Investigadores de un estudio realizado por la Universidad Pompeu Fabra (UPF) en colaboración con el Hospital del Mar han desarrollado la primera base de datos en el mundo con 16.807 modelos virtuales tridimensionales distintos de la columna vertebral, concretamente imágenes de las zonas torácica y lumbar.
El objetivo de esta investigación es avanzar en el diagnóstico y tratamiento personalizado de las deformidades de la columna vertebral, alineándose con la creciente tendencia hacia la medicina personalizada. Esta deformidad, que afecta a un alto porcentaje de la población adulta, provoca una alteración en la curvatura normal de la columna en relación con la pelvis, lo que genera un desequilibrio sagital. Este desequilibrio puede causar dolor crónico, dificultades para moverse y otros problemas posturales graves.
Cuando un paciente con esta condición se somete a cirugía, el riesgo de complicaciones postquirúrgicas de origen mecánico, como una mala alineación de los implantes o la persistencia del desequilibrio, es considerable. Debido a ello, es necesario mejorar tanto el pronóstico como la planificación quirúrgica personalizada, para reducir estas complicaciones y optimizar los resultados a largo plazo.
“A partir de la base de datos que hemos creado, se podrán generar modelos computacionales personalizados de la parte toracolumbar de un paciente concreto y realizar diagnósticos y planificaciones de tratamientos más precisos, lo que abre la puerta a las terapias personalizadas”, explica Jérôme Noailly, jefe del área de investigación de Biomecánica y Mecanobiología de la Unidad BCN MedTech de la UPF.
"Con la BBDD se podrán generar modelos computacionales personalizados de la parte toracolumbar de un paciente concreto"
Como punto de partida, la investigación ha tomado como referencia un modelo mecánico de la estructura estándar de la columna vertebral, definida por estudios previos, con las vértebras, los ligamentos y contactos articulares de la columna, y los discos intervertebrales, pero sin contemplar las variaciones morfológicas individuales. A través del método de los elementos finitos, una técnica que divide algo complejo en partes más pequeñas y simples para entender mejor cómo funciona, es posible calcular el impacto que un movimiento o carga mecánica podría tener sobre cada uno de los tejidos de forma virtual.
En primer lugar, se obtuvieron imágenes bidimensionales de la columna de 42 pacientes reales mediante técnicas de radiología (EOS). El siguiente paso consistió en que a partir de estas imágenes 2D se recreara la estructura tridimensional de la estructura toracolumbar ósea de la columna de estos pacientes. A continuación, se adaptó la malla estándar de elementos finitos con los demás tejidos, utilizada como punto de partida, a la estructura 3D externa de la columna de cada paciente mediante procesos numéricos de transformación de formas.
Esto permitió crear modelos 3D detallados de la parte media y baja de la columna de los pacientes. Estos modelos representaban con precisión la estructura de cada paciente, permitiendo un análisis detallado. Más adelante, usando técnicas estadísticas, se generaron muchas variaciones de estos modelos iniciales para reflejar las diferencias naturales entre personas.
AVANZAR EN EL DIAGNÓSTICO PERSONALIZADO DEL DOLOR LUMBAR CRÓNICO
En el mismo repositorio europeo donde se pueden encontrar estos modelos 3D de la columna, la Unidad de Investigación BCN MedTech de la UPF ha compartido recientemente 169 modelos tridimensionales de los discos intervertebrales de la parte toracolumbar de la columna.
Estos discos son la mayor estructura avascular del cuerpo humano, por lo que actúan como una esponja para absorber el agua y cargas mecánicas, y para conducir a las células residentes los nutrientes que provienen de las dos vértebras que tienen en su parte superior e inferior.
“En esta investigación, analizamos cómo una cierta carga mecánica fisiológica afecta a los discos intervertebrales según las morfologías locales específicas de los diferentes elementos que los forman y que pueden variar entre pacientes”, manifiesta Estefano Muñoz-Moya, investigador de la Unidad BCN MedTech de la UPF y primer autor del artículo.
“En esta investigación, analizamos cómo una cierta carga mecánica fisiológica afecta a los discos intervertebrales"
Los resultados prometen mejorar la personalización de diagnósticos y tratamientos para prevenir problemas como el dolor lumbar crónico y las hernias discales. La degeneración de los discos intervertebrales puede ser lenta o rápida, y está influenciada por factores como el sedentarismo, el tabaquismo, la genética, y las cargas mecánicas diarias.
Para crear modelos de discos intervertebrales, se realizaron resonancias en la parte lumbar de la columna de 36 pacientes, obteniendo modelos 3D de 169 discos. El siguiente paso consistió en adaptar un modelo mecánico de disco intervertebral a las formas específicas de los discos de cada paciente usando procesos numéricos. Finalmente, se simuló el impacto de cargas mecánicas en estos modelos utilizando técnicas de Machine Learning para analizar cómo cada paciente podría responder a diferentes situaciones.
El estudio ha demostrado que el impacto de las cargas mecánicas en los discos intervertebrales no solo depende de su altura, como se pensaba anteriormente, sino de su morfología general. Las cargas se distribuyen a través de los tejidos del disco en función de varias variables morfológicas, lo que significa que algunos discos pueden ser más propensos a la degeneración debido a las condiciones mecánicas específicas que experimentan.