Pero ante la necesidad permanente de entender mejor el sistema respiratorio, la magíster en Ingeniería Biomédica de la Universidad EIA, Manuela Sánchez, se propuso desarrollar una herramienta computacional que permite analizar y simular el funcionamiento del pulmón humano sin poner en riesgo a ningún ser vivo, con tan buenos resultados que el proyecto recibió el Premio de la Ingeniería Antioqueña por parte de la Sociedad Antioqueña de Ingenieros y Arquitectos -SAI-, por considerarlo del “mayor mérito científico”.

El simulador está basado en un modelo matemático que permite representar la complejidad del pulmón. “Cuando hablamos de complejidad en el pulmón nos referimos tanto a su estructura como a su mecánica. En cuanto a la estructura, el sistema respiratorio se compone de vías aéreas, conductos encargados de ingresar el aire al cuerpo por la nariz y por la boca, hacia el pulmón. Las vías aéreas se dividen en superiores e inferiores. Las superiores son la cavidad nasal, la cavidad oral, faringe y laringe. Las vías aéreas inferiores inician en la tráquea, que entrega el aire a los bronquios, estos ingresan a los pulmones y se siguen dividiendo hasta constituir bronquiolos, conductos diminutos y de tamaño microscópico. Al final del laberinto están los alveolos, que son sacos en los que ocurre el intercambio gaseoso, esto es, el ingreso del oxígeno y la extracción del dióxido de carbono presente en la sangre. Desde los bronquios, que son el primer ducto que ingresa con aire a los pulmones, hasta los alveolos, hay más de veinte subdivisiones. Es como hablar de la raíz de una planta que tiene millones de brazos diminutos”, explicó Manuela Sánchez, investigadora principal del trabajo.

“En cuanto a la biomecánica, la ventilación es la acción de movilizar aire entre el cuerpo y la atmósfera. Esta función se puede ver alterada, por ejemplo, en personas con enfermedades obstructivas, es decir, aquellas condiciones en las que hay inflamación o partículas que obstruyen las vías aéreas y dificultan la respiración. Hay varios factores que inciden en el proceso de ventilación. Estos son la resistencia, la elasticidad, la viscoelasticidad, la fricción, la tensión superficial y la inercia. No obstante, los modelos pulmonares más utilizados en la actualidad solo contemplan la resistencia y la elasticidad y, así, las enfermedades pulmonares se clasifican como obstructivas o restrictivas. El modelo que desarrollamos en la EIA permite estudiar todas las variables que inciden en la ventilación, lo que podría ayudar a identificar nuevas causas o condiciones de las enfermedades pulmonares o, incluso, entender patologías sobre las que hasta hoy se desconocen las causas”, añadió la investigadora.

Otra característica es que el simulador cuenta con un modelo de inteligencia artificial para estimar los parámetros que se deben configurar en un ventilador mecánico, de acuerdo con las características de cada paciente. “Cuando un paciente está conectado a un ventilador mecánico, la cantidad de aire que requiere varía según su morfología y su patología. Por ejemplo, no es lo mismo ventilar a un hombre que a una mujer. Por su estructura corporal, el hombre tiene una cavidad torácica más grande. La necesidad también puede variar según la estatura y la edad de cada individuo. Tampoco tiene las mismas necesidades de ventilación un paciente con EPOC (Enfermedad Pulmonar Obstructiva Crónica) que un paciente con SDRA (Síndrome de Dificultad Respiratoria Aguda)”, apuntó Sánchez. De acuerdo con las características de cada paciente, el simulador estima la presión óptima de entrada a la vía aérea. Por esto, en el futuro podrían configurarse otras variables de manera que el simulador pueda apoyar al personal clínico en la toma de decisiones.

El software presenta una interfaz gráfica, amigable e intuitiva, que permite visualizar un modelo tridimensional del sistema respiratorio. De acuerdo con los participantes en el trabajo, los simuladores de fisiología pulmonar de uso más extendido actualmente en el mundo ofrecen representaciones gráficas en dos dimensiones, es decir, presentan siluetas gráficas del sistema pulmonar visto únicamente desde fuera. El simulador desarrollado en la EIA ofrece visualizaciones en tercera dimensión y la posibilidad de “sumergirse” al interior del pulmón. Adicionalmente, cuenta con una funcionalidad para ver el sistema pulmonar en realidad virtual.

Ante la ausencia o carencia de herramientas en la pedagogía usual, la herramienta desarrollada es novedosa en el área de ventilación mecánica y fisiología pulmonar, por lo que tendría un gran impacto en el sector clínico, pedagógico y de investigación.

Reconocimiento de la SAI

La Sociedad Antioqueña de Ingenieros y Arquitectos -SAI- concedió el Premio de la Ingeniería Antioqueña al proyecto “Simulador Virtual de Pulmón Utilizando Técnicas de Inteligencia Artificial”. De acuerdo con información de la SAI, esta entidad otorga el Premio de la Ingeniería Antioqueña al ingeniero, arquitecto o institución que haya presentado o terminado una obra del mayor mérito científico o técnico, que no tenga antecedentes locales similares, que implique un avance en el estado de la ciencia o de la práctica local y que represente un aporte sustancial al mejoramiento del ejercicio profesional.

La SAI también entregó mociones de felicitación a los proyectos de investigación de la EIA “Sistema de HDTAC (Herramienta para el Diagnóstico Temprano y Automático de Estado de Compresores)” y Caracterización Sismogénica del Caribe Colombiano”.

Integrantes del equipo de investigación y desarrollo del simulador pulmonar

– María Manuela Sánchez Ocampo (desarrolladora principal), magíster en Ingeniería Biomédica de la Universidad EIA
– Isis Bonet Cruz (directora del trabajo de grado), profesora de la EIA
– Sergio López Isaza (codirector del trabajo), profesor y estudiante de doctorado en ingeniería de la EIA
– Juan Diego Torres Morales (desarrollador de la interfaz gráfica), estudiante de Ingeniería de Sistemas y Computación de la EIA.
– León Darío Jiménez Posada (asesor), estudiante del doctorado en ingeniería de la Universidad EIA.