BrainInjuryFEA:Project Formulation
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Título de proyecto
Modelado y simulación del Daño Difuso Axonal producido por Trauma Encefálico moderado mediante el método de los elementos finitos
Información general del proyecto
Lugar de ejecución del proyecto, duración y modalidad El proyecto se desarrollará en la Universidad Central, además de la colaboración y reuniones con los expertos asesores Personal Angélica Ramírez, PhD Hugo Franco, PhD Frederick Ferro, Ing. Esp. Manuel Mejía Msc. Francisco Gómez (Asesor Externo, Universidad de Lieja-Bélgica) Olfa Trabelsi (Asesor Externo) Vanessa Lozano (Asesor Externo) Asistente de investigación 1 Asistente de investigación 2 Estudiante de proyecto de grado 1 Estudiante de proyecto de grado 2 2. Conformación y trayectoria del(os) grupo(s) de investigación (máximo 500 palabras)*
GRUPO Complexus Clasificación Colciencias: Código GrupLac:
El Grupo de Investigación en Bioingeniería (UCIB) se conformó en 1996 con la participación de docentes y estudiantes de Ingeniería Mecánica y Electrónica, definiendo la Rehabilitación y el Deporte como área de acción principal. Desde el año 2006 el grupo trabaja en diferentes proyectos enfocados en el desarrollo de tecnologías para el tratamiento o apoyo a la discapacidad, basados en un intercambio de saberes con personal médico de las entidades de salud con las se ha firmado convenio. Una de las primeras líneas de trabajo se refiere al impacto directo sobre la población en condición de discapacidad, por medio del diseño y desarrolllo de dispositivos de rehabilitación física y cognitiva, diseño de dispositivos electrónicos de medición y diseño de órtesis y prótesis entre otros, que corresponden a las necesidades de los pacientes, tanto en lo referente a su patología, como a su entorno. Con el fin de complementar las actividades de desarrollo, desde el año 2008, se abrieron dos nuevas líneas de investigación que permiten la generación y comprobación de hipótesis médicas y biológicas expandiendo el campo de acción del grupo . La segunda línea de base biológica, modelado y simulación de tejidos biológicos, procura entender el comportamiento de los tejidos blandos en casos fisiológicos y patológicos a través de modelos de biomecánica computacional mientras que la tercera, de base experimental busca conocer y cuantificar el comportamiento de la mecánica corporal a través del laboratorio de análisis de movimiento.
3. Resumen costos del proyecto
Ámbito de la Convocatoria en la que se inscribe el proyecto
El presente proyecto se enmarca dentro del ámbito de modelos (Apartado (b) del numeral 3, de los términos de referencia convocatoria 02 Universidad Central, Resolución Rectoral No. 133 de 2012).
Líneas de investigación de los grupos de investigación UCIB Modelado y Simulación de tejidos biológicos Análisis de movimiento GRIDUC Cómputo de alto desempeño Modelado y Simulación Líneas de profundización de programas académicos en los que se inscribe el proyecto INGENIERÍA MECÁNICA Línea de profundización en bioingeniería GRIDUC Línea de profundización en Visión por computador
4. Resumen del proyecto (máximo 500 palabras)
El daño difuso axonal consiste en la afectación amplia y dispersa los tractos axonales (materia blanca) que comunican diferentes zonas de la corteza cerebral. Esta condición puede resultar fuertes aceleraciones/desaceleraciones (principalmente angulares) de la cabeza.
es un tipo particularmente grave de trauma encefálico, siendo el resultado de accidentes que causan fuertes aceleraciones/desaceleraciones (principalmente angulares) de la cabeza, y afectando de manera amplia y dispersa los tractos axonales (materia blanca) que comunican diferentes zonas de la corteza cerebral. Esta lesión, causada por tensiones y deformaciones cortantes en los axones (y sus consecuencias mecánicas y fisiológicas/patológicas), suele llevar a estados comatosos que usualmente devienen en diferentes estados de inconsciencia, desde la pérdida temporal de la consciencia (concusión) hasta el estado vegetativo permanente.
El daño difuso axonal es un tipo particularmente grave de trauma encefálico, siendo el resultado de accidentes que causan fuertes aceleraciones/desaceleraciones (principalmente angulares) de la cabeza, y afectando de manera amplia y dispersa los tractos axonales (materia blanca) que comunican diferentes zonas de la corteza cerebral. Esta lesión, causada por tensiones y deformaciones cortantes en los axones (y sus consecuencias mecánicas y fisiológicas/patológicas), suele llevar a estados comatosos que usualmente devienen en diferentes estados de inconsciencia, desde la pérdida temporal de la consciencia (concusión) hasta el estado vegetativo permanente.
En el campo del estudio de la fisiología de la consciencia se han planteado recientemente diversos modelos que proponen la existencia de una “red por defecto” o DMN (default mode network, por sus siglas en inglés) que mantiene activas e interconectadas diversas zonas de la corteza cerebral y el tálamo. La existencia, caracterización y medición de los niveles de actividad de dicha red por defecto podrían dar luces sobre la misma definición de la consciencia, de los mecanismos fisio-psicológicos que le dan soporte y, además, de sus alteraciones y patologías.
Desde los puntos de vista de la investigación fundamental (modelos de la consciencia) y del estudio clínico de pacientes con pérdida de consciencia por Daño Difuso Axonal, resulta especialmente importante la aproximación experimental para la caracterización de las causas de la pérdida de consciencia por trauma craneoencefálico. Esto implica, consecuentemente, describir de forma cuantitativa el grado de severidad de las lesiones en relación con los diferentes niveles de consciencia resultantes. Diferentes trabajos han abordado esta tarea mediante el empleo de diversos métodos experimentales, bien a través de maniquíes antropomórficos (dummies) con sensores de presión, aceleración, etc., bien mediante técnicas de simulación numérica de la mecánica del tejido cerebral en situaciones de trauma craneoencefálico moderado
Este proyecto propone la primera fase del estudio del daño difuso axonal y su relación con los diferentes niveles de consciencia (muerte cerebral, estado vegetativo, coma, síndrome del encierro, consciencia plena, etc.) a través de la propuesta de un modelo computacional de elementos finitos en el que se miden de las tensiones y deformaciones en el tejido cerebral para en un futuro proyecto ser relacionadas con datos clínicos reales de pacientes de accidentes craneales, en colaboración con el prof. Francisco Gómez, PhD (COMA Science Group, Université de Liège, Bélgica). En esta primera etapa se propondrá una aproximación inicial al modelo constitutivo del tejido correspondiente a las estructuras involucradas (inicialmente materia blanca, materia gris y tálamo), y un protocolo para la simulación de accidentes craneales, a la par de un método para la construcción de un modelo geométrico de la cabeza humana (a partir segmentaciones de los tejidos mencionados en atlas estándar provenientes de resonancia magnética) adecuado al uso en simulaciones por elementos finitos.
5. Planteamiento del problema (2800 palabras)
Descripción del problema y marco teórico:
La incidencia del trauma craneoencefálico (TCE) en Colombia en los últimos años ha aumentado considerablemente. En la actualidad, esta condición es considerada un problema de salud pública. Condiciones particulares del país, como sus altos niveles de violencia, así como el sostenido incremento de los accidentes de tránsito han contribuido a este aumento. En el mundo
http://www.eltiempo.com/colombia/bogota/ARTICULO-WEB-NEW_NOTA_INTERIOR-12716851.html
http://www.ijsimm.com/Full_Papers/Fulltext2010/text9-3_143-151.pdf
http://www.ias.ac.in/sadhana/Pdf2007Aug/445.PDF
www.cesvicolombia.com/
http://www.seatbeltconvincer.com/
www.cascoslar.com/
http://www.youtube.com/watch?v=wbGsYohAWVY
http://www.revista.unal.edu.co/index.php/dyna/article/view/25642/39140
http://www.cascoslar.com/home/index.php/empresa/laboratorio
Medidas de seguridad son deficientes..
En la actualidad, esta problemática se ha convertido en un tema de salud pública
La incidencia del trauma craneoencefálico (TCE) es tan alto que se ha convertido en un tema de salud pública, con costos de tratamiento, tanto del trauma como de las secuelas que él conlleva, de más de $56 mil millones al año en Estados Unidos [1]. La frecuencia global de trauma craneoencefálico en los servicios de urgencia en Colombia llega a 70%[2], causados, en orden de ocurrencia, por accidentes de tránsito, caídas, asaltos o lesiones deportivas, afectando principalmente a adolescentes, niños y adultos mayores [3].
La secretaría de movilidad colombiana ha reportado que los accidentes de tránsito son la novena causa de mortalidad en el mundo en el 2004 [4] y el 21% de causa de mortalidad por violencia [5]. En el año 2009, los accidentes de tránsito constituyeron la segunda causa de muerte en Colombia (después del homicidio), con un total de 5.191 muertes, según el reporte de gestión del Instituto de Medicina Legal [6]. En las estadísticas priman las muertes de motociclistas, seguida por peatones, usuarios de transporte público y de bicicletas [7].
En el caso de las caídas, se estima que todos los días en la Unión Europea alrededor de 15.000 adultos mayores sufren una lesión lo suficientemente grave para solicitar tratamiento médico; De igual manera, en Estados Unidos, la primera causa de accidentes fatales en los ancianos son las caídas [8] ; En Colombia, según los reportes del Instituto de Medicina Legal y Ciencias Forenses, durante el 2007 las tasas de muerte y de lesiones accidentales más altas se encontraron en el grupo de 80 años, seguido por el grupo de 75 a 79 años, siendo las caídas la principal causa de muerte por lesión accidental, seguida por traumas contundentes [9].
Las anteriores etiologías del TCE desembocan en una lesión física o deterioro funcional del contenido craneal a causa de un intercambio brusco de energía mecánica. La primera estructura en la cabeza que absorbe esta energía es el cráneo, de manera tal, que el tejido óseo la disipa sin consecuencia alguna sobre su integridad física, pero con posibles consecuencias en el tejido blando que circunda, a lo que se le conoce como lesión cerrada. Por otro lado, si la rapidez e intensidad del cambio de energía es más alta, el cráneo puede resultar con lesiones como grietas, fracturas en trozos que presionan el cerebro, lesiones abiertas y/o fracturas penetrantes.
El mecanismo de daño sobre el tejido encefálico, varía de acuerdo a la intensidad del trauma y se observa a través del tiempo. En primera instancia, el daño directo causado por el impacto del trauma o por los mecanismos de aceleración-desaceleración, producen lesiones primarias tales como contusión cortical, laceración cerebral, lesión axonal difusa, o contusión del tallo. Cuando el proceso de lesión prosigue, se evidencia en el tejido encefálico hematomas, sangrados y procesos fisiopatológicos secundarios. En casos de mayor complicación es posible que se produzca una lesión terciaria donde se presenta necrosis, apoptosis y por último deterioro retardado [10].
El comportamiento del cráneo y del cerebro, durante y después de un golpe, viene determinado por las propiedades físicas de ambos y por las leyes del movimiento. El cerebro está compuesto por un material típicamente viscoelástico incompresible, alojado en un cráneo de tejido óseo de muchísima mayor rigidez [11]. Ambos, con geometría y contornos irregulares, determinan la distribución de fuerzas, deformaciones y esfuerzos sobre el cerebro y la localización de las contusiones. La intensidad y el tipo de lesión cerebral está en relación a la magnitud de la fuerza, el eje de aceleración y la masa del cerebro, entre otros. [10]
En la lesión primaria, un movimiento en línea recta (aceleración lineal) induce un escaso desplazamiento relativo entre las diferentes partes del cerebro, mientras que un movimiento de giro (aceleración angular) puede ocasionar un efecto de cizalla y una rotación cerebral que involucra un daño en los axones neuronales, retracción de los mismo, desconexión del cuerpo celular de la neurona y degeneración de los tractos de materia blanca. Debido a que los axones neuronales transcurren en grandes grupos como extensas interconexiones entre las diferentes áreas del cerebro, cualquier daño en su estructura causaría una pérdida de conexión entre la comunicación cerebral [12]. Este evento, definido como lesión axonal difusa ó daño difuso axonal (DDA), se presenta comúnmente en la interfase entre tejidos de consistencia diferente, como es la unión entre corteza y sustancia blanca [13]; se reconoce clínicamente por cambios en el estado de conciencia o pérdida del conocimiento, ya sea transitoria o permanente.
El diagnóstico y pronóstico del daño difuso axonal se apoya en el uso de técnicas de imagenología, como el escáner (TAC) y las imágenes de resonancia magnética (IRM). Con estas últimas se ha logrado un 95% de acercamiento a los casos, aún así, se ha documentado DDA indetectado por ambas modalidades [14].
Aunque el diagnóstico sea acertado, aún quedan diferentes interrogantes acerca de las causas, propagación, cuantificación y explicación del daño difuso axonal. Una gran parte del conocimiento sobre las lesiones cerebrales procede de los experimentos diseñados para estudiar por separado los diversos cambios morfo-funcionales provocados por un traumatismo. Aún así, la diferencia entre las especies limita su utilidad [15]. Cabe notar, que los métodos usados clínicamente, identifican la localización del daño y lo cuantifican de acuerdo a los síntomas, pero aún no se controla la relación numérica entre la dinámica del trauma y la distribución esfuerzos que suceden en la masa encefálica causando daño cerebral.
Por lo tanto, este proyecto se plantea para estudiar los casos de trauma craneoencefálico de lesión cerrada, en la etapa de lesión primaria, que bajo su dinámica causan DDA. El entendimiento de la fisiopatología ayuda a explicar las manifestaciones clínicas de este tipo de trauma. Con la comprensión de las lesiones, es posible plantear estrategias e intervenciones que limiten el daño cerebral.
Planteamiento del problema o pregunta: ¿Qué magnitud y localización tienen las tensiones y deformaciones en la masa encefálica luego de un TCE cerrado, causado por una aceleración angular o un impacto oblicuo sobre el cráneo?
Estado del arte Nacional e internacional
Las investigaciones que buscan entender y aclarar las consecuencias de impactos de diversa índole sufridos en la región craneoencefálica, revisten un especial interés debido a la alta incidencia de patologías resultantes de diversos accidentes, particularmente frecuentes en el caso del tránsito automovilístico.
Los estudios cuantitativos más rigurosos se remontan a la década de 1960, en la cual autoridades de diversos países, particularmente los EE.UU. se ocuparon de establecer estándares de seguridad para los automóviles ofrecidos en el mercado norteamericano de vehículos. En este contexto, la National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) desarrolló una serie de parámetros para la evaluación de la gravedad del impacto recibido por un pasajero en un vehículo sometido a una fuerte aceleración/desaceleración. El criterio de daño en cabeza (Head Injury Criterion - HIC) [16] integra la aceleración a la que se somete el cráneo, ponderada respecto al tiempo de exposición a la misma. A mayores aceleraciones/desaceleraciones y mayores periodos de exposición, el índice HIC se hace más grande y se puede esperar un daño mayor en los tejidos de la masa encefálica del paciente afectado.
Este índice ha sido utilizado durante varias décadas por investigadores en el campo del diseño de mecanismos de prevención de accidentes automovilísticos (cinturones de seguridad, cascos, etc. [17] tanto como en campos de aplicación clínica. Trabajos más recientes han buscando una mejora de la formulación del HIC, buscando una mayor relación entre la potencia del impacto y las consecuencias fisiológicas en el cerebro del paciente [18]. Tanto la versión original como las diferentes versiones revisadas han sido empleadas en estudios basados en sensado experimental directo de los parámetros relevantes en maniquíes como en simulaciones numéricas, principalmente basadas en el método de Elementos Finitos de traumas craneoencefálicos, en particular el trauma craneoencefálico moderado (Mild traumatic brain injury - MTBI)
Como punto de partida en el Análisis por Elementos finitos, se requiere la definición de dominios consistentes y robustos que permitan dar fiabilidad a los resultados obtenidos de las simulaciones efectuadas. Para ello se construyen soportes geométricos realistas y de alta calidad[19], en términos de las propiedades de los elementos generados. En el caso de las simulaciones biomecánicas, esto solo es posible mediante el uso de datos apropiados, según criterios de validez de las señales (imágenes) obtenidas de pacientes reales o plantillas estándar utilizadas, tras su digitalización, para guiar el proceso de construcción de los mallados.
Al igual que en el ámbito general del Procesamiento de Imágenes, en lo referente a la segmentación óptima de objetos en imágenes y secuencias de vídeo digitales (que sigue siendo un área de trabajo con incontables problemas abiertos y dependiente de técnicas adaptadas a la aplicación específica), la segmentación de órganos, estructuras y tejidos en Imagen Médica presenta retos técnicos de alta complejidad que son objeto de intensa actividad investigadora desde la perspectiva de tratamiento de señales.
En el caso del cerebro, los mayores avances se han dado a partir de técnicas basadas en modelos estadísticos de la pertenencia de regiones locales (vóxels) a una de las diferentes regiones que se segmentan. Éste es el caso del método DARTEL [20], que permite diferenciar a través de técnicas de registro de imágenes, con un grado de robustez razonable, estructuras cerebrales consistentes en tejidos distintos. La aplicación de técnicas como DARTEL a volúmenes de resonancia magnética mediante técnicas de reconstrucción de superficies estándar (como las implementadas en herramientas como Mimics[21]
Una vez se tiene el modelo geométrico definido, se deben especificar los parámetros de comportamiento de material y las condiciones de contorno del problema en el caso de TCE moderado. Los modelos constitutivos material se formulan a partir de las pruebas experimentales que se hace sobre el tejido. El cerebro por ser un material típicamente blando con respuesta a carga dependiente del tiempo, se define como un material hiper-viscoelástico con anisotropía debido a la dirección de las fibras axonales. Aún así, la identificación de los parámetros de estos tipos de material, depende de los experimentos establecidos. Para el cerebro, no sólo se han identificado los parámetros ante ensayos biaxiales, sino que además se ha determinado el comportamiento dinámico del tejido en el cortex superior de cerdos a través de la técnica de identación o compresión local[22].
Las condiciones de contorno y cargas interpuestas al modelo, dependen directamente del objeto del estudio. Algunos modelos simplificados en que se predice el daño con base en la aceleración lineal de la cabeza[23], otros más dispendiosos definen las aceleraciones angulares[24] o la combinación de juntas. Otros plantean un problema de menor carga computacional, como el caso Zou quien establece un modelo plano 2D con el que hace un análisis de sensibilidad de los parámetros en cálculos consecutivos. Sin embargo, para garantizar la calidad de la aproximación requiere combinar el modelo plano con uno en 3D [25] y de esta manera predecir las lesiones por aceleración.
Por lo tanto, la complejidad de estos modelos aumenta a medida que se plantea un modelo más realistas. Por ejemplo, Kleiven [26] presenta un modelo en el que analiza el efecto de las direcciones y duración de las cargas luego del impacto usando un modelo de EF de la cabeza humana. Con este modelo evaluó el criterio de daño en la cabeza HIC, explicado anteriormente, así como la deformación del sistema nervioso central en relación con el pico de aceleración angular. Uno de los modelos más completos es el propuesto por Takhounts [27] en el que se introduce una geometría detallada del cerebro, cerebelo, tentoriun, fluido cerebro-espinal, el complejo piaracnoide, los ventrículos y los vasos sanguíneos parasagitales. Este modelo se resuelve de forma dinámica, uniendo las cargas de aceleración longitudinal y angular tanto en los planos coronal como en el sagital. Estos resultados se comparan con el criterio de daño establecido por el mismo autor, relacionado con la medición del daño por deformación acumulada (CSDM por sus siglas en inglés). Sin embargo, la geometría utilizada es aproximada y el modelo se limita al no considerar las grandes deformaciones del tejido blando, ni la anisotropía del material, ni los problemas de contacto entre las diferentes estructuras cerebrales.
La relación del Daño Difuso Axonal resultante de ciertos casos de TCE moderados con las consecuencias en las funciones cerebrales de alto nivel, particularmente en la afectación del grado de consciencia del paciente, se puede establecer mediante la hipótesis de que el estado de consciencia depende de la funcionalidad de una red establecida entre diversas regiones de la corteza cerebral (corteza prefrontal media, partes de la corteza parietal), con estructuras como el cingulado, el giro del hipocampo y el precuneo. Algunos trabajos proponen, además, la intervención del tálamo en la coordinación de las funciones cognitivas con el procesamiento de estímulos sensoriales. Dicha red, conocida como “red por defecto” (Default Mode Network - DMN) puede verse interrumpida por el daño (por ruptura, inflamación y pérdida de conducción electroquímica) de los tractos axonales localizados en la Materia Blanca y que permiten la comunicación entre las diferentes estructuras citadas.
El Daño Difuso Axonal sería, bajo esta óptica, uno de los factores determinantes de la alteración del estado de conciencia de pacientes con trauma craneoencefálico moderado. Tal disfuncionalidad conduciría a los diferentes estados patológicos que pueden presentarse en pacientes con pérdida de consciencia: muerte cerebral, estado vegetativo, coma, síndrome del encierro, etc., cuyo diagnóstico es difícil por la imposibilidad de obtener una respuesta directa a los estímulos externos, pero fundamental para determinar el tratamiento y, en casos extremos, soportar la toma de decisiones clínicas de alta trascendencia y complejidad ética.
Aportes de la investigación a la generación de nuevo conocimiento
La alta incidencia de accidentes que causan TCE moderado, en muchos casos, no terminan en la muerte del paciente sino (en una cantidad significativamente mayor) en lesiones y daños de diversa gravedad. Estas patologías derivadas requieren, por lo tanto, el soporte clínico para el diagnóstico y tratamiento de sus consecuencias, especialmente aquellas que afectan la funcionalidad del individuo; dentro de dichas consecuencias destacan aquellas que alteran las capacidades cognitivas y, en algunos casos, el grado de consciencia del individuo a diferentes plazos.
Este proyecto aborda, en las diferentes etapas planteadas, el problema abierto del estudio de la relación entre las consecuencias mecánicas y fisiológicas del trauma craneoencefálico moderado, el daño difuso axonal y los diferentes niveles de consciencia resultantes en los pacientes afectados por esta patología, generalmente localizada en los tractos axonales en materia blanca. Esta primera etapa permitirá la obtención de los métodos básicos, prototipos y protocolos necesarios para aproximarse a este estudio de manera rigurosa y reproducible. 6. Pertinencia de la investigación (200 palabras) La pertinencia de la investigación radica en una pregunta actual de investigación, aplicable a la legislación y estado del arte mundial. Adicionalmente, la investigación es acorde a las líneas de investigación y profundización de la Facultad y apunta al fortalecimiento de la maestría de modelado y simulación. 6.1. Concordancia con las líneas de profundización y de énfasis de los programas académicos de pregrado y posgrado (100 palabras)
Una de las líneas estratégicas propuestas por la Facultad de Ingeniería de la Universidad Central es la Bioingeniería en sus aplicaciones clínicas y terapéuticas directas. Este proyecto se enmarca en el ámbito de la Bioingeniería, específicamente en la aplicación de la Biomecánica al estudio del comportamiento del cerebro, en diferentes contextos, ante accidentes craneales de relevancia clínica, mediante simulación por computador. Para ello se requiere una infraestructura de Cómputo de Alto Desempeño (en la línea estratégica de las Tecnologìas de la Información y las Telecomunicaciones de la Fac. de Ingeniería, U. Central) que permita la implementación de modelos altamente detallados y su uso para la ejecución eficiente de simulaciones en tiempos de cómputo razonables.
Así pues, el proyecto es pertinente desde la perspectiva de las líneas estratégicas en Bioingeniería y Tecnologías de la Información y las Comunicaciones, cubriendo los siguientes espacios académicos:
Semillero de Modelado y Simulación (Ing. Mecánica) Semillero de Cómputo de Alto Desempeño (Ing. de Sistemas) Grupo de investigación GRIDUC Grupo de investigación UCIB Maestría en Modelado y Simulación 6.2. Articulación con la extensión (100 palabras) Soporte a la toma de decisiones en el tratamiento de pacientes con daño difuso axonal y trauma craneoencefálico moderado Punto de partida para la profundización de los lazos de colaboración existentes en investigación y desarrollo con instituciones de salud, tal como el Hospital de Vista Hermosa (Ciudad Bolívar, Bogotá D.C.) Futuro apoyo a programas de diplomado en modelado de tejidos biológicos 7. Objetivos del proyecto 7.1. Objetivo general (máximo 500 palabras) Desarrollar un modelo biomecánico del cerebro en pacientes con trauma craneoencefálico moderado, en el que se analice el daño difuso axonal con base en la distribución de tensiones y deformaciones, mediante el método de elementos finitos. 7.2. Objetivos específicos (máximo 500 palabras)
Proponer una metodología para la obtención de la geometría de la estructura craneoencefálica a partir de atlas provenientes de imágenes de resonancia magnética (MRI) Proponer los modelos constitutivos de material apropiados para simular el comportamiento mecánico de los tejidos de las estructuras craneoencefálicas. Determinar los esfuerzos y las deformaciones sobre la estructura craneoencefálica de acuerdo a la dinámica del trauma sucedido en accidentes moderados. Validar el modelo frente a aproximaciones análogas en la literatura. Evaluar el nivel de daño al modificar las condiciones de carga.
8. Metodología propuesta (3000 palabras)
La metodología a seguir para lograr los los objetivos propuestos se basa en la solución computacional de un modelo del comportamiento mecánico de la estructura craneoencefálica. Éste permitirá la evaluación de diferentes escenarios variando las magnitudes y los tipos de carga, para posteriormente analizar el comportamiento mecánico del cerebro ante estas variaciones. Finalmente se relacionan los esfuerzos y las deformaciones en el impacto con el daño causado.
Elaborar dicho modelo implica la obtención de una geometría, su discretización, el entendimiento de la mecánica de los materiales implicados y la determinación de las cargas presentes. 8.1. Elaborar estado del arte En esta primera parte del proyecto se pretende establecer el estado del arte de los pilares de la investigación. Se realizarán revisiones de:
Técnicas de obtención de imágenes por resonancia magnética. Técnicas de reconstrucción de geometrías 3D a partir de imágenes de cortes transversales. Técnicas de mallados estructurados para geometrías complejas. Modelos constitutivos de material usados para modelar el comportamiento mecánico de la estructura craneoencefálica. Elementos finitos de dinámica explícita para el modelado de problemas dinámicos. 8.2. Proponer una metodología para la obtención de la geometría de la estructura craneoencefálica a partir de atlas provenientes de imàgenes de resonancia magnética (MRI). Construir un conjunto de volúmenes segmentados para cada estructura relevante en el estudio de Daño Difuso Axonal -que, en esta primera etapa serán materia gris, materia blanca y tálamo + tallo cerebral-, a partir de imágenes (volúmenes) obtenidos de atlas cerebrales estándar construidos a partir Resonancia Magnética (p. ej. el Atlas de Talairach, de dominio público). Seleccionar un método de la literatura para la reconstrucción de volúmenes para Análisis por Elementos Finitos mediante técnicas de mallado 3D con elementos tetraédricos y/o hexaedricos, usando las herramientas mallado volumétrico de dominio público. Generar de manera conjunta un enmallado volumétrico 3D de la geometría de las estructuras craneoencefálicas mencionadas usando la técnica seleccionada. Validar la geometría (mallado) resultante en términos de la consistencia de la malla, de las interfaces de las regiones y la calidad geométrica de los elementos generados (uniformidad de volumen y forma, tasa de aspecto, delimitación de los valores de los ángulos, etc.). Proponer un protocolo genérico para la generación semi-asistida de enmallados volumétricos de cerebro a partir de volúmenes de resonancia magnética
8.3. Proponer un modelo constitutivo de material apropiado para simular el comportamiento mecánico de los tejidos de las estructuras craneoencefálicas. Evaluar los modelos constitutivos utilizados para modelar el comportamiento mecánico de los materiales de la estructura craneoencefálica. Seleccionar la ley constitutiva de material de cada estructura, teniendo en cuenta las variables objetivos del ensayo computacional, la representación cercana al comportamiento biológico y la relación beneficio/costo de usar dicho modelo. Con base en datos experimentales ajustar los parámetros de la formulación de los modelos de material, para la correcta predicción del comportamiento de los tejidos en cuestión. Implementar los modelos constitutivos de material en elementos finitos. Si alguno de los modelos no están definidos en los paquetes computacionales, se requiere su programación e implementación computacional (Ya sea en el APDL en ANSYS o en una UMAT en Abaqus).
8.4. Determinar los esfuerzos y las deformaciones sobre la estructura craneoencefálica de acuerdo a la dinámica del trauma sucedido en accidentes moderados. Determinar las cargas a las que se encuentra sometida la estructura craneoencefálica en accidentes moderados. Elaborar el modelo en elementos finitos de dinámica explícita para determinar los esfuerzos y deformaciones. 8.5. Validar el modelo frente a aproximaciones análogas en la literatura. Teniendo en cuenta modelos experimentales o computacionales desarrollados por otros autores se replicaran los mismo tipos de carga o accidente a simular, con el fin de evaluar la proximidad de los resultados. 8.6. Evaluar el nivel de daño al modificar las condiciones de cargas según las características de cada accidente en trauma craneoencefálico moderado. Con base en experimentos computacionales se va a establecer la relación entre los valores de esfuerzos y deformaciones con el daño difuso axonal.
9. Resultados / Productos esperados (ver convocatoria)
Modelo geométrico del cerebro para su empleo en Análisis por Elementos Finitos Modelo constitutivo de tejidos cerebrales Protocolo para la simulación por el método de Elementos Finitos de trauma craneoencefálico moderado Artículo en revista indexada presentando la propuesta y los resultados obtenidos mediante su aplicación Comunicación a conferencia internacional y una conferencia nacional para la presentación de los avances preliminares del proyecto
10. Identificación y caracterización de la innovación propuesta (Si es pertinente) (Máximo 500 palabras) El proyecto corresponde a la primera fase del modelado y simulación del comportamiento biomecánico de estructuras cerebrales, su configuración estructural (geométrica, de material, de condiciones de contorno, etc.) en presencia de trauma craneoencefálico, en relación con las funciones de alto nivel del cerebro, particularmente niveles de conciencia.
La fortaleza del proyecto propuesto radica en la participación de diferentes investigadores con la experiencia suficiente para cada una de las etapas del proyecto. La reconstrucción de la geometría a partir de imágenes tridimensionales se ha realizado anteriormente en objetos físicos [28] y en músculo [29]. Del mismo modo, dos de los investigadores han trabajado en modelado por el método de elementos finitos [30], modelado por elementos finitos para biomecánica[31], modelado y simulación de tejidos biológicos [29] modelos constitutivos de material [32], y modelos de formación del cerebro [33].
Estos modelos tienen una aplicación directa en el análisis de estado de conciencia gracias a la colaboración con el prof. Francisco Gómez del COMA Science Group (Lieja, Bélgica), quien además de trabajar en computación gráfica y procesamiento de imágenes [34], se encuentra actualmente desarrollando herramientas de análisis de imágenes para soportar el diagnóstico de desórdenes de conciencia [35]
La innovación del proyecto radica en el planteamiento de una metodología que relaciona variables mecánicas con neurológicas a través de una herramienta computacional. Ésta herramienta hace uso de geometrías cerebrales de cada paciente, reconstruidas a partir de imágenes de resonancia magnética para ser implementadas en un modelo computacional que opera como plataforma de experimentación virtual.
Cabe resaltar que la pregunta de investigación está al nivel del Estado del Arte en el contexto del proyecto, permitiendo que la Universidad (y por ende el país) participe en iniciativas de mayor complejidad, cuyos resultados y discusiones brindarían potencialmente, el grado de reconocimiento necesario para emprender trabajos de mayor envergadura en el ámbito de la bioingeniería, definido como estratégico por la Fac. de Ingeniería de la U. Central. Este tipo de proyectos favorece, además, el avance tecnológico del país en el uso de modelos computacionales para la simulación de este tipo de eventos. 11. Evaluación de necesidades del entorno (máximo 500 palabras)
En Colombia se viene inculcando a través de la legislación, la cultura de la prevención desde el año 1989 cuando se crea el Sistema Nacional para Prevención y Atención de Desastres [36]. Esto abrió un nuevo paradigma, en el que se busca educar no solo temas de mitigación, sino que se ha extendido al tema de la prevención. Éste último término, abrió la posibilidad de además de estudiar los efectos de los accidentes, prever el cómo suceden con el fin de evitarlos. En este marco, se permite la introducción de estudios estructurados de los accidentes, la parametrización y modelado de los mismos. En el caso que atañe al presente proyecto, como se mencionó en la estadísticas del balance de gestión del Instituto de Medicina Legal y Ciencias Forenses [ 6], los accidentes de tránsito y las caídas hace parte de los accidentes más comunes y de incidencia más amplia en la población y por lo tanto de mayor interés
Con el fin de abordar este tipo de problemas desde diferentes ámbitos y a raíz de la entrada en vigencia de la Ley 1503 de 2011, se han realizado gruesas inversiones en el tema de la prevención vial. Adicionalmente, Colombia se ha comprometido en la década de acción para la seguridad vial, liderada por la ONU y la OMS con el fin de reducir el 50% de las muertes en accidentes de tránsito, antes del 2020.
Para este efecto, han surgido diferentes iniciativas con las que se pretende disminuir la accidentalidad vial. Una de ellas son los diplomados y especializaciones en seguridad vial e investigaciones de accidentes de tránsito, que buscan fundamentar técnica y científicamente la ocurrencia del hecho, apoyándose en la recolección de datos, reconstrucción, y análisis para entregar un informe oficial. Sin embargo, estas evaluaciones resultan ser subjetivas al no poder tener una cuantificación del evento. Con el objeto de apoyar estos análisis surgen los modelos computacionales como una herramienta para la reconstrucción de accidentes.
Los modelos computacionales son una herramienta de gran utilidad en la determinación de patrones de daño, a causa de lesiones en los tejidos biológicos, a través de experimentos virtuales, imposibles de hacer en personas. Este campo, levemente explorado en Colombia, requiere de esfuerzos de investigación y de un cambio de paradigma, para llevar el saber computacional a herramientas aplicadas en casos concretos. Por ejemplo, los médicos, expertos en ciencias forenses, entre otras, usarían este tipo de modelos para entender, cuantificar y explicar los procesos de daño y con ello plantear diagnósticos y nuevos tratamientos. Así mismo, los diseñadores de carros, ingenieros civiles, pueden usarlos como dummies virtuales de pruebas para garantizar la seguridad tanto de los automotores como de las vías. 12. Impactos esperados y propiedad intelectual (Máximo 500 palabras)
Este proyecto ofrece un modelo computacional para la comprensión y soporte a la toma de decisiones diagnósticas y terapéuticas en el contexto de las patologías asociadas a accidentes con trauma craneoencefálico, constituyéndose en una contribución de alto impacto en diferentes sectores de la sociedad desde la perspectiva de la salud.
El contexto académico, el desarrollo de este proyecto fortalecería la capacidad investigadora de docentes y estudiantes de los grupos y semilleros de investigación. Indirectamente, se contaría con una mejora del reconocimiento de la Universidad Central en la comunidad científica nacional.
Se espera aportar a la comunidad científica, un modelo con el suficiente grado de aproximación con el que se puede discutir acerca de las hipótesis del daño difuso axonal y la relación con los estados de conciencia. Este aporte, tendrá sus respectivos efectos en la comunidad médica, expertos de criminalística y medicina legal, quienes tendrán en sus manos una herramienta computacional útil para predecir la mecánica del trauma.
Hay otro tipo de aportes subyacentes, tal como la metodología de análisis de trauma, que serviría de apoyo para los diseñadores de cascos, diseñadores y ensambladores de carros y sistemas de seguridad.
Por último, el uso de este tipo de modelos puede extenderse al marco legislativo, si por ejemplo el fondo de seguridad vial y ministerio de transporte usan estas herramientas para definir normativas, señalización en puntos de accidentalidad, etc.
En conclusión, se genera una herramienta tecnológica y propuestas metodológicas susceptibles de ser capitalizadas como registros de software y, potencialmente, patentes enmarcadas en la actividad de investigación de la U. Central.
13. Descripción de actividades 14. Cronograma de actividades
15. Bibliografía (Máximo 500 palabras)
16. Presupuesto 16.1 Presupuesto general
Personal
0%
100%
$59,976,000
62.58%
2
Servicios técnicos
0%
0%
$0
.00%
3
Equipos
16%
84%
$19,000,000
19.83%
4
Transporte (no de trabajo de campo) , Fletes y Acarreos. Taxis y Buses.
0%
0%
$0
.00%
5
Salidas de campo
Transporte
0%
0%
$0
.00%
Viáticos
0%
0%
$0
.00%
6
Materiales, insumos
100%
0%
$200,000
.21%
7
Material bibliográfico
100%
0%
$600,000
.63%
8
Interventoría / control
0%
0%
$0
.00%
9
Seguros
0%
0%
$0
.00%
10
Construcciones
0%
0%
$0
.00%
11
Mantenimiento
0%
0%
$0
.00%
12
Costos indirectos (usos de espacios académicos de la U. Central, aulas, auditorios, salas de cómputo) (10% del costo total del personal)
$5,997,600
13
Capacitación
0%
0%
$0
.00%
14
Divulgación
100%
0%
$3,500,000
3.65%
15
Administración (10% del costo total del personal)
$5,997,600
16
Imprevistos (5% sobre el total del proyecto)
$4,563,680
17
Publicación - Patente *
100%
0%
$2,000,000
2.09%
Total Presupuesto (SIN Imprevistos)
$91,273,600
Total Presupuesto
$95,837,280
16.2. Presupuesto de trabajo de campo
16.3. Presupuesto de personal
