Biomecánica computacional
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La Biomecánica computacional nos ayuda a entender el funcionamiento de órganos y/o estructuras biológicas así como a predecir los cambios que sufren los tejidos debido a distintos factores, bien mecánicos, biológicos o farmacológicos.
Sumario
Introducción
El estudio en Biomecánica puede ser teórico, experimental o computacional. La realización a nivel experimental es costosa y a veces de mucha dificultad de ejecución, esto unido a los grandes avances en computación a nivel de velocidad, coste y visualización gráfica, hace que la Biomecánica computacional sea de gran interés. El empleo de programas de Elementos Finitos para la modelización y análisis de problemas biomecánicos se está convirtiendo en una herramienta muy interesante, debido a la capacidad de abordar problemas de mucha complejidad, además de la gran aplicabilidad práctica que poseen, como puede ser una planificación pre-operatoria.
Definición
La Biomecánica computacional se refiere a las simulaciones computarizadas de sistemas biomecánicos, tanto para poner a prueba modelos teóricos y refinarlos, como para las aplicaciones técnicas. Usualmente se usan tanto modelos de sólidos para simular comportamientos cinemáticos, como modelos de elementos finitos para simular propiedades de deformación y resistencia de los tejidos y elementos biológicos. El tipo de análisis requerido en general es en régimen de grandes deformaciones, por lo que en general los modelos materiales usan relaciones no-lineales entre tensiones y deformaciones.
Surgimiento y desarrollo
La Biomecánica computacional hace su aparición para fomentar nuevas líneas de investigación biomédica. La introducción de los métodos computacionales, específicamente los elementos finitos, a la biomecánica ortopédica se inicia en 1972, año en el que comienzan las publicaciones sobre evaluación de esfuerzos en huesos humanos. Desde este año la frecuencia de publicaciones sobre estructuras óseas, hueso-prótesis, mecanismos de fijación de fracturas y su relación con otros tejidos aumentó exponencialmente. Los objetivos de las investigaciones realizadas fueron establecer relaciones entre las cargas y la morfología de huesos, y establecer diseños óptimos para fijaciones, prótesis y mejorar las técnicas de implantes.
Fundamentación
Aplicando las leyes fundamentales de conservación: de masa, momentum, energía y sobre la base del principio de entropía se establecen relaciones biológicamente plausibles para formular modelos computacionales que describen procesos biológicos.
La Biomecánica computacional nos ayuda a entender el funcionamiento de órganos y/o estructuras biológicas así como a predecir los cambios que sufren los tejidos debido a distintos factores, bien mecánicos, biológicos o farmacológicos. La modelización y el análisis mediante Elementos Finitos es una de las herramientas más habituales en esta línea, lo cual ha sido posible gracias a diferentes factores, como: el fuerte avance tecnológico en la adquisición de imágenes médicas mediante tomografía computarizada (CT) y resonancia magnética (MRI), el aumento de prestaciones de los ordenadores, la formulación de modelos de comportamiento que reproducen de manera fiel la física del problema, la mejora de las técnicas de experimentación para caracterizar, tanto in-‐vitro como in-‐vivo, los parámetros de los modelos matemáticos y su posterior validación.
Las herramientas de la mecánica clásica, como son la mecánica de fluidos, mecánica de sólidos y el análisis de movimiento son utilizados para entender el comportamiento de diferentes tejidos (y órganos) como el tejido blando, duro y la mecánica celular. El análisis de tejido duro ha sido el más estudiado desde el punto de vista computacional. Para ello se usa la elasticidad y conceptos de mecánica de sólidos avanzada, como la viscoelasticidad, hiperelasticidad y plasticidad (mecánica de sólidos no lineal). Los métodos de solución de estos modelos de mecánica de sólidos utilizan, en general, el de los elementos finitos.
Aplicaciones
La Biomecánica computacional ha servido en múltiples áreas de la medicina aplicando la mecánica como herramienta de análisis. Sin embargo, la mayor aplicación en esta área ha sido en solucionar problemas ortopédicos y entender el sistema musculoesquelético. Es así como se crean varios grupos de investigación en el mundo, cuyos principales investigadores son Dennis Carter del grupo de biomecánica de Stanford University (Estados Unidos), Peter Hunter del grupo bioingeniería de la University of Auckland (Nueva Zelanda), Stephen Cowin del City College de Nueva York (Estados Unidos), Rik Huiskes de la división de Ingeniería Biomédica de la Universidad Técnica de Eindhoven (Holanda), Manuel Doblaré del grupo de Estructura y Modelado de Materiales de la Universidad de Zaragoza (España), entre otros. En estos grupos la investigación en Biomecánica se ha dividido específicamente en simulación de músculo, tendones y ligamentos (también denominados tejidos blandos) y simulación de hueso (tejido duro). Además, se han realizado, en menor medida, otras simulaciones como son modelos de corazón, venas y arterias (que está enmarcado en tejido blando) e investigación celular (mecánica celular).
