Los pasillos del hospital están llenos de sonidos familiares: el pitido constante de los monitores, el murmullo de las conversaciones entre médicos y enfermeras, y el inconfundible sonido de los ventiladores mecánicos que susurran aire para mantener con vida a los pacientes en estado crítico.
En estos espacios, donde cada segundo cuenta, los pacientes ingresan a las unidades de cuidados intensivos (UCI) con la esperanza de que la ciencia y la medicina les den una segunda oportunidad. Sin embargo, el camino a la recuperación está marcado por el miedo de ser conectado a un ventilador mecánico, siendo este el único recurso para mantenerlos vivos.
Otro agravante es que la tecnología de los ventiladores mecánicos actuales tiene una limitación: no pueden ofrecer información detallada sobre los gases que se intercambian en los pulmones respiración a respiración. Estos gases, principalmente oxígeno (O₂) y dióxido de carbono (CO₂), son esenciales para que los médicos sepan si el cuerpo está realizando correctamente el intercambio gaseoso, un proceso clave para mantener la vida.
Por lo tanto, medir los gases alveolares es vital para ajustar la ventilación mecánica en pacientes graves.
Por ejemplo, en un paciente con EPOC (Enfermedad Pulmonar Obstructiva Crónica), si el dióxido de carbono se acumula mucho, se ajusta el ventilador para evitar acidosis. En el caso de un trauma craneal, cuando el cerebro se inflama y afecta el centro respiratorio, medir el oxígeno en los alveolos permite ajustar el ventilador para suplir la falta de respiración natural. O tras una cirugía, en la que si el paciente no respira bien al despertar de la anestesia, el monitoreo de los gases alveolares asegura una ventilación adecuada hasta que recupere su función pulmonar normal.
A pesar de la importancia, en pleno siglo XXI, los médicos siguen midiendo estos gases de manera indirecta.
Origen del simulador premiado
Es en este contexto que el profesor León Darío Jiménez y su equipo en la Universidad EIA crearon un simulador físico del sistema respiratorio humano con el objetivo de predecir los niveles de gases alveolares (O2 y CO2) en cada paciente, sin tener que invadir o arriesgar sus pulmones
El resultado de su trabajo fue galardonado el pasado 2 de octubre con el premio en la categoría de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales por la Fundación Alejandro Ángel Escobar, una organización que hace 69 años reconoce los trabajos científicos y solidarios más innovadores y con mayor impacto social en Colombia.
Este simulador, que alcanza hasta 150 cm de altura, cuenta con ocho alveolos simulados que se expanden y contraen gracias a la acción de resortes, replicando el movimiento de respiración. Estos se encuentran dentro de dos pulmones transparentes de acetato que permiten observar cada fase. El pistón del medio empuja los fuelles que emulan el diafragma, activando el movimiento de aire dentro del simulador (ver gráfico).
A este simulador se conecta un computador con estrategias de Inteligencia Artificial (IA) entrenadas y el desarrollo de un modelo matemático, que puede actuar según la enfermedad o necesidad de cada paciente.
Cinco años de construcción
La creación de este simulador fue el fruto de cinco años de investigación, liderados por un equipo multidisciplinario que unió ingeniería y medicina. “La idea surgió de la necesidad de contar con un dispositivo que permitiera medir los gases alveolares de manera directa, sin necesidad de invadir el pulmón del paciente”, explica León Jiménez.
Sin embargo, detrás de esta motivación científica hay una historia personal. El padre de León Darío Jiménez era médico anestesiólogo y falleció conectado a un ventilador en el año 2010, mientras estaba en cuidados intensivos. “Mi padre no tuvo la oportunidad de sobrevivir porque los ventiladores mecánicos no ofrecían información precisa. Esa experiencia me marcó profundamente y me motivó a dedicar mi vida a la investigación en este campo”, relata.
Su interés por la ingeniería biomédica nació desde joven, pero en los años setenta, esa carrera no existía en Colombia. Por eso, estudió Ingeniería Mecánica en la Universidad Nacional para luego especializarse en Ingeniería Biomédica en la Universidad Pontificia Bolivariana (UPB).
Tras la muerte de su padre decidió dedicarse al estudio de un simulador, con el fin de que “los pacientes en UCI, conectados a un ventilador, tengan mejores oportunidades” y añade: “Si mi padre lo hubiera tenido, posiblemente nos habría acompañado unos años más”.
Y buscando una universidad donde ejercer la investigación, dejó de trabajar, sin haberse pensionado. En la Universidad EIA realizó su Maestría en Ingeniería Biomédica.
Allí puso el primer eslabón en 2015 junto al ingeniero Sergio López y construyeron el primer simulador de pulmón, conocido como SAMI. Este fue el precursor del modelo premiado y juntos se propusieron crear una máquina que funcionara lo más parecido posible a un pulmón humano. ¿Pero, por qué construir un simulador? ¿Por qué no simplemente estudiar el pulmón humano directamente?
A lo que Jiménez responde: “El tórax es una cavidad hermética. Si lo abres para ver el pulmón en acción, pierdes esa hermeticidad y el pulmón se colapsa. No puedes ver un pulmón funcionando en un paciente vivo”. Con este simulador, en cambio, los médicos pueden ver cómo funciona un pulmón sin necesidad de poner en riesgo al paciente.
Uno de los usos prácticos más importantes del simulador es probar ventiladores mecánicos antes de conectarlos a un paciente. “Si un ventilador falla, no puedes probarlo directamente en una persona. Necesitas un simulador para verificar que todo esté funcionando correctamente”, explica Jiménez. Un error en la ventilación, como suministrar demasiado aire, puede perjudicar los pulmones de una persona en estado crítico.
Desde su llegada a la Universidad EIA, Jiménez tenía el deseo de formar un laboratorio y, para ello, le asignaron un salón que bautizó como Laboratorio Vesalius.
El referente para ese nombre fue Andrés Vesalio, el primer anatomista en intentar ventilar a otra persona. Vesalio utilizó fuelles, que comúnmente se empleaban para atizar el fuego del carbón, y los conectó al paciente que, pese a todos los esfuerzos del equipo médico, perdió la vida. Sin embargo, fue el primero en concebir la idea de la ventilación mecánica. “En honor a este científico”, explicó Jiménez, “adoptamos el nombre Vesalius para el laboratorio”.
Años más tarde, sin que nadie lo sospechara, llegó silenciosa y con mucha prisa la pandemia de Covid-19. En 2020, el Laboratorio Vesalius, ante la alta demanda de ventiladores mecánicos en las UCI, creó 100 ventiladores que fueron probados inicialmente en pacientes de instituciones como el Hospital San Vicente Fundación, la Clínica Las Américas y la Clínica Universitaria Bolivariana.
Con el aumento de casos, desde la planta de Haceb, donde eran ensamblados, se enviaban lotes de 20 a 30 ventiladores según la necesidad del hospital. Actualmente, los 100 ventiladores se encuentran en Ruta N, esperando el momento en que puedan volver a usarse en situaciones de emergencia.
Mientras esto ocurría, las investigaciones no cesaban. El simulador recientemente premiado, SAMI-SII, ya venía con mejoras de su antecesor (SAMI), y fue presentado como parte de la tesis de doctorado que estaba desarrollando el investigador Jiménez.
El proyecto nació de una convocatoria ganada por la Universidad EIA del Ministerio de Ciencia para estudiar el EPOC, una afección respiratoria crónica que provoca la obstrucción del flujo de aire en los pulmones, lo que dificulta la respiración.
Esta convocatoria, que otorgó cerca de 700 millones de pesos, financió el pago de los investigadores contratados, así como los materiales del simulador. Algunos tuvieron que ser importados, como los fuelles que simulan los alveolos y el diafragma, así como 12 sensores que costaban cada uno 60.000 dólares, pero gracias a que se trataba de un proyecto de investigación, el costo se redujo a 2.000 dólares por sensor. Esto sin contar los numerosos rechazos por parte de empresas que no apoyaban el trabajo, o las veces en que la construcción del modelo fallaba y debía repetirse con otros materiales para, por ejemplo, simular las fuerzas elásticas.
A esto se suma que tras muchos intentos de hacer el simulador a partir de modelos matemáticos basados en ecuaciones, se dieron a la tarea de realizarlo con inteligencia artificial para poder predecir lo que tanto querian: los niveles de gases alveolares.
En este proyecto, el PhD León tuvo la guía de sus directores de tesis, los doctores Yeison Montagut Ferizola y Robinson Torres Villa. Además, en el desarrollo de este simulador estuvo el trabajo del Dr. Juan Carlos Maya, de la Universidad Nacional, que apoyó en el desarrollo del modelo matemático; el ingeniero Mateo Ardila contribuyó al sistema de intercambio gaseoso pulmonar, la Dra. Isis Bonet trabajó en la estrategia de inteligencia artificial, el ingeniero Yesid Montoya asesoró sobre temas de materiales y modulación, y el ingeniero Edgar Martínez se encargó de los CAD del simulador.
Luego, el modelo fue validado en 13 pacientes pulmonarmente sanos y sometidos a ventilación mecánica, arrojando resultados precisos.
Incluso, los beneficios en la educación estan comenzando a hacer eco: el Hospital Pablo Tobón Uribe ya tiene fecha –el 10 de octubre– para su curso de ventilación mecánica con este simulador SAMI-SII.
Merecida premiación
Tras largas jornadas de investigación, llegaron los reconocimientos. La Fundación Alejandro Escobar Ángel conoció este simulador y nominó el proyecto en el área de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales.
Después de declararlo ganador, le preguntaron al doctor León qué significaba ese reconocimiento para él, a lo que respondió: “Significa mucho para mí, a mis años. La edad de nuestro espíritu no se mide por el número de vueltas que le hemos dado al Sol; la edad de nuestro espíritu es únicamente una propiedad nuestra”.
Días después, el miércoles 2 de octubre, al recibir su condecoración, cerró su discurso de premiación diciendo: “A mis 67 años, después de 40 años de investigación, puedo decir que ‘la mejor manera de predecir el futuro es inventarlo’, como decía Alan Kay”.
