Gemelos digitales: la tecnología que permite a los cirujanos ver al detalle el interior de un paciente antes de abrirlo

WASHINGTON POST.– Dos veces por semana, en el Hospital de Niños de Boston se reúne un inmenso equipo de profesionales para planificar las cardiocirugías programadas de mayor complejidad. Allí analizan copias digitales tridimensionales de corazones, proyectadas en una pantalla, donde cada daño vascular y cada malformación ventricular representa una amenaza para la vida de un chico.

Esas réplicas puede ser rotadas y hasta desarmadas parte por parte desde la computadora, y así los cirujanos pueden planificar con precisión los pasos de la inminente operación. Con ayuda de ingenieros biomecánicos, los médicos también pueden anticipar el impacto que tendrá la cirugía en otras funciones cardíacas, como el flujo de sangre y oxígeno, el sistema eléctrico del corazón y la presión sobre sus válvulas. De hecho, hasta pueden evaluar los efectos que tendrán los parches epicárdicos y otros dispositivos que se proponen utilizar. Y todo eso sin haber hecho ni la primera incisión…

Algún día, a esa tecnología se le sumarán sensores o dispositivos externos que permitirán que el corazón de cualquier paciente le transmita datos a su gemelo virtual. Se trata de un paso adelante respecto de los modelos de simulación más tradicionales, una herramienta más para que los cirujanos estén seguros de cuál es el mejor camino a seguir durante la intervención.

“Es una herramienta increíble para saber qué opciones tenemos y cuáles son las potenciales complicaciones”, dice David Hoganson, cirujano pediátrico y director del programa de visualización digital 3D del hospital. Agrega que ya han utilizado los modelos digitales en unas 1300 cirugías.

La “clonación digital” en medicina fue madurando en los últimos años: modelizaciones del pulmón, el hígado, el cerebro, las articulaciones, los ojos, los vasos sanguíneos y otras partes del cuerpo. Y falta poco para que aparezca el gemelo virtual de un cuerpo humano completo. Esa misma tecnología está siendo usada para probar nuevos dispositivos médicos, prótesis y hasta drogas, porque actualmente los modelos computarizados son los suficientemente avanzados como para predecir los efectos en órganos y celular de una nueva molécula que ingresa al organismo. De hecho, es una tecnología que permitiría reducir –o incluso eliminar– la necesidad de experimentar con animales y realizar ensayos clínicos en humanos.

“Es una tecnología revolucionaria”, dice Ellen Kuhl, una profesora de ingeniería de la Universidad de Stanford que está modelando digitalmente el mecanismo por el cual el corazón traduce los impulsos eléctricos en un bombeo físico concreto. “Si se hacen bien, estos modelos pueden aplicarse a la población en general”, apunta.

El primer corazón virtual

En 1989, el ingeniero Steve Levine y su esposa tuvieron una hija. La beba nació con un defecto cardíaco grave y muy inusual. Al final, los médicos decidieron manejar su condición con marcapasos mientras iba creciendo, pero Levine se quedó muy impresionado por la cantidad de conjeturas y presuposiciones en las que se basó esa decisión. El tiempo pasó, pero el tema seguía en su cabeza.

Años después, como ingeniero de Dassault Systèmes, una empresa dedicada al desarrollo de software de simulación y diseño de productos en 3D, Levine sabía que ya nadie fabrica un avión nuevo o un auto nuevo y lo manda directo a una prueba de manejo: hace tiempo que los diseñadores primero usan programas de simulación para probar un alerón o una rueda en un entorno virtual. Y solo después de que los diseños aprobaron la prueba de la virtualidad se mandan a construir o se integran a un producto existente.

Levine entonces empezó a preguntarse por qué las cirugías y los dispositivos coronarios no se probaban de la misma manera que las partes de una aeronave: al fin y al cabo, el corazón es una bomba, ¿no?, o sea que está sujeto a las mismas leyes de la física.

En 2014, Levine lanzó el proyecto Living Heart, al que se fueron sumando cientos de médicos, ingenieros, funcionarios de gobierno y representantes del sector salud de todo el mundo que tuvieran los conocimientos para construir el primer corazón tridimensional y totalmente funcional en un entorno virtual.

Al principio, muchos dudaban de sus eventuales aplicaciones médicas: en cada cirugía del corazón, lo que está en juego es la vida. Los riesgos de abandonar el enfoque tradicional de confiar en la sapiencia del médico tal vez fuesen demasiado, o tal vez la tarea de clonar virtualmente un corazón humano terminase siendo demasiado complicada. Sin embargo, poco a poco se fueron creando modelos a partir de tomografías computarizadas y resonancias magnéticas, el software mejoró y el corazón virtual tuvo su reivindicación.

“Sabía que si los pasos eran los correctos, el resultado final sería correcto”, dice Levine. “Y el secreto para que pudiéramos lograrlo fue el crowdsourcing”, en referencia al modelo de colaboración abierta.

En el lapso de un año, agrega Levine, los colaboradores del proyecto ya tenían un corazón en funcionamiento, y en menos de dos años tuvieron un producto listo que podía ofrecerse a cirujanos como los del Hospital de Niños de Boston.

“Con este modelo podemos personalizar ciertos rasgos y anatomía de cada paciente, y probar con diferentes intervenciones –dice la ingeniera Kuhl–. Cuando estás en medio de una cirugía del corazón no podés ponerte a probar 20 cosas: la chance es una sola”.

En un informe de diciembre de 2023, las academias nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina de Estados Unidos (el panel independiente creado por el Congreso norteamericano para asesorar al gobierno federal y a la opinión pública en general) hicieron una evaluación de esta tecnología que avanza rápidamente. Definieron a un gemelo digital como una réplica virtual que “imita la estructura, el contexto y el comportamiento de un sistema natural, de ingeniería o social, que se actualiza dinámicamente con datos de su gemelo físico, tiene capacidad predictiva y brinda información de valor para la toma de decisiones”. La Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos (FDA), que regula los dispositivos médicos, está elaborando estándares para el software de esta tecnología emergente y métodos para evaluar sus avances.

“En la adopción a gran escala de estas tecnologías, creo que el desafío es asegurarse de que todos estén de acuerdo sobre su forma de utilización y evaluación”, afirma Tina Morrison, directora de Regulación de Ciencia e Innovación de la oficina del jefe científico de la FDA.

Los defensores de los gemelos digitales prevén ahorros de costos, gracias a cirugías más cortas, menos complicaciones y menor necesidad de operaciones de seguimiento. Se estima que en 2023 los ingresos por gemelos digitales en el sector salud rondaron los 1600 millones de dólares, pero se prevé que para 2028 alcancen los 21.100 millones.

Extirpación de un tumor cerebral

El trabajo de Levine se volvió todavía más personal este año, cuando los médicos le encontraron un tumor benigno del tamaño de una pelota de golf en la base del cerebro. No era mortal en lo inmediato, pero había erosionado parte de su cráneo, invadido sus senos nasales y estaba presionando el nervio óptico. El tumor había tomado el control de su glándula pituitaria, enviando un exceso de hormona del crecimiento: los pies y las manos de Levine se estaban agigantando.

Thomas Beaumont, el neurocirujano de la Universidad de California en San Diego que le extirpó el tumor, creó una réplica digital de la cabeza de Levine, incluido el tumor, para planificar la delicada operación. Con esa imagen en la pantalla del quirófano, realizó la cirugía de forma no invasiva, pasando una cámara por una de las fosas nasales y el instrumental quirúrgico por la otra, eliminando el tumor parte por parte y reparando el tejido dañado. Cada paciente tiene una estructura ósea levemente diferente, señala Beaumont. La curvatura de las carótidas, por ejemplo, es diferente en cada individuo. Y para que la cirugía sea exitosa, todo eso hay que visualizarlo en tres dimensiones.

“Ahora que puedo verlo en el quirófano, ¿siento menos tensión mental? La respuesta es que sí. Me permite no tener que imaginar toda esa anatomía y manejarme con mayor certeza”, sentencia Beaumont.

Todo ese trabajo cuesta grandes sumas de dinero y ni los programas estatales ni los servicios de salud privados pagan mucho por el trabajo de ingeniería que hay detrás de esas cirugías. En el Hospital de Niños de Boston, dentro de su plantel Hoganson tiene más ingenieros biomédicos que cirujanos, pero con la suerte de que a diferencia de muchos hospitales más pequeños, su institución puede permitírselo.

En su exhaustivo informe, las academias nacionales también lanzaron advertencias sobre un exceso de entusiasmo por esa clonación virtual de órganos. “La publicidad en torno a los gemelos digitales y las soluciones que ofrecen actualmente supera la base de evidencia de su éxito”, dijo el panel de expertos, y también alentó al gobierno federal a invertir más en esfuerzos interinstitucionales para “promover bases matemáticas, estadísticas y computacionales para el desarrollo de gemelos digitales”.

Este mes, la Fundación Nacional de Ciencias, en colaboración con los Institutos Nacionales de Salud y la FDA, otorgaron más de 6 millones de dólares en fondos de investigación a siete proyectos para explorar el desarrollo de gemelos digitales con usos médicos y de investigación biomédica.

Son muchas las empresas privadas, los centros médicos universitarios y los gobiernos que están explorando el uso de gemelos digitales. Los diseñadores y los expertos que evalúan sus aplicaciones creen que la tecnología es prometedora en el diseño industrial, por ejemplo, para ajustar el rendimiento de los motores de los aviones en tiempo real, o construir gemelos digitales atmosféricos, climáticos y de sostenibilidad. Y en los próximos años, para construir esos modelos virtuales también podrá usarse la inteligencia artificial (IA).

Por Lenny Bernstein y Laurie McGinley

(Traducción de Jaime Arrambide)

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