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Simulação computacional está transformando dispositivos médicos e ajudando a salvar vidas

Conheça projetos que  estão utilizando a tecnologia para reduzir riscos de fraturas, melhorar a precisão cirúrgica e até criar um rim artificial 

Considerada a solução que promoveu a digitalização da engenharia, a simulação computacional é uma tecnologia que ajuda na resolução de problemas complexos. Presente em diversos setores, contribuindo com sustentabilidade, segurança, indústrias e educação, a simulação ainda tem muito para beneficiar a humanidade. É o que está acontecendo em projetos na área da saúde que utilizam a tecnologia ao redor do mundo. Um exemplo é a redução no risco de fratura em pacientes com osteoporose, na Itália.

“As empresas farmacêuticas têm um problema quando se trata de desenvolver medicamentos para ajudar a reduzir o número de fraturas ósseas decorrentes da osteoporose, uma doença que enfraquece os ossos de milhões de mulheres, principalmente idosas”, afirma Marco Viceconti, professor de Engenharia Industrial na Universidade de Bolonha.

Na Universidade de Bolonha (UNIBO), pesquisadores biomecânicos do Departamento de Engenharia Industrial têm trabalhado em estreita colaboração com o Laboratório de Tecnologia Médica do Hospital Rizzoli, a principal unidade hospitalar ortopédica da Itália. Eles estão explorando as complexidades da biofísica associada à osteoporose e quedas. Esses especialistas explicam que, fundamentalmente, quando um indivíduo cai, os ossos são submetidos a uma força física. Diferentes tipos de quedas resultarão em diferentes tipos e direções dessa força, que podem ou não resultar em fratura. Com o tempo, porém, a osteoporose mudará a arquitetura, distribuição de mineral e densidade do osso, diminuindo a resistência e aumentando o risco de uma queda resultar em fratura.

Assim, a questão se uma queda levará a uma fratura em um determinado momento é um desafio de engenharia. Com o uso de softwares de simulação computacional da Ansys em diferentes processos, o que poderia ter levado 200 anos se executado em série levou menos de duas semanas. Os pesquisadores da UNIBO estão no caminho certo para criar uma oportunidade para verdadeiros ensaios clínicos cujo objetivo é a redução de fraturas em pacientes com osteoporose.

Cirurgias e simulação computacional

Milhares de pessoas morrem anualmente por aneurismas da aorta – protuberâncias causadas por fraquezas nas aortas, a grande artéria que envia sangue do coração através do sistema vascular. Se um aneurisma não for detectado, a aorta pode eventualmente rasgar ou romper.

Quando um aneurisma é detectado antes de se romper, os cirurgiões torácicos podem intervir reparando a aorta e eliminando o aneurisma. No entanto, a cirurgia de reparo vem com riscos.  Uma técnica mais nova e menos invasiva, o reparo endovascular de aneurisma (EVAR), tem uma taxa de mortalidade muito menor. O maior desafio desse procedimento é que os cirurgiões estão operando sem uma compreensão detalhada de cada paciente. A simulação ajuda fornecendo uma visão clara e específica.

“Ao usar imagens disponíveis, como tomografias e outros dados clínicos para gerar modelos virtuais 3D do sistema vascular, os cirurgiões podem ‘praticar’ seus procedimentos, usando a geometria específica do paciente real”, explica o professor Jean-Philippe Verhoye, um dos principais defensores globais do uso de simulações biomédicas dos sistemas vasculares.

Para o especialista, não há futuro sem simulação. “Acredito que em 10 ou 15 anos a modelagem pré-cirúrgica se tornará um procedimento padrão”, prevê Verhoye. “Mas teremos que passar por testes clínicos massivos antes que as aprovações regulatórias e de companhias de seguros sejam obtidas em grande escala. Até lá, estamos construindo nossas próprias capacidades e estabelecendo as melhores práticas”.

Biotecnologia

Desenvolvido no Brasil, em Florianópolis, pela  equipe da ESSS, o Rocky DEM é um software que tem ajudado a biotecnologia ao redor do mundo, com resultados promissores no tratamento de câncer e até  algumas infecções virais e distúrbios hereditários. A plataforma tem sido utilizada por empresas de biotecnologia e biofarma.

Na prática, essas empresas utilizam microchips para acelerar a fabricação de produtos sintéticos. A simulação ajuda os engenheiros a entenderem o movimento dos microchips, otimizando seu rendimento. Esse tipo de estudo com o Rocky DEM também é feito na academia. Um exemplo são os cientistas do Departamento de Bioengenharia da Universidade da Califórnia.

Construindo um rim artificial

Os rins são responsáveis ​​por filtrar as toxinas do sangue e regular os eletrólitos e a pressão sanguínea. Eles produzem urina e hormônios críticos e ajudam a manter o equilíbrio do pH do corpo. Mas na doença renal em estágio avançado, os rins não podem mais desempenhar essas funções adequadamente. Sem intervenção, a morte é inevitável.

As opções, no entanto, são limitadas. Um paciente pode passar por diálise, um procedimento clínico no qual uma máquina filtra o sangue e remove as toxinas que puder. O processo dura de três a quatro horas, é caro e pode ser exaustivo. Um transplante de rim oferece um benefício muito maior, pois o órgão transplantado pode desempenhar todas as funções do rim original do paciente. Porém, poucos rins são doados a cada ano para atender à demanda por transplantes.

Esses fatores inspiraram o The Kidney Project, uma iniciativa que envolve instituições como a Universidade de São Francisco e Vanderbilt University Medical Center. O objetivo do projeto, que utiliza simulação computacional, foi criar um rim bioartificial autossustentável e implantável cirurgicamente que desempenhasse o maior número possível de funções de um rim humano saudável.

Democratizando a simulação computacional

Só na América Latina, mais de 500 escolas de engenharia utilizam os softwares Ansys para o ensino e pesquisa. Isso corresponde a mais de 200 instituições de ensino, incluindo universidades e academias militares.  A Engineering Simulation and Scientific Software – ESSS é uma multinacional brasileira parceira da Ansys que está difundindo a simulação em vários países do mundo