Estos modelos arteriales se crearon a partir de una exploración específica del paciente. El modelo de la izquierda es la 'malla' fundamental necesaria para dividir la arteria en muchas partes para modelar las tensiones internas. La figura de la derecha muestra cómo se propaga una propiedad del material a través de la arteria en una sola dirección. Crédito:Universidad de Duke
Los científicos de la Universidad de Duke están trabajando para modelar con precisión las incertidumbres en el comportamiento mecánico de las paredes arteriales humanas. Apoyando desarrollos teóricos para la ingeniería de tejidos, la investigación podría eventualmente respaldar simulaciones específicas de pacientes para ayudar a los médicos a desarrollar técnicas no invasivas para el diagnóstico temprano e identificar posibles problemas antes de realizar procedimientos médicos.
El trabajo ha atraído la atención internacional, con Brian Staber, un ex Ph.D. alumno de Johann Guilleminot, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental en Duke, ganando dos premios por su tesis sobre el tema. En abril de 2019, Staber ganó por primera vez el Premio de Tesis de la Asociación de Mecánica Estructural Computacional con sede en Francia. Cinco meses después, Staber aceptó el Ph.D. de la Comunidad Europea en Métodos Computacionales en Ciencias Aplicadas (ECCOMAS). Otorgar, otorgado a la mejor tesis presentada en Europa en el campo.
"Existe una gran variabilidad en los tejidos artificiales que diseñamos, así como en el cuerpo humano, "dijo Guilleminot." Vasos vasculares diseñados, por ejemplo, suelen presentar una variabilidad significativa debido a las complejas condiciones de desarrollo, y las paredes arteriales son esencialmente biológicas, materiales compuestos en capas que tienen diferentes propiedades estructurales dependiendo de, por ejemplo, el género, edad o nivel de actividad de su propietario ".
"Estamos tratando de crear gemelos digitales que tengan en cuenta con precisión estas variabilidades y predigan de manera eficiente cómo se mitigarán y se propagarán a cantidades de interés". ", agregó." Comprender cómo estas dos partes interactuarán entre sí y funcionarán en condiciones extremas dentro de una construcción vascular representa un desafío abrumador ".
El truco consiste en crear modelos computacionales que se puedan utilizar para explorar escenarios virtuales de una manera óptima.
Las dos arterias codificadas por colores de la izquierda muestran cómo una propiedad mecánica de la pared arterial se distribuye por toda la estructura dados diferentes supuestos básicos. La sección transversal de la derecha es un promedio de muchos modelos diferentes y, los investigadores esperan, está cerca de cómo se distribuye realmente la propiedad mecánica a lo largo de la arteria. Crédito:Universidad de Duke
"Estamos combinando modelos matemáticos con técnicas de simulación avanzadas para crear una variedad de escenarios de cómo se comportará un injerto, basado en esa variabilidad, ", dijo Guilleminot." Y estamos tratando de hacerlo definiendo los coeficientes en las ecuaciones gobernantes de una manera que refleje la realidad física para grupos de pacientes ".
Los modelos desarrollados en el grupo de Guilleminot están intentando recrear cómo una variedad de propiedades mecánicas en un punto afectan esas mismas propiedades en puntos vecinos, y en la línea a lo largo de toda la estructura. Y para complicar las cosas esas estructuras son curvas, volúmenes ligeramente desiguales que parecen el intento de un niño de jardín de infantes con una escultura de arcilla.
Los algoritmos desarrollados modelan las complejidades de estas formas irregulares al tiempo que permiten a los usuarios ajustar cuánto afectan las propiedades físicas de cada punto a sus vecinos en cada dimensión de forma independiente. Al ajustar la fuerza de estas correlaciones dimensionales y los efectos de las deformaciones inducidas, pueden coincidir con las mediciones experimentales en algún sentido estadístico.
"Hemos creado mucha flexibilidad para modelar comportamientos muy complejos en formas muy complicadas, "dijo Guilleminot.
Los investigadores están actualmente en el proceso de ver qué tan bien funcionan sus modelos. Comparando los resultados de sus modelos con los obtenidos a partir de experimentos físicos, Guilleminot y su grupo en Duke esperan demostrar que sus modelos y algoritmos están teniendo en cuenta todas esas complicaciones lo suficientemente bien como para predecir con precisión la confiabilidad mecánica de los injertos vasculares.
