La Inteligencia Artificial aplicada al diseño de prótesis para humanos y animales permite resolver problemas biomecánicos de forma eficiente, ética y a bajo coste

La Inteligencia Artificial aplicada al diseño de prótesis –como discos intervertebrales y placas de fijación de pelvis- permite resolver problemas biomecánicos en humanos y animales de forma eficiente, ética y a bajo coste, mediante el uso combinado de técnicas como el ‘machine learning’ o algoritmos genéticos inspirados en la Teoría de la Evolución de Darwin.

La biomecánica estudia la respuesta del cuerpo (humano o animal) ante los esfuerzos físicos y movimientos cotidianos al que es sometido. Emplea conocimientos de anatomía, mecánica, matemáticas, ingeniería y otras disciplinas para resolver problemas que van desde la optimización de implantes dentales, prótesis en articulaciones o fijaciones externas ortopédicas, hasta la previsión del comportamiento de tejidos orgánicos o de diversas fracturas (fémur, cadera, pie), entre otros.

Fátima Somovilla ha combinado métodos de cálculo numérico –el Método de los Elementos Finitos (MEF)- con técnicas avanzadas de análisis de datos –Machine Learning (ML) y el Método de Superficie de Respuesta (MSR)- para modelizar y dar soluciones optimizadas a los retos que plantea la biomecánica.

“Esta metodología, aplicada a problemas biomecánicos complejos, permite obtener modelos de predicción lo suficientemente precisos, fáciles de interpretar y mucho más eficientes computacionalmente que los empleados hasta ahora –señala Fátima Somovilla Gómez, de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de la Universidad de La Rioja (España)-. Además, tiene la ventaja de reducir la experimentación sobre cadáveres, lo que reduce significativamente el coste experimental y el problema ético”.

El sistema ha sido validado mediante su implementación en cuatro casos reales aplicados a personas y animales. En seres humanos, la metodología propuesta se ha aplicado sobre tres líneas fundamentales:

1.-) La búsqueda de aquellos parámetros que mejor definen en comportamiento mecánico en modelos computacionales basados en el MEF de discos intervertebrales sanos (DIV).

2.-) El estudio de cómo influye el sexo, la edad, la estatura y el peso sobre sobre unidades vertebrales funcionales (UVF) lumbares.

3.-) Y el diseño de discos intervertebrales artificiales (o prótesis lumbares), optimizando su comportamiento biomecánico, lo que evita el arduo ajuste mediante el método ensayo-error.

(Foto: U. La Rioja)

“De este modo, logramos obtener los parámetros que mejor definen la geometría planteada del disco artificial lumbar para los diferentes pesos y estaturas de los pacientes. Esto nos proporciona una herramienta importante para el diseño de prótesis a medida”.

En animales, la metodología se ha aplicado para estudiar el comportamiento biomecánico de una pelvis canina con dos tipos diferentes de placas de fijación (ventral y DPO) –validadas en la Dublin City Univesrity y listas para su uso-, utilizadas para el tratamiento de la osteotomía pélvica canina.

La combinación de las diferentes técnicas propuestas (MEF, MSR y ML) permite generar modelos de comportamiento o metamodelos. “Para obtenerlos –detalla Fátima Somovilla- usamos herramientas de Inteligencia Artificial, como las llamadas redes neuronales, que se inspiran en el comportamiento del cerebro humano para crear modelos artificiales con los que solucionar problemas complejos de resolver mediante otras técnicas más convencionales”.

“Empleamos también algoritmos genéticos (AG), inspirados en la Teoría de la Evolución postulada por Darwin, donde se intenta replicar el comportamiento biológico de la selección natural y la genética de los organismos vivos. Se aplican en la última fase de la metodología desarrollada en esta tesis, como técnica de optimización para los diferentes problemas biomecánicos planteados”, concreta la doctora.

La metodología planteada por Fátima Somovilla se puede utilizar en campos distintos a la medicina y la veterinaria, aunque es en estos donde resulta especialmente útil. “Son técnicas empleadas en otros ámbitos de la ingeniería (como, por ejemplo, el diseño y optimización de dispositivos, uniones soldadas, rodamientos) o al medio ambiente (mejora en la producción de biodiesel, eliminación de metales pesados, etc.), pero en el caso de la biomecánica, apenas existían estudios en los que esta metodología había sido aplicada”, comenta la investigadora.

Junto a Fátima Somovilla, en el desarrollo de esta investigación han participado los profesores Bryan J. MacDonald (Dublin City University–DCU) y William McCartney (North Dublin Orthopaedic Animal Hospital–NOAH).

En la actualidad, el Grupo SIMME2 (Simulation and Modelling in Mechanical and Environmental Engineering) de la Universidad de La Rioja, con el cual colabora la doctora Fátima Somovilla, desarrolla una línea de investigación en Biomecánica, en colaboración con el Centro de Investigación Biomédica de La Rioja (CIBIR) y el Centro Tecnológico del Calzado de La Rioja (CTCR) para el diseño eficiente de órtesis plantares aplicadas al tratamiento de patologías óseas; para lo que se ha solicitado un proyecto a la ADER.

Además, el grupo de investigación colabora con veterinarios de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) e Insrovet en el estudio de placas de fijación y de prótesis para animales, así como con la Cátedra de paleontología de la Universidad de La Rioja, en el estudio biomecánico de dinosaurios y el modelizado de icnitas. (Fuente: U. La Rioja)

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Identificada la zona del cerebro donde reside la inteligencia ejecutiva

Investigadores del Instituto Max Planck de Ciencias Cognitivas y Cerebrales Humanas en Leipzig han descubierto la sede cerebral de la inteligencia ejecutiva.

Esta inteligencia refleja nuestra capacidad de resolver problemas, planificar nuestras acciones, controlar las emociones y enfocar nuestra atención.

Es un concepto relativamente reciente del campo de la neuropsicología que asigna a la inteligencia ejecutiva a capacidad de organizar a las otras inteligencias (cognitiva y emocional) para orientar nuestras acciones según nuestros conocimientos y emociones (José Antonio Marina, La inteligencia ejecutiva, Ariel, Barcelona, 2012).

Hasta ahora no había una indicación clara de dónde residía en el cerebro esta capacidad humana y la nueva investigación ha localizado ahora la región neuronal donde se origina la inteligencia ejecutiva.

Poco conocida

Se trata de una región del cerebro poco conocida llamada unión frontal inferior (inferior frontal junction o IFJ en inglés), situada en el lóbulo frontal de la corteza cerebral en ambos hemisferios.

El lóbulo frontal, situado justo detrás de la frente, es el responsable de los procesos cognitivos complejos y en su seno es donde se encuentra la sede de la inteligencia ejecutiva.

Hasta ahora se sabía que la IFJ participa de manera crítica en tres procesos principales de control cognitivo: memoria de trabajo, cambio de tareas y control inhibitorio. También que forma parte de una red de control cognitivo.

Paciente único

Su vínculo con la inteligencia ejecutiva quedó al descubierto con la ayuda de un paciente único que padecía el así llamado “síndrome desejecutivo”, que se produce después de un traumatismo craneoencefálico o un derrame cerebral.

Las personas que lo padecen manifiestan alteraciones en las funciones ejecutivas, como la capacidad de memoria, de razonamiento, de planificación y concentración.

El paciente de esta investigación tenía 56 años de edad y había sufrido varios derrames cerebrales que golpearon una estratégica región del cerebro: la IFJ.

Esta lesión le impedía superar las pruebas psicológicas básicas que miden la capacidad ejecutiva.

Por ejemplo, no podía planificar un recorrido dentro de un espacio público o ignorar distracciones para centrar su atención en algo concreto.

Un detalle particular de este paciente fue crucial para esta investigación: solo tenía dañada la IFJ y en ambos hemisferios por igual, una oportunidad única para comprobar el papel de esta región cerebral para las funciones ejecutivas.

Doble dirección

Los investigadores no solo comprobaron en este paciente cómo afectan las lesiones de la IFJ a las funciones ejecutivas, sino que también recurrieron a bases de datos clínicos, relacionados con esta enfermedad, para establecer una relación entre las funciones afectadas y la magnitud del daño cerebral en la IFJ.

Es decir, la relación de capacidades ejecutivas afectadas tiene que ver con la magnitud de la lesión cerebral: ahora es posible conocer el impacto de una lesión de este tipo, en función de su distribución en la IFJ.

Y a la inversa: el resultado permite también establecer la importancia de la lesión cerebral en función de los síntomas en las capacidades ejecutivas, sin necesidad de esperar a los resultados de un escáner cerebral.

Origen biológico

Esta investigación culmina una larga trayectoria de estudios previos sobre la relación de la inteligencia ejecutiva y el daño cerebral.

Hasta ahora se ha relacionado, sin evidencias claras, con el lóbulo frontal, el cerebelo y áreas subcorticales, así como con diferentes enfermedades neurodegenerativas.

La nueva investigación especifica sin lugar a dudas el origen biológico de la inteligencia ejecutiva, gracias a la ayuda de este paciente particular.

Indirectamente, esta investigación ayudará también a conocer mejor la inteligencia ejecutiva, que se desarrolla con la experiencia, así como tal vez al tratamiento de otras patologías, como el consumo de drogas o la agresividad incontrolada, relacionadas con déficits en la inteligencia ejecutiva.

También será útil para comprender mejor las funciones ejecutivas que demandan las empresas, ya que pueden ayudar al desarrollo personal y a la mejora organizacional.

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¿Inteligencia artificial para nuestros negocios?

Es comprensible la tentación de las empresas de utilizar la inteligencia artificial y otras tecnologías para mejorar el rendimiento, reducir los costes laborales y mejorar el balance final. Pero antes de perseguir la automatización que podría poner en riesgo el trabajo de los empleados humanos, es importante que los dueños de los negocios hagan un cuidadoso balance de sus operaciones.

La IA no debería aplicarse a todos los negocios de la misma manera, según Chris Meyer, profesor de práctica y director de educación de pregrado de la Escuela de Administración Lally del Instituto Politécnico Rensselaer. Detalla su investigación sobre el tema en la revista Journal of Service Management.

“La IA tiene el potencial de dar un vuelco a nuestras ideas sobre qué tareas se adaptan de manera única a los humanos, pero una automatización de servicios mal implementada o estratégicamente inapropiada puede alienar a los clientes, y eso perjudicará a las empresas a largo plazo”, dijo Meyer.

Según lo hallado por Meyer, la elección de utilizar la automatización o la IA debe ser una decisión estratégica. Si una empresa compite ofreciendo una cantidad sustancial de interacción humana, o tiene una gama de ofertas de servicios que cambian de un cliente a otro, la empresa tendrá un menor índice de éxito en la sustitución de profesionales humanos por tecnologías de IA. Meyer también descubrió que lo contrario es cierto: las empresas que limitan las opciones y la interacción de los clientes tendrán más éxito si deciden automatizarse.

(Foto: Pixabay)

Los líderes empresariales que consideren la posibilidad de pasar a la automatización deben examinar cuidadosamente sus estrategias de gestión de los recursos del conocimiento. Antes de que las empresas inviertan en la IA, deben entender si reemplazar el juicio y la interacción humanos por tecnologías y algoritmos digitales es una idea estratégicamente sólida.

“Las ideas son de utilidad para los gerentes, ya que sugieren dónde y cómo utilizar la automatización o trabajadores humanos basándose en ideas que son a la vez sólidas y prácticas”, dijo Meyer. “Los gerentes necesitan orientación. Como cualquier forma de conocimiento, la IA y todas las formas de automatización de servicios tienen su lugar, pero los gerentes necesitan buenos modelos para saber dónde está ese lugar”.

Además, Meyer determinó que en las empresas donde la confianza y la reputación son factores decisivos para crear y mantener una base de clientes, es más probable que las personas sean más eficaces que las tecnologías automatizadas. Por el contrario, en las zonas en que los prejuicios humanos son particularmente perjudiciales para la prestación de servicios, la IA será una herramienta relativamente mejor para que las empresas la empleen.

Meyer también afirma que muchas empresas utilizarán en última instancia una combinación de aptitudes de las personas y la automatización para competir eficazmente. Incluso la IA, que puede manejar tareas muy sofisticadas, funciona mejor junto a los humanos… y viceversa.

“La automatización y los trabajadores humanos pueden y deben ser usados juntos”, dijo Meyer. “Pero el alcance de la automatización debe encajar con el enfoque estratégico de la empresa hacia los clientes”. (Fuente: NCYT Amazings)

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