Simulación computacional en medicina: dispositivos médicos que ayudan a salvar vidas
La simulación computacional, es una tecnología que facilita la resolución de problemas complejos y se encuentra presente en diversos sectores, contribuyendo con la sustentabilidad, la seguridad, la industria y la educación. El sector de la medicina y salud, está siendo beneficiado gracias a los avances tecnológicos promovidos por la simulación computacional.
Además de lograr mejoras en equipamientos, cirugías y en la comprensión sobre el funcionamiento del cuerpo humano, la simulación, también contribuye en la producción de dispositivos médicos. En este post conocerás algunos ejemplos.
Reducción del riesgo de fractura en pacientes con osteoporosis en Italia
Uno de los grandes desafíos de la industria farmacéutica, es desarrollar medicamentos capaces de reducir el número de fracturas óseas derivadas de la osteoporosis, una enfermedad que debilita los huesos de millones de personas, sobre todo de personas de avanzada edad.
Pero, ¿y si fuera posible comprobar la correlación entre el aumento de la densidad ósea y la reducción de las fracturas sin personas ni huesos reales?
Es la pregunta a la que intentan responder los investigadores biomecánicos del Departamento de Ingeniería Industrial de la Universidad de Bologna (UNIBO), el cual trabaja en conjunto con el Hospital Rizzoli, la principal unidad hospitalaria de ortopedia de Italia. Juntos, están estudiando las complejidades de la biofísica, asociada a la osteoporosis y a las caídas.
El equipo de la UNIBO, obtuvo imágenes de fémures de 100 individuos generadas por tomografía computarizada. Analizando las variaciones anatómicas y la frecuencia de las variaciones de la densidad mineral ósea.
El uso del software de simulación Ansys Mechanical, permitió crear modelos de elementos finitos (FE) a partir de las tomografías de esos 100 fémures reales. La malla de cada modelo, no sólo representó la arquitectura única de cada fémur, sino también la distribución de minerales óseos.
Pipeline de la simulación para un solo paciente
Lo que ellos realizaron, fue replicar los modelos para crear las variaciones anatómicas y de densidad mineral ósea que los investigadores esperaban encontrar en 1.000 personas con osteoporosis. Utilizando un modelo estocástico de una caída, tuvieron en cuenta el peso del paciente, la cantidad de tejido blando que puede absorber el impacto, la dirección y la distancia de una caída, entre más.
Finalmente, se pudo observar a través de simulación a 1.000 individuos que se caen 100 veces al año, durante 10 años a medida que aumenta su osteoporosis, proporcionando la tan buscada visión clínica.
Todo este proceso, podría haber durado 200 años si se hubiera ejecutado en serie, pero como Ansys Mechanical está optimizado para high-performance computing (HPC), los investigadores de UNIBO pueden ejecutarlo en supercomputadores Cartesius y Galileo, permitiendo completarlo en dos semanas en lugar de 200 años.
Simulación computacional para cirugías de restauración de aorta
Los aneurismas de aorta, son protuberancias que pueden formarse debido a presencia de debilidad en la aorta, de llegar a romperse, podrían ocasionar la muerte. Cuando un aneurisma se detecta antes de su rotura, es posible reparar la aorta mediante cirugía. Sin embargo, dicha cirugía de reparación es muy arriesgada.
La reparación endovascular de aneurisma (EVAR), es una nueva técnica, menos invasiva y con una tasa de mortalidad menor. Sin embargo, las herramientas de imagen como la tomografía computarizada (TC) sólo revelan dos dimensiones, por lo que la cirugía se caracteriza por el descubrimiento y la adaptación en tiempo real.
El profesor Jean-Philippe Verhoye, jefe de cirugía cardíaca y vascular torácica del Hospital Universitario de Rennes (Francia), es uno de los principales defensores del uso de simulaciones biomédicas para informar sobre la cirugía y obtener mejores resultados.
“La simulación permite crear una especie de gemelo digital -o avatar- de un determinado cuerpo humano, lo que nos permite perfeccionar nuestras técnicas quirúrgicas sin ningún grado de exposición al riesgo para el paciente,” explica el Prof. Verhoye.
Simulaciones de cirugía de reparación endovascular de aneurisma (EVAR), modeladas con el software Ansys, que muestran las diferencias en las geometrías vasculares de cinco pacientes con aneurisma aórtico. Los cirujanos del Hospital Universitario de Rennes, Francia, pudieron simular la inserción de un stent aórtico por adelantado (la ruta se muestra en negro) para obtener un resultado óptimo y sin errores (la ruta se muestra en rojo).
El equipo de cirugía del Prof. Verhoye utiliza Ansys LS-DYNA antes de los procedimientos EVAR. El modelo resultante, no sólo refleja la geometría vascular general, sino también, la distancia entre la aorta y la médula espinal – una condición de contorno crítica- y las propiedades de las paredes arteriales.
“Ansys colaboró con nosotros para garantizar que los datos disponibles, incluyendo tomografías computarizadas y resonancias magnéticas, sean introducidos en el software para producir automáticamente un modelo de malla fina geométricamente correcto», añadió el profesor Verhoye.
“En primer lugar, la simulación nos permite visualizar con precisión el interior del cuerpo de un paciente sin abrir la cavidad torácica», explica el profesor. «Eso por sí solo es revolucionario. Permitiéndonos también predecir los resultados con confianza y analizar los desafíos de cada caso.“
Construyendo un riñón artificial
En la fase avanzada de enfermedades renales, los riñones no pueden desempeñar sus funciones adecuadamente, pudiendo el paciente necesitar de diálisis, un procedimiento clínico con una duración de tres a cuatro horas, el cual es caro y exhaustivo.
The Kidney Project es una iniciativa en la que participaron instituciones como la Universidad de San Francisco y Vanderbilt University Medical Center. El objetivo del proyecto, que utilizó simulación computacional, fue el de crear un riñón bioartificial autosustentable e implantable quirúrgicamente para que logre desempeñar el máximo número posible de funciones de un riñón humano sano.
Los investigadores utilizaron Ansys Mechanical para crear y perfeccionar modelos detallados de todos los componentes físicos del riñón bioartificial. Uno de estos componentes es la membrana de nanoporos de silicio, logrando que gran parte del riñón bioartificial sea operacionalmente viable.
A medida que la sangre fluye a través de las membranas, las células renales incorporadas, realizan las mismas funciones metabólicas que las mismas células realizan en un riñón sano normal. Tras exhaustivas simulaciones de tensión en Mecánica, los proyectistas encontraron el equilibrio óptimo de grosor, tamaño y distribución de los nanoporos.
El dispositivo tuvo que diseñarse para minimizar la posibilidad de formar coágulos de sangre. Los investigadores necesitaron una manera de optimizar y agilizar el flujo sanguíneo para evitar interrupciones y así garantizar que el flujo sanguíneo permaneciera laminar.
Para ello, especialistas en fluidodinámica computacional (CFD), utilizaron Ansys Fluent y Ansys CFX para simular y analizar el flujo sanguíneo hacia el interior, a través y fuera de varios proyectos de riñón bioartificial.
Modelo de trayectoria del flujo sanguíneo de un posible biorreactor. Ansys Fluent.
Al simular el flujo sanguíneo a través de los diferentes diseños en Fluent y visualizar los resultados en CFX, los investigadores de The Kidney Project pudieron medir la velocidad del flujo sanguíneo con precisión, e identificar y comprender las áreas donde era probable que se formaran coágulos. Lograron perfeccionar los diseños de los prototipos en Ansys Mechanical y realizar nuevas simulaciones, lo que minimizó la necesidad de construir y probar prototipos en animales.
De hecho, cuando los investigadores de The Kidney Project construyeron y probaron un prototipo, descubrieron rápidamente que los coágulos de sangre se formaban precisamente en lugares que Fluent había indicado, lo que indica una fuerte correlación entre las simulaciones y los resultados del mundo real.
