Simulaciones por Computadora Pueden Conllevar a Mejor Diseños de Bombas Cardíacas para Niños
San Diego, Sept. 10, 2012 -- Ingenieros mecánicos y estructurales de la Universidad de California San Diego (UCSD), están trabajando conjuntamente para hacer simulaciones del flujo sanguíneo que conlleva a mejorar el diseño de las bombas cardíacas para niños con defectos cardíacos congénitos. Ellos esperan que los cambios en un nuevo diseño mejorarán las posibilidades de los jovenes pacientes.
El corazón de Berlin, es actualmente la única bomba cardíaca para niños que tiene la aprobación de la Food and Drug Administration (FDA) y que no se les puede implantar uno bomba diseñada para adultos. El dispositivo es utilizado para extender la vida del paciente hasta que se encuentra un donador posible para realzar un transplante. Las simulaciones exactas de como fluye la sangre dentro de la bomba, son muy importantes ya que el dispositivo tiene un 40 por ciento de riesgo de desarrollar coagulos de sangre, lo que ocasionaría más ataques o embolias. Esto sería devastador en los infantes utilizando la bomba cuyas edades podrían fluctuar desde unos cuantos meses, hasta los 9 años de edad. Las simulaciones podrían auxiliar para hacer cambios que reduzcan estos riesgos.
Dos investigadores de la Jacobs School of Engineering de UCSD, han combinados sus talentos para la resolución de este problema. La profra. de ingeniería mecánica y aeroespacial, Alison Marsden, se enfoca en el desarrollo de herramientas para la simulación del flujo sanguíneo que ayuden a probar y optimizar nuevos diseños de cirugía de corazón en la computadora, antes de probarlos sobre pacientes. Yuri Bazilevs, profesor de ingeniería estructural, se aboca a las ciencias computacionales e ingeniería para el desarrollo de métodos de aplicaciones computacionales de alto-rendimiento y a gran-escala.
"Estos trabajos podrán ahorrar tremendas cantidades de tiempo, dinero y riesgo," dijo el Dr. Jeff Feinstein, un cardiologo pedíatra de la Universidad de Stanford, quien ha estado trabajando muy de cerca con los investigadores de la Escuela Jacobs.
Marsden, Bazilevs y sus equipos han simulado el flujo sanguíneo éxitosamente en el dispositivo. ahora están tratando de entender como se forman los coagulos adentro de este. Luego, el siguiente paso sería encontrar, por medio de simulaciones, que cambios en el diseño se necesitarían para reducir el riesgo de que se generen estos coagulos.
"Yuri ha sido esencial en el entrenamiento de mi equipo en modelos matemáticos complejos, como el de métodos de elementos fínitos, además de proveer su experticia en el desarrollo de métodos computacionales de punta," dijo Marsden. "Yo interactuo mucho con personal clínico en la identificación de aplicaciones de alto-impacto, y nuestra combinación ha resultado ser un muy buen equipo."
Ambos, Marsden y Bazilevz han colaborado desde el 2009 con el investigador científico de Calit2, Jürgen Schulze en visualizaciones en 3D del flujo de sangre en las arterias, en base a las simulaciones de Bazilevs. Recientemente, los tres colaboraron en el artículo , "Immersive Volume Rendering of Blood Vessels," con Gregory Long y Han Suk Kim, el cual presenta un método novedoso de visualizar el flujo de la sangre en las venas. Este artículo fue presentado en enero pasado durante la versión 2012 SPIE Electronic Imaging Conference.
La bomba tiene dos cámaras: una para sangre, y otra para aire, están separadas por una membrana. La cámara de aires está presurizada, ls cual acciona la membrana que bombea la sangre. Pero el flujo de ésta generado por el dispositivo, es muy difícil de simular por la interacción de la sangre, la membran y el aire.
"Las venas son estructuralmente hablando son muy complicadas," dijo el ingeniero estructural Bazilevs.
El se especializa en simulaciones complejas que describen la interacción entre varios elementos. Su laboratorio ha producido de todo, desde el flujo de aire en los álabes de las turbinas, a flujo de aire y agua interactuando con los cascos de buques de alta-velocidad.
"La simulación de una bomba cardíaca no es sencilla," dice Bazilevs. "Los códigos comercialmente disponibles, no tienen la capacidad de manejar este tipo de problemas, lo que hace necesario desarrollar e implementar procedimientos avanzados para la interacción de fluídos y la estructura para este tipo de aplicaciones."
"La experticia de Allison en la aplicación de métodos computacionales en cardiología pediatríca, complementa mi experticia en la formulación e implementación de técnicas computacionales avanzadas de interacción fluídos-estrucutras," añade Bazilevs. "Es un hecho que nuestras habilidades se complementan una a la otra, y Allison es un gran personaje que aviva esta colaboración."
Los trabajos de Mardsen se enfocan en el desarrollo de herramientas para simulaciones de flujos de sangre que pueden utilizarse para optimizar nuevos diseños de cirugías sobre una computadora, antes de intentarlas en pacientes. Su equipo utiliza datos de imágenes de pacientes tomados de tomografías -CT- y MRI's, con esto se elabora un modelo personalizado en la computadora de las arterias y venas, se simula el flujo de la sangre y se diseñan las cirugías que se personalizan al paciente. Muchas de las herramientas de simulación utilizadas en esta investigación, son similares a las que se aplican originalmente en el desarrollo de aeronaves.
Algunos de los desarrollos creados en el laboratorio de Marsden han sido aplicados por cirujanos cardiológos pedíatras en Stanford en el tratamiento de niños que nacieron funcionandoles sólamente un ventrículo. Ella y sus estudiantes han desarrollado también modelos para lesiones en el corazón que ocurren en la Enfermedad de Kawasaki, en colaboración con el Medical center de UCSD y el Rady Children's Hospital.
La colaboración entre Marsden y Bazilevs ilustra el pensamiento inter-disciplinario que caracteriza la fortaleza de la Escuela Jacobs. El nuevo edificio de Ingeniería Estructural y de Materiales (SME), en donde tanto residirán tanto Marsden como Bazilevs, está diseñado para fomentar esta ideología. También aloja las ingenierías estrucrtural, mecánica y nanoingeniería, así como las Artes Visuales.
"Yuri y yo hemos estado co-asesorando a un estudiante, y el esta ansioso -- para mejor o peor-- el tener a ambos asesores en el mismo edificio," dijo Marsden. (Lo cual va a ser posible una vez que se inaugure el edificio SME.)
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Alison Marsden Research Group
Yuri Bazilevs Research Group
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Ioana Patringenaru, ipatrin@ucsd.edu