei empolgante que houvesse realmente uma maneira pela qual poderíamos ter um impacto concreto”.

Esse imediatismo para tornar as coisas melhores estavam entre as razões pelas quais a AI for Health estava tão interessada no projeto. Parte da iniciativa AI for Good, AI for Health é um programa de cinco anos de US$ 60 milhões para capacitar pesquisadores e organizações com IA para melhorar a saúde de pessoas e comunidades em todo o mundo. O programa foi desenvolvido em colaboração com os principais especialistas em saúde que estão conduzindo importantes iniciativas médicas.

Desde abril, o AI for Health concedeu mais de 150 bolsas para projetos COVID-19 em todo o mundo.

“Uma das coisas em que realmente estamos focados na IA para a Saúde é o impacto na sociedade”, diz Miller. “O projeto de Amanda mapeia muito bem nossa estratégia para COVID-19, onde uma das áreas em que estamos pensando é a alocação de recursos, como fazer coisas como alocar respiradores e camas de UTI e EPI (equipamento de proteção individual).”

O FDA ainda não aprovou a autorização de uso emergencial do sistema de resistor divisor do respirador, mas Randles encontra algum conforto nisso.

“É positivo que continuemos sendo colocados em segundo plano”, diz ela. “Isso significa que eles não precisam disso neste segundo.”

Mas se o fizerem, os planos podem ser rapidamente implementados.

“Este trabalho é extremamente importante”, diz Randles. “O número de casos de COVID-19 está aumentando. Ainda há um número finito de respiradores disponíveis e, conforme estamos começando a aumentar essa capacidade, os médicos precisam de mais opções, mais recursos e mais dados. E estamos fornecendo a eles informações que são críticas e, esperançosamente, melhorarão o resultado do paciente e o atendimento ao paciente.”

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