Gemelo digital del tórax guía dosificación de fototerapia para neumonía

Las terapias basadas en la luz pueden ayudar a tratar la infección o la inflamación, pero la luz aplicada externamente debe atravesar los tejidos del pecho antes de llegar a los pulmones. Esto dificulta la dosificación porque la anatomía y los patrones de la enfermedad varían entre pacientes. Ahora los investigadores han desarrollado un “gemelo digital” del pecho para ayudar a planificar una administración de luz personalizada para el tratamiento de la neumonía.

Investigadores de la Universidad de São Paulo, en Brasil, y colaboradores internacionales crearon un modelo computacional que genera un gemelo digital del tórax específico de cada paciente. El sistema utiliza tomografías computarizadas, reconstrucciones anatómicas tridimensionales y simulaciones de computación de alto rendimiento. Su propósito es estimar cuánta luz llega a distintas regiones del pulmón cuando la iluminación se aplica desde fuera del cuerpo.

El modelo representa la anatomía torácica como pequeños elementos volumétricos llamados vóxeles. Asigna parámetros ópticos a los tejidos para estimar la absorción y la dispersión de la luz a diferentes longitudes de onda. En el estudio, se representaron 12 categorías tisulares y estructurales, incluidas la piel, la grasa, los músculos, los huesos, los órganos principales, el tejido pulmonar normalmente ventilado, las regiones colapsadas, los infiltrados y los vasos sanguíneos.

La plataforma utilizó simulación de Monte Carlo para calcular el comportamiento de millones de fotones a medida que viajaban a través de una anatomía torácica heterogénea. El grupo incluyó a cuatro personas del Hospital das Clínicas de la Facultad de Medicina de la Universidad de São Paulo, entre ellas un sujeto de control y tres pacientes con neumonía bacteriana focal, neumonía bacteriana difusa y neumonía viral por COVID-19. Dos voluntarios adicionales se sometieron a mediciones ópticas para la validación experimental del modelo.

Las reconstrucciones mostraron que el área pulmonar sana disminuyó de aproximadamente 91 % en el sujeto de referencia a 58,9 % en la neumonía focal, 54,1 % en la neumonía difusa y aproximadamente 69,9 % en la COVID-19. La luz de 808 nanómetros produjo la mayor deposición de energía en el pulmón entre las configuraciones evaluadas. La iluminación lateral y dorsal proporcionó una distribución más uniforme que la iluminación frontal por sí sola, mientras que la iluminación desde múltiples ángulos a 808 nanómetros produjo la distribución más uniforme y eficiente.

Usando luz infrarroja de 808 nanómetros a 100 milivatios por centímetro cuadrado sobre la piel, la irradiancia pulmonar media fue de 0,0234 milivatios por centímetro cuadrado en un pulmón sano. Bajó a 0,0166 en la neumonía focal, 0,0120 en la neumonía difusa y 0,0113 en la COVID-19. El trabajo se publicó en Proceedings of the National Academy of Sciences, con la participación de Texas A&M University y Victoria University of Wellington.

“Somos científicos comprometidos con la relevancia de nuestra investigación. Queremos resolver problemas, pero también actuamos con responsabilidad social. No queremos crear tecnología que sea demasiado cara, que no pueda integrarse en el Sistema Único de Salud o que se utilice ampliamente. Un buen tratamiento debe ser accesible para la población. La realidad económica debe tenerse en cuenta en lo que estamos desarrollando”, dijo Vanderlei Bagnato, del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo.

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Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo