Modelización del sistema cardiovascular materno-fetal a partir de un modelo simplificado

Abstract

La educación en Ingeniería exige la adquisición de competencias en el análisis, modelado, diseño y realización de dispositivos, sistemas, componentes o procesos. Específicamente el CONFEDI a través de los estándares definidos en el Libro Rojo, establece que la formación del ingeniero biomédico involucra los mismos objetivos de desarrollo de competencias en el área del modelado y la simulación, estrechamente vinculadas con el desarrollo de nuevas tecnologías informáticas. Basándonos en lo antes expuesto, planteamos como propuesta didáctica, el empleo de modelos simples y su simulación para la enseñanza de sistemas fisiológicos y la integración de conocimientos previos. La propuesta se basa en el modelo Windkessel para analizar la dinámica cardiovascular materno-fetal. Por tratarse de un sistema complejo, es necesario que los estudiantes comprendan acabadamente este modelo que sirve de base para el segundo y que recuperen saberes previos referentes a los métodos de resolución de los circuitos eléctricos. Se realizó la simulación del modelo equivalente del sistema cardiovascular materno fetal de 32 semanas de embarazo. El modelo desarrollado consiste de segmentos vasculares del tipo Windkessel de 2 elementos y representan un esquema equivalente del sistema interconectado entre la madre y el feto. Las ecuaciones fueron resueltas para hallar los flujos de sangre en distintas ramas del sistema con el fin de realizar un análisis cuantitativo de su comportamiento. La solución de este modelo, lograda con Matlab®, permite que los alumnos de ingeniería comprendan, diseñen y simulen procesos biológicos a partir de sistemas físicos que les son familiares.

Engineering education requires the acquisition of skills in the analysis, modeling, design and realization of devices, systems, components or processes. Specifically, the CONFEDI, through the standards defined in the Red Book, establishes that the training of the biomedical engineer involves the same competency development objectives in the area of modeling and simulation, closely linked to the development of new computer technologies. Based on the above, we propose as a didactic proposal, the use of simple models and their simulation for the teaching of physiological systems and the integration of previous knowledge. The proposal is based on the Windkessel model to analyze maternal-fetal cardiovascular dynamics. Because it is a complex system, it is necessary for students to fully understand this model, which serves as the basis for the second, and to recover previous knowledge regarding the methods of solving electrical circuits. Simulation of the equivalent model of the fetal maternal cardiovascular system at 32 weeks of pregnancy was performed. The developed model consists of 2-element Windkessel-type vascular segments and represents an equivalent scheme of the interconnected system between the mother and the fetus. The equations were solved to find the blood flows in different branches of the system in order to perform a quantitative analysis of their behavior. The solution of this model, achieved with Matlab®, allows engineering students to understand, design and simulate biological processes from physical systems that are familiar to them.