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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¿Hay una forma de recargar los coches eléctricos mientras corren a toda velocidad?

Ingenieros de Stanford han dado un gran paso adelante para lograr que sea práctico que los coches eléctricos puedan recargar sus baterías mientras circulan por las autopistas.

Aunque ya existen plataformas de carga inalámbricas para teléfonos inteligentes, sólo funcionan si el teléfono está inmóvil. Para los coches eléctricos, eso sería tan inconveniente como la práctica actual de enchufarlos durante una o dos horas en las estaciones de carga.

Hace tres años, el ingeniero de Stanford Shanhui Fan y Sid Assawaworrarit, estudiante de postgrado en su laboratorio, construyeron el primer sistema que podía recargar inalámbricamente objetos en movimiento. Sin embargo, la tecnología era demasiado ineficiente para ser útil fuera del laboratorio.

Ahora, en la revista Nature Electronics, los dos ingenieros demuestran una tecnología que un día podría ser ampliada para poder alimentar a un coche eléctrico que se mueve por la carretera. A corto plazo, el sistema podría pronto hacer posible la recarga inalámbrica de robots, mientras estos se mueven por los almacenes y las fábricas, eliminando el tiempo de inactividad y permitiéndoles trabajar casi las 24 horas del día.

“Este es un paso significativo hacia un sistema práctico y eficiente para la recarga inalámbrica de coche eléctricos y robots, incluso cuando se mueven a altas velocidades”, dijo Fan. “Tendríamos que aumentar la potencia para recargar un automóvil en movimiento, pero no creo que eso sea un obstáculo serio. Para recargar los robots, ya estamos dentro del rango de utilidad práctica”.

(Foto: Unsplash/Kimi Lee)

Los cargadores inalámbricos transmiten electricidad creando un campo magnético que oscila a una frecuencia que crea una vibración resonante en las bobinas magnéticas del dispositivo receptor. El problema es que la frecuencia de resonancia cambia si la distancia entre la fuente y el receptor varía, aunque sea en una pequeña cantidad.

En su primer avance hace tres años, los investigadores desarrollaron un cargador inalámbrico que podía transmitir electricidad incluso si la distancia al receptor cambiaba. Lo hicieron incorporando un amplificador y una resistencia de retroalimentación que permitía al sistema ajustar automáticamente su frecuencia operativa a medida que variaba la distancia entre el cargador y el objeto en movimiento.

Pero ese sistema inicial no era lo suficientemente eficiente para ser práctico. El amplificador utiliza tanta electricidad internamente para producir el efecto de amplificación requerido que el sistema solo transmitía el 10% de la energía que fluía a través de él.

En su nuevo trabajo, los investigadores muestran cómo aumentar la eficiencia de la transmisión inalámbrica del sistema al 92%. La clave, explicó Assawaworrarit, fue sustituir el amplificador original por un amplificador mucho más eficiente de “modo interruptor”. Estos amplificadores no son nuevos, pero son muy precisos y solo producirán una amplificación de alta eficiencia en condiciones muy precisas. Llevó años de trabajo teórico adicional para diseñar una configuración de circuito que funcionara.

El nuevo prototipo de laboratorio puede transmitir inalámbricamente 10 vatios de electricidad a una distancia de dos o tres pies (casi un metro). Fan dice que no hay obstáculos fundamentales para ampliar un sistema para transmitir las decenas o cientos de kilovatios que un coche eléctrico necesitaría. Dice que el sistema es más que suficiente para reabastecer a un automóvil eléctrico que vaya a toda velocidad. La transmisión inalámbrica toma solo unos pocos milisegundos, una diminuta fracción del tiempo que le tomaría a un auto que se mueve a más de 100 km por hora cruzar una zona de carga de algo más de 1 metro de ancho. El único factor limitante, dijo Fan, será la rapidez con la que las baterías del coche eléctrico puedan absorber toda la energía.

Los cargadores inalámbricos no deberían suponer un riesgo para la salud, dijo Assawaworrarit, porque incluso los que son lo suficientemente potentes como para utilizarse en coches eléctricos producirían campos magnéticos que están bien dentro de las directrices de seguridad establecidas. De hecho, los campos magnéticos pueden transmitir electricidad a través de las personas sin que estas sientan nada.

Aunque podrían pasar muchos años antes de que los cargadores inalámbricos sean incrustados en las carreteras, los robots e incluso los aviones teledirigidos podrían beneficiarse de forma más inmediata. Es mucho menos costoso incrustar cargadores en el suelo o en los tejados que en largos tramos de autopista. Imaginemos un avión teledirigido, dice Fan, que podría volar todo el día bajando de vez en cuando y flotando alrededor de un tejado para realizar cargas rápidas.

¿Quién sabe? Tal vez los drones podrían llegar a ser realmente prácticos para entregar pizzas a domicilio. (Fuente: NCYT Amazings)

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Hallan una nueva forma de transportar eficazmente fármacos al cerebro

Un grupo internacional de investigadores liderados por la profesora ICREA Silvia Muro del Instituto de Bioingeniería de Catalunya (IBEC) (España) y la Universidad de Maryland (Estados Unidos) ha identificado una nueva forma de transportar fármacos al cerebro, uno de los grandes desafíos de la ciencia farmacéutica actual, lo que podría ayudar a diseñar nuevos tratamientos para enfermedades neurológicas tales como el Parkinson o el Alzheimer.

Para la elaboración del trabajo, publicado esta semana en la prestigiosa revista Journal of Controlled Release, los expertos unieron un anticuerpo capaz de reconocer la proteína ICAM-1 –una molécula expresada en la superficie de los vasos sanguíneos- a una serie de nanopartículas poliméricas que pueden transportar un fármaco e inyectarlo por vía intravenosa.

Al poco tiempo tras su administración en ratones de laboratorio, las nanopartículas recubiertas con este anticuerpo habían conseguido llegar al cerebro atravesando la barrera hematoencefálica, que separa el torrente sanguíneo de este tejido y se caracteriza por tener una permeabilidad altamente selectiva.

La barrera hematoencefálica actúa de manera eficaz al proteger al cerebro de patógenos y sustancias toxicas que puedan circular en la sangre, lo que hace que las enfermedades que afectan al cerebro sean difíciles de tratar, pues el 98% de los fármacos no pueden cruzarla. En cambio, substancias naturales como nutrientes, hormonas y células del sistema inmune sí pueden atravesarla y entrar al cerebro desde el flujo sanguíneo.

La estrategia diseñada por el grupo de la Dra. Muro para superar esta barrera se basa precisamente en el uso de ICAM-1, que es una de las dianas usadas por las células del sistema inmune para atravesar esta barrera.

Según apuntan los investigadores del IBEC y la Universidad de Maryland, se trata de un hallazgo muy significativo, pues podría ayudar a optimizar la liberación de fármacos a través del endotelio, que es el tejido que recubre la parte interna de los vasos sanguíneos. De esta forma, los fármacos podrían penetrar eficazmente la barrera hematoencefálica y entrar al cerebro.

“En este trabajo demostramos como esta estrategia ayuda a transportar al cerebro de animales de experimentación un fármaco que no puede pasar por sí mismo a este órgano, lo que podría ofrecer un nuevo tratamiento para la enfermedad de Niemann-Pick tipo A, un síndrome neurodegenerativo congénito e incurable, sin tratamiento actual, expone Silvia Muro, la autora principal del trabajo.  

En este sentido, la experta añade que “siguiendo esta misma estrategia, el sistema podría adaptarse para liberar otros fármacos y ayudar a pacientes de otras enfermedades que afectan al cerebro, como el Alzheimer, Parkinson, meningitis o glioblastoma”. De hecho, la investigadora está inmersa en otro proyecto del IBEC cuyo objetivo es obtener nuevos anticuerpos para avanzar esta estrategia hacia la clínica.

La Profesora Silvia Muro se incorporó al IBEC a finales de 2017 para liderar el grupo ‘Targeted Therapeutics and Nanodevices’, que investiga cómo diseñar nanotransportadores cargados con medicamentos que pueden usar las rutas naturales de transporte en el organismo para tratar enfermedades neurodegenerativas, cardiovasculares, metabólicas o el cáncer. (Fuente: IBEC)

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