Aplicaciones clínicas de modelos de dinámica de fluidos en patología respiratoria = Clinical applications of fluid dynamics models in respiratory disease

Abstract

La medicación inhalada constituye el tratamiento de primera línea de enfermedades como el asma o la EPOC. El efecto de las terapias en aerosol depende tanto de la dosis depositada más allá de la región orofaríngea como de su distribución en el pulmón (central o periférica, uniforme o no uniforme). Si un aerosol se deposita en una dosis subóptima o en una región del pulmón no afectada por la patología a tratar, la efectividad del tratamiento se verá comprometida. Factores como el tamaño de las partículas del aerosol, las condiciones de respiración, la geometría de las vías aéreas o los mecanismos de aclaramiento mucociliar juegan un papel fundamental en el depósito pulmonar de los fármacos aerosolizados. Estas peculiaridades de cada individuo hacen que resulte interesante disponer en la práctica clínica de algún método que permita individualizar las terapias aerosolizadas. Una posibilidad sería la elaboración de modelos de la vía aérea exclusivos de cada paciente mediante técnicas CFD, combinadas con imágenes de tomografía computarizada de alta resolución (TCAR) torácicas. Pero las aplicaciones de las técnicas de CFD al campo de la neumología no se limitan al estudio del depósito de fármacos en el pulmón. También permite conocer en profundidad las características fluidodinámicas de enfermedades pulmonares obstructivas, proporcionando información que no puede obtenerse a través de las pruebas básicas de función pulmonar. Con estos propósitos se elaboró un modelo de la vía aérea de conducción basado en imágenes de TC torácicas para obtener la geometría de la vía aérea superior, así como de la tráquea y bronquios principales, y complementado con técnicas algorítmicas para el desarrollo del resto de la vía aérea de conducción. Debido a que el modelo completamente desarrollado consta de 65,536 ramales se optó por trabajar con una versión simplificada del mismo, en la que únicamente se desarrollaron por completo ocho ramales de la vía aérea. Las condiciones de contorno en cada uno de los ocho ramales se aplican a su equivalente truncado a través de una función definida por el usuario (UDF por sus siglas en inglés, User Defined Function) programada para este objetivo, permitiendo obtener resultados del funcionamiento global del modelo completo operando únicamente a través de ocho ramales. También fue programada otra UDF que permite emplear condiciones de contorno no estacionarias en el modelo, para poder simular las condiciones de respiración. Se simularon enfermedades pulmonares de tipo obstructivo, concretamente la bronquitis crónica y el enfisema, obteniendo valores de FVC, FEV1 y FEV1/FVC concordantes con lo esperado en la espirometría forzada. También se realizaron múltiples simulaciones para comprobar el depósito de partículas inhaladas. En condiciones de respiración normal, con un flujo de 30 L/min, aproximadamente el 30% de las partículas inhaladas con un diámetro de la masa media aerodinámica (DMMA) de 5 µm van a quedar atrapadas en la región orofaríngea, y un 20% adicional en las primeras 4 generaciones de la vía aérea. Si el DMMA aumenta a 20 µm, estos valores se incrementan hasta el 70% y 30% respectivamente. Con un flujo más elevado, de 75 L/min, el 100% de las partículas con DMMA de 20 µm quedan atrapadas en la región orofaríngea. El uso de inhaladores con partículas mayores de 10 µm y flujos superiores a 30 L/min debe ser evitado, puesto que el porcentaje de partículas que van a quedar depositadas antes de penetrar en los pulmones es superior al 50%. Estos resultados coinciden con los obtenidos por otros autores. Por tanto, la CFD es una técnica muy potente, y cada vez más accesible a los usuarios, que aporta valiosa información al estudio de la fisiología de la respiración, las características fluidodinámicas de diversas patologías respiratorias, o al conocimiento de los mecanismos que rigen el depósito pulmonar de partículas inhaladas.