Examinando por Materia "Navier-Stokes"

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    PublicaciónAcceso abierto
    Simulación computacional de la microcirculación usando redes neuronales
    (Universidad EIA, 2024) García Escobar, Daniel; Ospina Muñoz, Walter Antonio; Palacio Cárdenas, Guillermo Alberto; Guillermo Alberto Palacio Cárdenas
    RESUMEN: la medicina y la inteligencia artificial han avanzado conjuntamente en los últimos años destacándose los resultados en el análisis de imágenes médicas, procesamiento de datos y la simulación de sistemas biológicos con condiciones específicas. Esto ha contribuido a que la medicina sea cada vez más personalizada, permitiendo un entendimiento detallado del caso de cada paciente al analizar ampliamente la información sobre sus particularidades. Las redes neuronales tienen la capacidad de simular sistemas reales, aprendiendo directamente de las leyes de la física presentadas mediante ecuaciones diferenciales y condiciones de frontera. En este trabajo se estudia el flujo sanguíneo de la circulación en capilares, la región del sistema vascular donde ocurre el intercambio de nutrientes entre la sangre y los tejidos del cuerpo, siendo los vasos sanguíneos más pequeños con solo unas cuantas micras de diámetro. El flujo sanguíneo a través de estos vasos se denomina microcirculación y los daños a esta escala no pueden ser detectados en la mayoría de los hospitales. Sin embargo, se ha visto que de la microcirculación se obtiene información de daños iniciales que, de ser detectados a tiempo, pueden prevenir repercusiones más graves en el sistema cardiovascular. Los modelos y las simulaciones basados en fundamentos teóricos y experimentales ayudan a comprender mejor esta parte del sistema circulatorio a la vez que pueden complementar futuros dispositivos de medición. La microcirculación tiene condiciones físicas particulares que la convierten en un sistema complejo: (1) es un fluido granular, no newtoniano, con viscosidad dependiente del radio del capilar; (2) además del flujo sanguíneo, el sistema involucra la filtración del plasma hacia el exterior del capilar. Para describir de manera correcta este sistema se usaron dos modelos teóricos, desarrollados en la universidad de Florencia (Italia), basados en adaptaciones de las ecuaciones clásicas de transporte de momento y de masa. Debido a la complejidad del problema, en este trabajo se desarrollaron diversas arquitecturas de redes neuronales que fueron probadas en condiciones menos específicas como fue la resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes para fluidos newtonianos. Posteriormente estos métodos se aplicaron a los modelos de microcirculación, con el objetivo de recrear los resultados documentados en la literatura sobre concentraciones de glóbulos rojos y velocidades en el sistema. En este trabajo se encontró que es posible recrear la microcirculación utilizando redes neuronales informadas por física, sin la necesidad de bases de datos. Al validar el modelo con la literatura se confirmó que la simulación puede ser usada en investigaciones con datos reales y así aportar a estudios y desarrollos en esta área.