Introducción/Objetivos

La simulación de procesos fisiológicos basados en estructuras anatómicas específicas del paciente tiene múltiples aplicaciones en la medicina moderna, y COMSOL Multiphysics® se presenta como una herramienta con un gran para ello. Un campo emergente es la simulación térmica en medicina vascular, que puede ayudar a diagnosticar y tratar enfermedades como la isquemia crónica de las extremidades (CLTI por sus siglas en inglés: chronic limb-threatening ischemia).

El objetivo del artículo titulado “Thermal simulation of the lower limb in vascular medicine: A proof-of-concept by using computed tomography images” y desarrollado por Parkinen et al. [1] en la revista Medical Engineering & Physics (Elsevier) es desarrollar un modelo tridimensional de flujo sanguíneo y temperatura de la extremidad inferior utilizando datos de tomografía computarizada (CT) y el software COMSOL Multiphysics®. Este modelo pretende simular la temperatura superficial de la extremidad en relación con la estructura vascular, proporcionando una herramienta prometedora para la detección temprana y el seguimiento post-intervención de enfermedades vasculares.

Modelización/Simulación

La Figura 1 muestra la geometría 3D de los angiosomas de las extremidades inferiores. Para construir el modelo, se utilizó un conjunto de datos de CT de alta resolución de la extremidad inferior. El proceso de modelización incluyó varios pasos clave:

Figura 1. Geometría 3D de los angiosomas de las extremidades inferiores. Izquierda: cara dorsal de la extremidad inferior; derecha: cara plantar de la extremidad inferior.

1. Segmentación: Utilizando el software 3D Slicer, se segmentaron las principales estructuras anatómicas, incluyendo huesos, piel, tejido blando intermedio y arterias principales.
2. Construcción del árbol vascular: Las ramas arteriales principales se modelaron en Blender, creando una estructura cilíndrica que representa el árbol vascular.
3. Importación y modificación de la malla: Los archivos de malla (Fig. 2 izquierda) se importaron a COMSOL Multiphysics® para generar una malla volumétrica que permitiera aplicar propiedades materiales y condiciones de contorno.
4. Simulación: Se utilizó el módulo de transferencia de calor en sólidos y fluidos de COMSOL para resolver las ecuaciones de flujo de Navier-Stokes y la ecuación de bioheat de Pennes. Esto permitió simular la distribución de temperatura en la superficie de la piel en función del flujo sanguíneo y las propiedades térmicas de los tejidos (Fig. 2)

Figura 2. Izquierda: el modelo mallado. Derecha: el modelo de simulación base sin modulación térmica ni arterial.

La Figura 3 muestra el flujo de trabajo para modificar datos médicos en estructuras listas para simulación en COMSOL Multiphysics®.

Figura 3. El flujo de trabajo para modificar datos médicos en estructuras listas para simulación.

Resultado/Conclusiones

El modelo tridimensional de la extremidad inferior se construyó con éxito, mostrando una estructura anatómica precisa y una distribución térmica coherente con los datos clínicos. Los estudios de caso realizados indicaron que el modelo puede simular el comportamiento térmico periférico, aunque se observaron mecanismos compensatorios en individuos sanos que no fueron completamente capturados por el modelo actual.

En la Figura 4 se observa la comparación visual de los perfiles de las extremidades recuperadas con y sin bloqueo arterial, obtenidas en las simulaciones realizadas en COMSOL Multiphysics®.

Figura 4. Comparación del perfil térmico entre la simulación y el perfil de temperatura del sujeto 1 tras la recuperación térmica sin calentamiento externo. Los paneles A) y B) presentan la simulación térmica con y sin bloque de MPA, respectivamente. Los paneles C) y D) presentan las mediciones correspondientes con la cámara termográfica.

La metodología desarrollada es prometedora para futuras simulaciones fisiológicas individualizadas en medicina vascular. Este modelo podría ayudar en el diagnóstico temprano de enfermedades vasculares y en el seguimiento post-intervención, mejorando la atención personalizada al paciente.

Por tanto, ¡este artículo es un claro ejemplo del potencial de COMSOL Multiphysics® para la modelización y simulación de aplicaciones de ingeniería biomédica!

Referencias

[1] Pakarinen et al. Thermal simulation of the lower limb in vascular medicine: A proof-of-concept by using computed tomography images, Medical Engineering & Physics, 2024, 134, 104260.