Dispositivo de viscoelasticidad variable para la simulación de la biomecánica respiratoria

Abstract

Actualmente se conoce como viscoelasticidad o elasticidad imperfecta, aquella característica que tienen algunos materiales al resistir diferentes situaciones de esfuerzo. A pesar de que, en su mayoría de materiales de diseño, muestran tener un comportamiento lineal, estos materiales muestran no tener respuestas lineales respecto a una señal de la carga o la deformación que se aplique. Esta característica ha tomado mucho interés desde diversas disciplinas de investigación como lo es entender los tejidos biológicos. Un principal aspecto al estudiar el aparato respiratorio es su distensibilidad, esta característica se encarga de caracterizar y diagnosticar parte del funcionamiento pulmonar. En la actualidad comúnmente las patologías que se relacionan con la resistencia de tejidos, se diagnostican utilizando únicamente la distensibilidad pulmonar como herramienta de comprensión, a pesar de conocer la importancia de mantener los comportamientos que tienen estos tejidos. Por otra parte, en la actualidad existen diversas herramientas para evaluar el aparato respiratorio (Jiménez & López, 2018). Sin embargo, muchas de estas herramientas son aproximaciones centradas en evaluar la mecánica del pulmón, las fuerzas hísticas en el aparato respiratorio y su comportamiento viscoelástico (Gattinoni et al., 2016; Jiménez & López, 2018; Suki et al., 1994). No obstante, el estudio de sus propiedades elásticas y viscosas por separado ha sido escaso (Navajas et al., 1995). Estas últimas, son objeto de estudio, ya que son un componente principal de la matriz extracelular que permiten al pulmón tener características únicas que incluyen patrones de fluencia y de relajación (Birzle & Wall, 2019). Adicionalmente, el comportamiento viscoelástico del pulmón se ve afectado por diversas patologías. Como, por ejemplo, el enfisema pulmonar y el asma los cuales tienen un efecto negativo en la histéresis del pulmón (Navajas et al., 1995). Por lo que, evaluar las propiedades elásticas y viscosas del pulmón tendría un impacto positivo en los profesionales del área adquiriendo mayor conocimiento de ese fenómeno y permitiendo así menor sesgo en el tratamiento en pacientes con complicaciones asociadas (Kononov et al., 2001; Protti & Votta, 2018). Teniendo en cuenta todo lo anterior, se diseñó y fabricó un prototipo de un dispositivo mecánico capaz de simular y caracterizar eventos viscoelásticos, para su uso en un simulador de la mecánica respiratoria. Este prototipo aporta la posibilidad de simular las propiedades viscoelásticas del pulmón, reproducir curvas de relajación al ser sometido en pruebas de ventilación mecánica y reporta curvas de presión contra tiempo; todo esto de manera rápida y sin tener que dañar el prototipo ni utilizar experimentación in vivo. Por otra parte, este prototipo podría mejorar el entendimiento de este fenómeno sirviendo como una aproximación experimental de los comportamientos viscoelásticos. Finalmente, se evaluó un modelo para interpretar las curvas de presión contra tiempo obtenidas del prototipo y las variables obtenidas del modelo se compararon con las reportadas en literatura, teniendo en consideración como las pruebas de contraste de Kolmogórov-Smirnov. Por lo tanto, el prototipo y el modelo muestran un prometedor potencial para evaluar el comportamiento viscoelástico del pulmón.

ABSTRACT: Currently is known as viscoelastic or imperfect elasticity, that characteristic behavior some materials have when resisting stress, although common materials show linear behavior these materials show non-linear responses respect to deformation and stress magnitude. Owing that this characteristic shows to have relevance in different research fields like biological tissue analysis. One main aspect when studying respiratory mechanics, is compliance, this characteristic is essential to understand and diagnose this system functionality. Now days a range of pathologies are commonly diagnosed only using compliance as a tool of understanding, although many physicians know the relevance of correctly understanding how relaxation and creep may affect patients. Currently, carious tools to evaluate the respiratory system (Jiménez & López, 2018). However, today many of this tools are approximations center towards evaluating lung mechanics, hysteresis without account viscoelasticity (Gattinoni et al., 2016; Jiménez & López, 2018; Suki et al., 1994). The study of their elastic and viscous properties separate has been scarce (Navajas et al., 1995). It’s important to take explore this, since as a biological tissue, it consist of an extracellular matrix, this allow the lung to have unique characteristics that include relaxation and creep patterns (Birzle & Wall, 2019). Is know that the viscoelastic behavior of the respiratory apparat is affected due to various pathologies such as: pulmonary emphysema and asthma which have a negative effect on the hysteresis of the lung (Navajas et al., 1995). Therefore, evaluating viscoelastic lung properties could create a positive impact on health professionals, enabling them to get knowledge on this phenomenon (Kononov et al., 2001; Protti & Votta, 2018). Taking all the above into account, a prototype of a mechanical device capable of simulating and characterizing viscoelastic events was designed and manufactured, for use in a respiratory mechanics simulator. This prototype provides the possibility of simulating the viscoelastic properties of the lung, reproducing relaxation curves when subjected to mechanical ventilation tests, and reporting pressure versus time curves; all this quickly and without damaging the prototype or using in vivo experimentation. On the other hand, this prototype could improve the understanding of this phenomenon serving as an experimental approximation of the viscoelastic behaviors. Finally, a model was evaluated to interpret the pressure versus time curves obtained from the prototype and the variables obtained from the model were compared with those reported in the literature, considering the Kolmogorov-Smirnov contrast tests. Therefore, the prototype and model show promising potential for evaluating the viscoelastic behavior of the lung.