Simulação computacional na medicina: dispositivos médicos que ajudam a salvar vidas
A simulação computacional é uma tecnologia que ajuda na resolução de problemas complexos e está presente em diversos setores, contribuindo com sustentabilidade, segurança, indústrias e educação. A área de medicina e saúde também é beneficiada pelos avanços tecnológicos promovidos pela simulação computacional.
Além da melhoria de equipamentos, cirurgias e compreensão do funcionamento do corpo humano, a simulação também ajuda na produção de dispositivos médicos. Neste post você vai conferir alguns exemplos.
Redução no risco de fratura em pacientes com osteoporose, na Itália
Um dos grandes desafios da indústria farmacêutica é desenvolver medicamentos capazes de reduzir o número de fraturas ósseas decorrentes da osteoporose, uma doença que enfraquece os ossos de milhões de pessoas, principalmente idosas.
Mas, e se fosse possível testar a correlação entre o aumento da densidade óssea e a redução de fraturas sem pessoas reais e ossos reais?
É o questionamento que pesquisadores biomecânicos do Departamento de Engenharia Industrial da Universidade de Bolonha (UNIBO) vem tentando responder, em um trabalho conjunto com o Hospital Rizzoli, a principal unidade hospitalar ortopédica da Itália. Eles estão explorando as complexidades da biofísica associada à osteoporose e quedas.
A equipe da UNIBO obteve imagens geradas por tomografia computadorizada de fêmures de 100 indivíduos. Eles analisaram as variações anatômicas e a frequência das variações da densidade mineral óssea.
O uso do software de simulação Ansys Mechanical permitiu a criação de modelos de elementos finitos (FE) a partir das tomografias computadorizadas desses 100 fêmures reais. A malha em cada modelo não apenas mapeou a arquitetura única de cada fêmur, mas também a distribuição de minerais ósseos.
Pipeline da simulação para um único paciente
Eles então replicaram os modelos para criar as variações anatômicas e de densidade mineral óssea que os pesquisadores esperavam encontrar em 1.000 humanos com osteoporose. Por meio de um modelo estocástico de uma queda, foram levados em consideração o peso do paciente, a quantidade de tecido mole que pode absorver o impacto, a direção e a distância de uma queda e muito mais.
Em última análise, foi possível observar, por meio da simulação, 1.000 indivíduos caindo 100 vezes por ano durante 10 anos à medida que sua osteoporose aumenta, o que forneceria a visão clínica há muito procurada.
Todo esse processo poderia ter levado 200 anos se executado em série, porém, como o Ansys Mechanical é otimizado para high-performance computing (HPC), os pesquisadores da UNIBO conseguiram executá-lo nos supercomputadores Cartesius e Galileo, possibilitando a conclusão em duas semanas ao invés de 200 anos.
Simulação computacional para cirurgias de restauro de aorta
Aneurismas da aorta são protuberâncias que podem se formar devido à fraqueza na aorta e que, se romperem, podem levar à morte. Quando um aneurisma é detectado antes do rompimento, é possível reparar a aorta por meio de cirurgia. Porém, a cirurgia de reparo é arriscada.
O reparo endovascular de aneurisma (EVAR) é uma técnica mais nova e menos invasiva, e tem uma taxa de mortalidade muito menor. Porém, as ferramentas de imagem como tomografia computadorizada (TC) revelam apenas duas dimensões, fazendo com que a cirurgia seja caracterizada pela descoberta e adaptação em tempo real.
O professor Jean-Philippe Verhoye, chefe de cirurgia cardíaca e vascular torácica do Hospital Universitário de Rennes, na França, é um dos principais defensores globais do uso de simulações biomédicas para informar a cirurgia e produzir melhores resultados.
“A simulação permite a criação de uma espécie de gêmeo digital – ou avatar – de um determinado corpo humano que permite aperfeiçoar nossas técnicas cirúrgicas sem nenhum grau de exposição de risco para o paciente.” explica o Prof. Verhoye.
Simulações de cirurgia de reparo endovascular de aneurisma (EVAR), modeladas usando o software Ansys, que mostram as diferenças de geometrias vasculares de cinco pacientes com aneurisma da aorta. Os cirurgiões do Hospital Universitário de Rennes, França, conseguiram simular a inserção de um stent aórtico antecipadamente (caminho mostrado em preto) para um resultado ideal e sem erros (caminho mostrado em vermelho).
A equipe de cirurgia do Prof. Verhoye utiliza o Ansys LS-DYNA antes dos procedimentos de EVAR. O modelo resultante não apenas reflete a geometria vascular geral, mas também a distância entre a aorta e a medula espinhal – uma condição de limite crítica – e as propriedades das paredes das artérias.
Segundo ele, a colaboração com o time da Ansys garantiu que os dados disponíveis, incluindo tomografia computadorizada e ressonância magnética, sejam inseridos no software para produzir automaticamente um modelo de malha fina e geometricamente correto. “Primeiro, a simulação nos permite visualizar com precisão o interior do corpo de um paciente, sem abrir a cavidade torácica. Isso por si só é revolucionário. Mas também nos permite prever resultados com confiança e analisar os desafios de cada caso”, explica o professor.
Construindo um rim artificial
Nas doenças renais em estágio avançado, os rins não podem desempenhar suas funções adequadamente e paciente pode precisar de diálise, um procedimento clínico que dura de três a quatro horas, é caro e exaustivo.
O The Kidney Project é uma iniciativa que envolve instituições como a Universidade de São Francisco e Vanderbilt University Medical Center. O objetivo do projeto, que utiliza simulação computacional, foi criar um rim bioartificial autossustentável e implantável cirurgicamente que desempenhasse o maior número possível de funções de um rim humano saudável.
Os pesquisadores utilizaram o Ansys Mechanical para criar e refinar modelos detalhados de todos os componentes físicos do rim bioartificial. Um destes componentes é membrana de nanoporos de silício que torna grande parte do rim bioartificial operacionalmente viável.
À medida que o sangue flui através das membranas, as células renais incorporadas realizam as mesmas funções metabólicas que as mesmas células desempenhariam em um rim saudável normal. Após extensas simulações de tensão em Mecânica, os projetistas encontraram o equilíbrio ideal de espessura, tamanho e distribuição dos nanoporos.
O dispositivo precisou ser projetado para minimizar o potencial de formação de coágulos sanguíneos. Os pesquisadores precisavam de uma maneira de otimizar e agilizar o fluxo sanguíneo para evitar interrupções e garantir que o fluxo sanguíneo permanecesse laminar.
Para isso, especialistas em dinâmica de fluidos computacional (CFD) usaram o Ansys Fluent e o Ansys CFX para simular e analisar o fluxo de sangue para dentro, através e para fora de vários projetos de rins bioartificiais.
Modelo de caminho de fluxo sanguíneo de um possível biorreator. Ansys Fluent.
Ao simular o fluxo de sangue através dos diferentes designs no Fluent e visualizar os resultados no CFX, os pesquisadores do The Kidney Project puderam medir a velocidade do fluxo sanguíneo com precisão, identificar e entender áreas onde os coágulos provavelmente se formariam. Eles puderam refinar os projetos de protótipos no Ansys Mechanical e executar novas simulações, o que minimizou a necessidade de construir e testar protótipos em animais.
De fato, quando os pesquisadores do The Kidney Project construíram e testaram um protótipo, eles rapidamente descobriram que os coágulos sanguíneos se formavam precisamente nos locais que o Fluent havia indicado – indicando uma forte correlação entre as simulações e os resultados do mundo real.
