El evento internacional FIA 2024 se llevará a cabo a inicios de diciembre en Las Condes. Trinidad Gatica, quien este año obtuvo el Magíster en Ciencias de la Ingeniería, y Danilo Aballay, estudiante del Major en Ingeniería Matemática, presentarán trabajos realizados en conjunto con académicos del IMC y de University College London.
El Hotel Best Western Marina Las Condes, ubicado en Las Condes, será la sede del XIII Congreso Iberoamericano de Acústica (FIA 2024) que se realizará entre el 2 y 4 de diciembre. El evento apunta a promover el intercambio de experiencias entre investigadores, profesores, estudiantes y profesionales que trabajan en campos como la acústica biomédica, audio profesional y ruido ambiental, entre otros. Por ese motivo, una alumni y un estudiante del Instituto de Ingeniería Matemática y Computacional (IMC) serán parte del grupo de expositores que presentarán sus trabajos en la conferencia.
Trinidad Gatica obtuvo el título de Ingeniera Civil Matemática y Computacional en la UC y este año defendió con distinción máxima su tesis para el Magíster en Ciencias de la Ingeniería. En ese trabajo tuvo como guía a Elwin van ‘t Wout, académico del IMC y coautor junto a Trinidad y Reza Haqshenas (University College London) de la investigación titulada “Clasificación de la cavitación de burbujas con algoritmos de aprendizaje automático entrenados en modelos físicos”.
“Voy a presentar la versión en español de mi trabajo de tesis. Lo que hicimos con el profesor Elwin consiste en detección de clasificación de cavitación en estable o transiente mediante machine learning y en base a varios modelos físicos centrados en burbujas”, explica Trinidad, quien actualmente se desempeña en la empresa Deloitte. Sobre el estudio, añade: “Tomamos varias burbujas que actúan como una sola y las modelamos con tres ecuaciones distintas, las cuales al final determinan ciertos parámetros en base al líquido que hay a su alrededor”.
Trinidad Gatica.
La investigadora agrega que el líquido hace que la burbuja oscile de dos maneras: “Hay una donde la burbuja crece y se achica durante un cierto periodo de tiempo y que se denomina estable. Y luego hay otra que se da cuando la burbuja se revienta y se llama transiente”. Este fenómeno es clave porque la idea del trabajo realizado por el equipo es estudiar burbujas, por ejemplo, para la administración de medicamentos por vía sanguínea: “Se coloca el medicamento en una burbuja y se la hace oscilar establemente a través del cuerpo hasta donde se quiere entregar el medicamento, donde uno hace que estalle. Este mecanismo es bastante utilizado en biomedicina, aunque también se aplica en otras áreas como las resonancias”.
Trinidad agrega que, para poder realizar el estudio, y “no tener que resolver cada vez todas las ecuaciones diferenciales”, el equipo elaboró un “modelo de machine learning que toma tres ecuaciones y cuatro formas de determinar si es que la burbuja explota o no explota, mezclando todo para generar doce combinaciones con los que elaboramos un método rápido y robusto para determinar si la burbuja, dadas ciertas condiciones iniciales, va a explotar o no”.
El objetivo de Trinidad y los académicos que colaboran con ella es seguir perfeccionando este estudio. La Ingeniera Civil Matemática y Computacional acaba de ser aceptada en la UC para cursar el Doctorado en Ciencias de la Ingeniería y su objetivo es completar este postgrado a través del convenio de titulación doble que la universidad tiene con University College London. “Así podríamos seguir trabajando juntos, no sólo en burbujas para entrega de remedios, sino que también en resonancia o imágenes médicas que sean mucho más complejas, donde se requiera comportamiento de grupo y no sólo de una burbuja. También estamos tratando de escribir un nuevo paper, también con la información que obtuvimos en base a la investigación del magíster, pero todavía está en proceso”.
Simulaciones de ultrasonido
Danilo Aballay, estudiante del Major en Ingeniería Matemática -programa a cargo del IMC-, también será uno de los presentadores en FIA 2024. Su trabajo se llama “Simular tratamiento de ultrasonido focalizado en la ingeniería biomédica con el método de integrales volumétricas” y tiene como coautores a Elwin van ‘t Wout, Alberto Almuna -estudiante del título de Ingeniería Civil Matemática y Computacional y el Magíster en Ciencias de la Ingeniería- y Pierre Gélat, académico de University College London.
“Lo que hacemos alude a la idea de usar ultrasonido focalizado para atacar el cáncer, aunque también podría ser aplicable en tratamientos que ocupan ultrasonido en áreas como el cerebro. Yo partí estudiando cáncer y ablación, o destrucción de tumores, en la zona abdominal”, explica Danilo. El estudiante precisa que con el sonido de alta frecuencia se apunta a quemar el tumor: “Por eso, lo que se busca es que las ondas de sonido de alta intensidad se anulen en las áreas del cuerpo aledañas al tumor, pero que tengan un peak de energía en el tumor mismo para que este se queme. Para que esto se pueda aplicar eventualmente en un paciente, tenemos que hacer algún tipo de simulación que garantice que el procedimiento sea preciso”.
Danilo Aballay.
Danilo cuenta que Elwin van ‘t Wout comenzó a explorar este campo a través de su librería Optimus, un repositorio Python de código abierto que busca resolver la propagación de ondas acústicas 3D. “Se utilizó esa librería y el método de elementos de frontera, o BEM por su sigla en inglés. Estaba dando buenos resultados, pero una de las limitaciones de BEM es que uno asume una densidad y velocidad de onda homogénea dentro del material que está simulando. Por ejemplo, en la zona del abdomen puedes simular el tejido blando y las costillas, pero estas tendrían que ser homogéneas, como si todas fueran completamente del mismo material. Sin embargo, esto no es exactamente así, ya que las costillas tienen cambios de densidad, no son homogéneas. Y la heterogeneidad no se puede modelar con BEM”.
Para superar este obstáculo, cuenta Danilo, el profesor centró su atención en un método conocido como VIE (volume integral equations). “Sigue una idea similar a la de BEM, pero su gracia es que permite modelar un dominio heterogéneo que tiene distintas densidades”, explica. En base a este estudio, el equipo ha obtenido algunos resultados: “Ya terminé de implementar al menos la versión más preliminar, con los settings más básicos. Queda trabajo que hacer para mejorar algunos de los detalles de cuadraturas, enmallado o el grado de los polinomios que usamos para la aproximación”.
Hasta ahora se han realizado diversas simulaciones para probar si lo avanzado funciona al menos en casos controlados. “Con Alberto, tenemos datos biomédicos reales de un cráneo y estamos corriendo simulaciones. Actualmente estamos trabajando en el análisis de los datos ”. En cuanto a futuros estudios en el mundo real, Danilo señala que ese paso por ahora está más allá del trabajo que realiza actualmente: “Sería preocupación de algún otro ingeniero o médico”.