Un enjambre de cigarras que dejó miles de cadáveres de insectos en el campus de la Universidad de Vanderbilt en 2011 está llevando a una investigación transinstitucional en el Instituto de Cirugía e Ingeniería de Vanderbilt VISE y el Centro Médico de la Universidad de Vanderbilt VUMC para desarrollar una herramienta de planificación quirúrgica paraayudar a restaurar el habla para personas con parálisis de las cuerdas vocales.
Haoxiang Luo, PhD, que se especializa en modelado computacional de interacción de estructura de fluido FSI para sistemas biológicos, trajo algunas de esas cigarras a su Laboratorio de Física e Ingeniería de Flujo Computacional y creó un modelo de sus movimientos de alas. Luo, unprofesor asociado de Ingeniería Mecánica y Otorrinolaringología, ha realizado modelos similares de la aerodinámica del ala de un colibrí y la hemodinámica de la sangre al interactuar con las válvulas cardíacas, entre otros sistemas de flujo de fluidos.
Su colaborador de VUMC, Bernard Rousseau, PhD, MMHC, vicepresidente asociado de investigación en otorrinolaringología y profesor asociado de otorrinolaringología, audición y ciencias del habla e ingeniería mecánica, encontró similitudes en la forma en que las alas de cigarra se movían y el movimiento de las cuerdas vocales humanas, lo que los lleva a preguntarse cómo podría usarse el modelo para mejorar las técnicas quirúrgicas para las cuerdas vocales paralizadas.
Esto ha culminado en los Institutos Nacionales de Salud que otorgan una subvención de investigación de cinco años y $ 2.4 millones a un equipo multidisciplinario de Vanderbilt para diseñar una herramienta de software que ayude a los cirujanos a desarrollar planes quirúrgicos más precisos para la intervención quirúrgica más común para la parálisis unilateral de las cuerdas vocales, laringoplastia tipo 1. Rousseau es el investigador principal del equipo multidisciplinario, que incluye a Luo y Gaelyn Garrett, MD, profesor y vicepresidente de otorrinolaringología.
Las cuerdas vocales se encuentran a ambos lados de la laringe y deben unirse y vibrar para producir sonido. El estudio se centra en la parálisis unilateral de las cuerdas vocales, que es cuando uno de los pliegues vocales no se cierra completamente contra el otro.
Las personas con la afección tienen una voz ronca y requieren más esfuerzo para producir sonido. A menudo experimentan fatiga vocal y se quedan sin aliento durante las actividades cotidianas. Tales problemas pueden afectar seriamente la calidad de vida, lo que lleva a la pérdida de productividad en el trabajo y durante mucho tiempo.término discapacidad
La laringoplastia tipo 1 implica la estabilización de las cuerdas vocales paralizadas con un pequeño implante que ayuda a la persona a producir voz y también a respirar más fácilmente. A los pacientes, que están alertas y bajo anestesia local durante la cirugía, se les puede pedir que canten "Feliz cumpleaños" durante elprocedimiento para determinar si el implante se colocó correctamente.
El desafío para los cirujanos es que la anatomía de cada paciente es única: un paciente puede tener cartílago más pequeño, mientras que el tejido blando de otro puede ser menos elástico. Esto hace que sea difícil incluso para un cirujano muy calificado determinar el tamaño, la forma y la ubicación óptimosdel implante para un paciente específico. Como resultado, algunos pacientes con laringoplastia tipo 1 necesitan que se les ajusten los implantes.
"Actualmente, esta cirugía depende de recrear una estructura tridimensional con solo datos bidimensionales", dijo Garrett, quien también es director médico ejecutivo senior del Centro de Voz Vanderbilt. "La simetría de vibración proporcionada por el nuevo 3-D planeado, el implante específico del paciente debería dar resultados de voz más consistentes y óptimos "
La herramienta de planificación quirúrgica que Luo y Rousseau planean desarrollar podría ayudar a los cirujanos a desarrollar implantes personalizados para cada paciente.
"Al simular la dinámica del flujo de aire glótico, la mecánica del tejido de las cuerdas vocales y su interacción después de incorporar un implante colocado quirúrgicamente, el software de la computadora predecirá cómo el implante afectará la vibración antes de la cirugía", dijo Luo."También ayudará a determinar los parámetros óptimos del implante, como su forma, tamaño y ubicación en la caja de voz".
"Esperamos que esta herramienta de planificación preoperatoria mejore no solo los resultados de este procedimiento en particular para el cirujano, sino que también reduzca los costos generales asociados con el procedimiento y el tiempo quirúrgico necesarios para completar el procedimiento, lo que mejorará la precisión quirúrgica yeficiencia en la sala de operaciones ", dijo Rousseau.
El modelado FSI para sistemas biológicos, como alas de cigarra o cuerdas vocales, es desafiante y no se ha explorado extensamente. "Las cuerdas vocales son tejidos extremadamente delicados, y el flujo de aire glótico cuando hablamos produce vórtices considerables, o remolinos, que son durospara describir matemáticamente o capturar en una simulación por computadora ", dijo Luo." Tuvimos que diseñar herramientas computacionales de alta fidelidad pero eficientes para simular las cuerdas vocales y el flujo de aire ".
Rousseau, Luo y sus colegas están construyendo sobre los hallazgos que publicaron en 2014 en el Revista de Física Computacional que muestra que el método numérico de Luo es versátil y adecuado para modelar una gama de sistemas biológicos FSI, incluidas estructuras que tienen capas rígidas y flexibles, como el pliegue vocal.
Los investigadores dicen que eventualmente esperan usar el modelado por computadora y la impresión en 3-D para ayudar a los cirujanos a personalizar los implantes para cada paciente ". Nuestro objetivo al final del proyecto de cinco años es tener un modelo listo para ser utilizado paralos hitos traslacionales de esta investigación ", dijo Rousseau.
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Materiales proporcionados por Centro médico de la Universidad de Vanderbilt . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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