Modelando el cerebro con “ladrillos Lego”

Investigadores de la Universidad de Luxemburgo, en cooperación con la Universidad de Estrasburgo, han desarrollado un método computacional que podría usarse para guiar a los cirujanos durante la cirugía cerebral.

Los cirujanos suelen operar en la oscuridad. Tienen una vista limitada de la superficie del órgano y, por lo general, no pueden ver lo que se esconde dentro. Rutinariamente se pueden tomar imágenes de calidad antes de la cirugía, pero tan pronto como comienza la operación, la posición del objetivo del cirujano y las áreas de riesgo que debe evitar cambian continuamente. Esto obliga a los médicos a confiar en su experiencia al manejar instrumentos quirúrgicos para, por ejemplo, extirpar un tumor sin dañar el tejido sano o cortar importantes suministros de sangre.

Stéphane Bordas, profesor de Mecánica Computacional en la Facultad de Ciencias, Tecnología y Comunicación de la Universidad de Luxemburgo, y su equipo han desarrollado métodos para capacitar a los cirujanos, ayudarlos a ensayar para operaciones tan complejas y guiarlos durante la cirugía. Para ello, el equipo desarrolla modelos matemáticos y algoritmos numéricos para predecir la deformación del órgano durante la cirugía y proporcionar información sobre la posición actual de las zonas diana y vulnerable. Con tales herramientas, el practicante podría ensayar virtualmente una operación en particular para anticipar posibles complicaciones.

Como el cerebro es un material compuesto, formado por materia gris, materia blanca y fluidos, los investigadores utilizan datos de imágenes médicas, como resonancias magnéticas, para descomponer el cerebro en subvolúmenes, similares a bloques de lego. El color de cada bloque de lego depende del material que represente: blanco, gris o fluido. Este “cerebro de lego digital” codificado por colores consta de miles de estos bloques que interactúan y se deforman que se utilizan para calcular la deformación del órgano bajo la acción del cirujano. Cuantos más bloques utilicen los investigadores para modelar el cerebro, más precisa será la simulación. Sin embargo, se vuelve más lento, ya que requiere más poder de cómputo. Para el usuario, por lo tanto, es importante encontrar el equilibrio adecuado entre precisión y velocidad cuando decide cuántos bloques usar.

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El aspecto crucial del trabajo del profesor Bordas es que permite, por primera vez, controlar tanto la precisión como el tiempo computacional de las simulaciones. “Desarrollamos un método que puede ahorrarle tiempo y dinero al usuario diciéndole el tamaño mínimo que deben tener estos bloques de Lego para garantizar un nivel de precisión dado. Por ejemplo, podemos decir con certeza: si puede aceptar un rango de error del diez por ciento, entonces sus bloques de lego deberían tener un máximo de 1 mm, si está de acuerdo con el veinte por ciento, podría usar elementos de 5 mm”, explica. “El método tiene dos ventajas: tiene una estimación de la calidad y puede enfocar el esfuerzo computacional solo en las áreas donde se necesita, ahorrando así un tiempo computacional precioso”.

Con el tiempo, el objetivo de los investigadores es proporcionar a los cirujanos una solución que pueda usarse durante las operaciones, actualizando constantemente el modelo de simulación en tiempo real con datos del paciente. Pero, según el profesor Bordas, pasará un tiempo antes de que esto se materialice. “Todavía necesitamos desarrollar métodos robustos para estimar el comportamiento mecánico de cada bloque de lego que representa el cerebro. También debemos desarrollar una plataforma fácil de usar que los cirujanos puedan probar y decirnos si nuestra herramienta es útil”, dijo.

Los investigadores publicaron sus hallazgos en IEEE Transactions on Biomedical Engineering

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