El papel de la Ingeniería en la Medicina, aplicaciones en Biomecánica basadas en el método de los elementos finitos

La tendencia imparable de tecnificación de la Medicina está dando lugar a nuevas demandas de formación e investigación que confluyen en un nuevo perfil profesional, que trata de conjugar aspectos médicos con ingenieriles, consolidando una disciplina reciente pero de enorme futuro como es la Ingeniería Biomédica. La complejidad y variedad de su objeto de estudio ha impulsado la distinción, a su vez, de distintas subdisciplinas como la Bioquímica, la Ingeniería Genética, la Farmacología o Química, la Bioelectrónica, la Biomecánica y algunas otras.  La Ingeniería Biomédica es sin lugar a dudas uno de los sectores industriales de mayor crecimiento en la economía mundial.

Dentro del gran abanico de aplicaciones que componen la Ingeniería Biomédica, la Biomecánica, como su propio nombre indica, tiene como objeto el estudio de la Mecánica de sistemas biológicos (células, tejidos y órganos) así como su interacción con el entorno, asimismo mecánico, circundante (prótesis, fijadores, implantes, etc).

Hoy en día, las actividades de investigación de la Biomecánica se pueden extender fundamentalmente en tres campos: teórico, experimental y computacional. En particular, el elevado coste que supone la experimentación y la imposibilidad de la personalización de la misma, junto al desarrollo acelerado de los ordenadores en cuanto a potencia, rapidez, versatilidad, visualización gráfica, etc., están motivando un creciente protagonismo de la Biomecánica Computacional. 

Una de las áreas médicas en la que las técnicas de la Biomecánica tienen una mayor aplicación es la Ortopedia y, en particular, en lo referido a lesiones musculoesqueléticas del aparato locomotor. El estudio de este tipo de lesiones y su correcto tratamiento requiere el conocimiento de multitud de aspectos biológicos, médicos y mecánicos como la microestructura y comportamiento de tejidos duros como el hueso, y de tejidos blandos como los tendones, ligamentos y músculos, del movimiento de las articulaciones como la rodilla y la cadera, del estudio y experiencia sobre los tratamientos protésicos o implantes más adecuados para cada caso, etc. Hasta el momento, el diseño de una prótesis y la elección de la misma para un paciente en concreto se ha realizado a través de la experiencia de resultados clínicos previos. La Biomecánica Computacional puede ayudar al diseño de prótesis, las cuales además podrían ser personalizadas para cada paciente.

El método más utilizado en la Biomecánica computacional es el Método de los Elementos Finitos, es una técnica de resolución aproximada. Una vez se ha creado la geometría del problema a resolver, se utiliza un procedimiento para definir y dividir el modelo en "pequeños" elementos. En general, un modelo de elementos finitos está definido por una malla, la cual está conformada por elementos y nodos. Los nodos representan puntos en los cuales se calcula el desplazamiento. Un ejemplo de aplicación del método de los elementos se muestra en la figura siguiente, donde se puede ver distintas prótesis comerciales de cadera cementadas y su modelo de elementos finitos.