Se dispone de un modelo mecánico del corazón que es eficaz, más versátil y económico

Las enfermedades cardiovasculares son la primera causa de muerte en el mundo. La mayoría de experimentos asociados al estudio de estas enfermedades se hacen con animales de experimentación y / o con personas; en ensayos que suelen tener grandes costes asociados. Gracias a los avances de los recursos computacionales y de los métodos numéricos, es posible hacer simulaciones por ordenador que reducen estos costes. Recientemente, el modelado cardíaco se ha erigido como una prometedora herramienta para estudiar los mecanismos fisiológicos que intervienen en las enfermedades cardíacas, predecir la eficacia de los tratamientos y ayudar a la toma de decisiones clínicas personalizadas.

El modelado cardíaco se ha erigido como una prometedora herramienta para estudiar los mecanismos fisiológicos que intervienen en las enfermedades cardíacas, predecir la eficacia de los tratamientos y ayudar a la toma de decisiones clínicas personalizadas

La mayoría de modelos del corazón utilizan imágenes cardíacas constituidas por píxeles o puntos para extraer una geometría realista de la anatomía cardíaca. Los modelos que pretenden simular el movimiento cardíaco necesitan una construcción de una malla anatómica muy elaborada que conlleva una dificultad computacional generada a partir de este conjunto de puntos provenientes de las imágenes.

"La mayoría de las simulaciones cardíacas computacionales están basadas en métodos de malla que requieren la construcción de una malla de buena calidad, lo que tiene un coste computacional elevado y hace difícil su generalización a diferentes geometrías del corazón", explica Èric Lluch, primer autor de un trabajo en el que se muestra un método sin malla para la creación de un modelo mecánico del corazón. Un modelo que, en comparación con modelos existentes, ha demostrado su validez en simulaciones cardíacas y que puede ser utilizado como una alternativa más versátil y económica.

Los detalles del nuevo método se explican en un artículo publicado el 3 de junio en la revista Biomechanics and Modeling in Mechanobiology del cual Eric Lluch es el primer autor y Bart Bijnens, Jérôme Noailly y Oscar Camara, investigadores de la Unidad de Investigación BCN MedTech del Departamento de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (DTIC) de la UPF, junto a investigadores de la Medisys Philips Research de Suresnes (Francia) e INRIA, Université Costa Azul, Sophia Antipolis, (Francia), como coautores del trabajo.

"Este trabajo significa la verificación de un modelo mecánico, aunque tenemos previsto publicar en breve un modelo electromecánico completo elaborado a partir de imágenes provenientes de técnicas de resonancia magnética", explica Oscar Camara, coautor del artículo.

Figura 9 del trabajo: cuatro pasos de tiempo de la simulación de la contracción cardíaca hasta llegar a la solución (de color gris). Comparando el último paso de tiempo con el primero observamos una torsión de las líneas rojas que es causada por el efecto de la orientación de las fibras en la contracción cardíaca.

Un método sin malla para la creación de un modelo mecánico del corazón

El nuevo modelo parte de la hidrodinámica de partículas suavizadas (en inglés, Smoothed Particle Hydrodynamics o SPH) que parece ser una alternativa prometedora al método de los elementos finitos (FEM) dado que elimina la carga que supone la generación de la malla. SPH utiliza una nube de puntos en la que cada punto (partícula) contiene todas las propiedades físicas las cuáles que se van actualizando a lo largo de la simulación. El SPH, aunque en la última década fue evaluado para aplicaciones de mecánica de sólidos, su capacidad para abordar el reto de simular la mecánica cardíaca nunca se había probado antes.

En este trabajo se muestra este nuevo método y su capacidad para reproducir y simular problemas de mecánica cardíaca. "En particular, hemos simulado la dilatación pasiva y la contracción activa en un ventrículo elipsoidal izquierdo con la ley constitutiva anisotrópica exponencial de Guccione siguiendo la dirección de las fibras", explica Lluch. El estudio muestra que el modelo propuesto es capaz de reproducir de manera eficaz los resultados de los problemas de referencia para la mecánica cardíaca.

Trabajo de referencia:

Èric Lluch, Mathieu De Craene, Bart Bijnens, Maxime Sermesant, Jérôme Noailly, Oscar Camara, Hernán G. Morales (2019), "Breaking the state of the heart: meshless modelo for cardiac mechanics", Biomechanics and Modeling inMechanobiology,3 de junio, DOI: 10.1007 /s10237-019-01175-9.