Mechanical and morphometric characterization of cancellous bone

[EN] Bone fracture is a social health problem of increasing magnitude because of its prevalence in aged population due to osteoporosis. Bone quality is often characterized by bone mineral density (BMD) measured at cancellous bone regions using dual-energy X-ray absorptiometry (DXA). However, BMD alone cannot predict several cases because not only density is important, but also microstructure plays an important role in cancellous bone strength. The mechanical properties can be used as indicators of bone integrity as a function of age, disease or treatment. Therefore, cancellous bone fracture characterization and its relationship to microstructure has not been completely solved in the literature and is relevant to improve fracture prediction. In this thesis, we aim at characterizing cancellous bone morphometry and mechanical behavior. Morphometry is estimated through the analysis of micro-computed tomography (micro-CT) images of vertebral cancellous bone specimens. With regards to the mechanical behavior, we calculate elastic, yield and failure properties at the apparent and tissue levels. To determine them, we followed different approaches: compression tests, finite element models and micro-CT phantoms. We have developed finite element models that reproduce the elastic and failure response of cancellous bone under compression conditions. We modeled failure as a combination of continuum damage mechanics and the element deletion technique. The numerical models permitted to estimate elastic and failure properties. Failure properties were consistent with results reported in the literature. Specifically, our results revealed that yield strain is relatively constant (0.7 %) over a range of apparent densities, while failure strain presents a wider range of variation. A single strain parameter (equivalent strain) was found as an accurate descriptor of cancellous bone compression failure. Image-based numerical models usually need for the action of a technician to segment the images. Therefore, we studied the sensitivity to variations of the segmentation threshold on the morphometry and the elastic properties of vertebral cancellous bone specimens of different bone volume fractions. The apparent modulus is highly sensitive to the segmentation threshold. We report variations between 45 and 120 % for a ± 15 % threshold variation. Other parameters, such as BS/BV, BS/TV, Tb.Sp, Tb.N, Conn.D and fractal dimension were influenced significantly. Digital image correlation (DIC) was applied to images taken during compression testing to analyze displacement fields at failure and characterize them. Some variables were explored to describe failure and a study is done about how DIC parameters influence the strain field obtained. Facet and step sizes have a relevant effect on the failure strain estimation, and an increment of both parameters reduces the strain estimation up to 40 %. Besides, several parameters combination led to correct failure pattern detection, so values reported in the literature should be referred to the parameters used. Furthermore, we explored if cancellous bone microstructure acts (non-speckle/texture approach) as a proper pattern to calculate displacements using DIC technique. As regards relationships between microstructure and mechanics, single and multiple parameter analysis were performed to assess the morphometric variables that control the explanation of mechanical properties variation. Bone volume fraction (BV/TV), bone surface to volume ratio (BS/BV), mean trabecular thickness (Tb.Th) and fractal dimension (D) presented the best linear correlations to the elastic properties, while both the yield and failure strains did not show correlation to any morphometric parameter. The regressions obtained permit to estimate those mechanical properties that describe the state of a specimen.[ES] Las fracturas óseas constituyen un problema social de salud con magnitud creciente por su prevalencia en la población de edad avanzada debido a la osteoporosis. La calidad del hueso suele caracterizarse mediante la estimación de la densidad mineral ósea (DMO) en regiones de hueso trabecular, utilizando absorciometría de rayos X de energía dual (DXA). No obstante, la DMO por si sola no es capaz de predecir numerosos casos de fractura porque no solo importa la pérdida de densidad, sino que la microestructura también tiene un papel principal en la resistencia del hueso. Las propiedades mecánicas del hueso pueden usarse como indicadores de su integridad en función de la edad, enfermedad o tratamiento. Por lo tanto, la caracterización de la fractura de hueso trabecular y su relación con la microestructura no se ha resuelto de forma completa en la literatura y es relevante para mejorar las predicciones de fractura. En esta tesis, nuestro principal objetivo es caracterizar la morfometría y el comportamiento mecánico del hueso trabecular. Estimamos la morfometría a través del análisis de imágenes obtenidas por micro tomografía computerizada (micro-CT) de muestras de hueso trabecular vertebral de cerdo. Respecto al comportamiento mecánico, calculamos propiedades elásticas, de plasticidad y fractura a escala aparente y de tejido. Para determinar esas propiedades, hemos seguido diferentes procedimientos: ensayos a compresión, modelos de elementos finitos y fantomas de calibración micro-CT. Los modelos de elementos finitos desarrollados reproducen la respuesta elástica y de fallo bajo condiciones de compresión en hueso trabecular, modelando el fallo como combinación de mecánica del daño contínuo y la técnica de eliminación de elementos. Los modelos numéricos desarrollados han permitido estimar propiedades elásticas y de fallo. En concreto, las deformaciones de inicio de fallo estimadas son relativamente constantes para las muestras analizadas (0.7 %), mientras que las deformaciones últimas de fallo presentan un rango de variación mayor. Por otro lado, encontramos que la deformación equivalente es el descriptor más preciso del fallo a compresión del hueso trabecular. Normalmente, los modelos numéricos basados en imágenes suelen necesitar la acción de un técnico para segmentar las imágenes. En este sentido, estudiamos la sensibilidad de la morfometría y la estimación de propiedades elásticas ante variaciones en el umbral de segmentación en muestras con distinta fracción en volumen. Hemos obtenido que la rigidez aparente es muy sensible a cambios en el umbral de segmentación, con variaciones entre 45 y 120 % para una variación de ± 15 % del umbral de segmentación. Otros parámetros, como BS/BV, BS/TV, Tb.Sp, Tb.N, Conn.D y la dimensión fractal se ven afectados significativamente. Por otro lado, hemos aplicado la técnica correlación digital por imagen (DIC) para caracterizar campos de desplazamientos en el fallo a compresión del hueso trabecular, a partir del análisis de imágenes tomadas durante el ensayo de las muestras. Además, estudiamos la influencia de algunos parámetros de la técnica DIC en el campo de deformaciones obtenido. También, hemos explorado la aplicación DIC sin el uso de moteado, utilizando como patrón de reconocimiento la propia microestructura trabecular. En relación al estudio de la influencia de la microestructura en la respuesta mecánica, hemos calculado correlaciones de uno y varios parámetros para analizar qué variables morfométricas explican la variación de las propiedades mecánicas. La fracción en volumen de hueso (BV/TV), la relación entre el área y el volumen de hueso (BS/BV), el espesor trabecular medio (Tb.Th) y la dimensión fractal (D) presentan las mejores correlaciones lineales respecto a las propiedades elásticas, mientras que las deformaciones de inicio de plasticidad y fractura no mostraron correlación con ningún parámetro morfométrico.[CA] Les fractures òssies constitueixen un problema social de salut amb magnitud creixent per la seua prevalença en la població d'edat avançada a causa de l'osteoporosi. La qualitat de l'os sol caracteritzar-se mitjançant l'estimació de la densitat mineral òssia (DMO) en regions d'os trabecular, utilitzant absorciometria de raigs X d'energia dual (DXA). No obstant això, la DMO per si sola no és capaç de predir nombrosos casos de fractura perquè no sols importa la pèrdua de densitat, sinó que la microestructura també té un paper principal en la resistència de l'os. Les propietats mecàniques de l'os poden usar-se com a indicadors de la seua integritat en funció de l'edat, malaltia o tractament. Per tant, la caracterització de la fractura d'os trabecular i la seua relació amb la microestructura no s'ha resolt de manera completa en la literatura i és rellevant per a millorar les prediccions de fractura. En aquesta tesi, el nostre principal objectiu és caracteritzar la morfometria i el comportament mecànic de l'os trabecular. Estimem la morfometria a través de l'anàlisi d'imatges obtingudes per micro tomografia automatitzada (micro-CT) de mostres d'os trabecular vertebral de porc. Respecte al comportament mecànic, calculem propietats elàstiques, de plasticitat i fractura a escala aparent i de teixit. Per a determinar aqueixes propietats, hem seguit diferents procediments: assajos a compressió, models d'elements finits i fantomas de calibratge micro-CT. Hem desenvolupat models d'elements finits que reprodueixen la resposta elàstica i de fallada sota condicions de compressió en os trabecular, modelant la fallada com a combinació de mecànica del dany continu i la tècnica d'eliminació d'elements. Els models numèrics desenvolupats han permés estimar propietats elàstiques i de fallada. Les nostres estimacions respecte a propietats de fallada són consistents amb valors reportats en la literatura. En concret, les deformacions d'inici de fallada estimades són relativament constants per a les mostres analitzades (0.7 %), mentre que les deformacions últimes de fallada presenten un rang de variació major. D'altra banda, trobem que la deformació equivalent és el descriptor més precís de la fallada a compressió de l'os trabecular. Els models numèrics basats en imatges solen necessitar l'acció d'un tècnic per a segmentar les imatges. En aquest sentit, estudiem la sensibilitat de la morfometria i l'estimació de propietats elàstiques davant variacions en el llindar de segmentació en mostres amb diferent fracció en volum. Hem obtingut que la rigidesa aparent és molt sensible a canvis en el llindar de segmentació, amb variacions entre 45 i 120 % per a una variació de ± 15 % del llindar de segmentació. Altres paràmetres, com BS/BV, BS/TV, Tb.Sp, Tb.N, Conn.D i la dimensió fractal es veuen afectats significativament. D'altra banda, hem aplicat la tècnica correlació digital per imatge (DIC) per a caracteritzar camps de desplaçaments en la fallada a compressió de l'os trabecular, a partir de l'anàlisi d'imatges preses durant l'assaig de les mostres. A més, estudiem la influència d'alguns paràmetres de la tècnica DIC en el camp de deformacions obtingut. També, hem explorat l'aplicació DIC sense l'ús de clapejat, utilitzant com a patró de reconeixement la pròpia microestructura trabecular. En relació a l'estudi de la influència de la microestructura en la resposta mecànica, hem calculat correlacions d'un i diversos paràmetres per a analitzar quines variables morfomètriques expliquen la variació de les propietats mecàniques. La fracció en volum d'os (BV/TV), la relació entre l'àrea i el volum d'os (BS/BV), la espessor trabecular mitjà (Tb.th) i la dimensió fractal (D) presenten les millors correlacions lineals respecte a les propietats elàstiques, mentre que les deformacions d'inici de plasticitat i fractura no van mostrar correlació amb cap paràmetre morfomètric.Belda González, R. (2020). Mechanical and morphometric characterization of cancellous bone [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/149376TESI

Atypical clinical presentation of an Arthroderma gypseum infection in a renal transplant recipient

Dermatophytes are known as a common cause of superficial mycosis, but atypical presentations in immunosuppressed patients make the diagnosis more challenging. Here, we report a case of a 39-year-old patient, a renal transplant recipient from a living donor, who presented with atypical cutaneous lesions of lower extremities caused by Arthroderma gypseum (Nannizzia gypsea), four months after receiving a renal transplant. It is important to highlight the importance of the early detection of fungal infections in immunosuppressed patients. Clinicians should have a high degree of suspicion for the early detection and treatment of the cases

Topical Application of Imiquimod as a Treatment for Chromoblastomycosis

Peer reviewedPublisher PD

A heterogeneous orientation criterion for crack modelling in cortical bone using a phantom-node approach

Cortical bone can be considered as a heterogeneous composite at microscopic scale, composed of osteons that act as reinforcement fibres embedded in interstitial matrix. Cement lines constitute the interface between osteons and matrix, and they often behave as the weakest links along which microcracks tend to propagate. However, current simulations of crack growth using XFEM combined with usual orientation criteria as implemented in commercial codes do not capture this behaviour: they predict crack paths that do not follow the cement lines surrounding osteons. The reason is that the orientation criterion used in the implementation of XFEM does not take into account the heterogeneity of the material, leading to simulations that differ from experimental results. In this work, a crack orientation criterion for heterogeneous materials based on interface damage prediction in composites is proposed and a phantom node approach has been implemented to model crack propagation. The method has been validated by means of linear elastic fracture mechanics (LEFM) problems obtaining accurate results. The procedure is applied to different problems including several osteons with simplified geometry and an experimental test reported in the literature leading to satisfactory predictions of crack paths.The funding support received from the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness and the FEDER operation program in the framework of the projects DPI2013-46641-R, DPI2017-89197-C2 and RTC-2015-3887-8 and also from the Generalitat Valenciana through the Programme PROMETEO 2016/007

Explicit expressions for elastic constants of osteoporotic lamellar tissue and damage assessment using Hashin failure criterion

[EN] In this work, we have derived explicit expressions to estimate the orthotropic elastic constants of lamellar tissue as a function of the porosity at tissue level (microporosity) and the bone mineral density. Our results reveal that the terms of the main diagonal of the stiffness matrix fit an exponential equation, while the cross terms of the matrix fit a polynomial expression. Regarding to bone damage, failure onset assessed by Hashin criterion is mainly due to matrix elements failure. Finally, a linear relationship was found between bone mineral density (BMD) and cancellous bone stiffness at the macro scale.The authors acknowledge the Generalitat Valenciana for the financial support received through Plan FDGENT 2018. The authors also ackowledge the Ministerio de Ciencia e Innovacin and the ERDF-FEDER programme through the project DPI2017-89197-C2-2-R.Megías Díaz, R.; Belda González, R.; Vercher Martínez, A.; Giner Maravilla, E. (2022). Explicit expressions for elastic constants of osteoporotic lamellar tissue and damage assessment using Hashin failure criterion. En Proceedings of the YIC 2021 - VI ECCOMAS Young Investigators Conference. Editorial Universitat Politècnica de València. 150-158. https://doi.org/10.4995/YIC2021.2021.12442OCS15015

Aprendizaje basado en proyectos mediante aplicación de impresión 3D y modelos de elementos finitos en el Grado de Ingeniería Mecánica

[ES] En este trabajo, se presenta una innovación docente que consiste en la aplicación de la metodología de Aprendizaje Basado en Proyectos (ABP) en la asignatura Biomecánica de cuarto curso del Grado en Ingeniería Mecánica de la Universidad Carlos III de Madrid. Esta metodología se considera eficaz para integrar conocimientos de otras materias del grado de forma profunda, además de favorecer el trabajo en equipo y la resolución de problemas reales de Ingeniería. La innovación propone el desarrollo de un proyecto en grupos de trabajo, cuyo objetivo es el diseño, fabricación y modelado numérico de unidades representativas de estructuras a utilizar como andamio óseo, en el tratamiento de fracturas óseas con grandes defectos. Los resultados obtenidos y la información recibida de los estudiantes, recogida a través de rúbricas y encuestas, han resaltado la eficacia de la metodología y la mejora en la motivación de los alumnos, con resultados muy positivos en cuanto al aprendizaje profundo de la temática propuesta, integrando conocimientos transversales de otras asignaturas.[EN] In this work, we present an educational innovation which consist of the application of the Project-Based Learning (PBL) in the subject Biomechanics, of the 4 th course in the Mechanical Engineering Degree of the Universidad Carlos III de Madrid. This methodology is considered to be effective to deeply integrate knowledge of other subjects. Moreover, it favour team work and real problems resolution. Specifically, we proposed to develop a project which includes 3D printing and finite element modeling to design representative volumes of structures to be employed as bone scaffolds for the treatment of fractures with large defects. The results and the feedback received highlights the effectiveness of this methodology and the improvement in the motivation of the students. Excellent results were obtained in terms of deep learning and knowledge integration.Belda, R.; Infante, D.; Megías, R.; Feito, N. (2023). Aprendizaje basado en proyectos mediante aplicación de impresión 3D y modelos de elementos finitos en el Grado de Ingeniería Mecánica. Editorial Universitat Politècnica de València. 903-914. https://doi.org/10.4995/INRED2023.2023.1663190391

Bedbugs (Cimicidae infestation): the worldwide renaissance of an old partner of human kind

Bedbugs have been known as a human parasite for thousands of years, but scientific studies about this insect are recent and limited. Cimex lectularius, the common bedbug, was a well-known parasite in human dwellings until the end of the Second World War. Nowadays, bedbugs are considered uncommon in the industrialized world. Anecdotal reports suggest that bedbugs are getting more common in the United States, Canada, and United Kingdom. In Brazil, there are few reports about bedbug infestations in the literature. The aim of this article was to alert physicians, especially in Brazil, about this ectoparasitosis, including aspects of the bedbug biology, their parasitism in human host, treatment and prophylaxis.748

Pedroso and Gomes' verrucous Dermatitis (Chromoblastomycosis): 90 years on and still among us

Os autores relatam o caso clínico de uma doente que procurou atendimento dermatológico em decorrência da presença de lesão em placa papulosa de superfície verrucosa no cotovelo esquerdo.In this report, the authors describe the clinical case of a woman seeking care at this dermatology outpatient clinic with a verrucous plaque on her left elbow

Análisis del método de evaluación de las sesiones de prácticas en alumnos del Máster Universitario en Ingeniería Aeronáutica

[ES] En este trabajo se presenta una comparación entre dos métodos de evaluación de las sesiones de prácticas de dos asignaturas del Máster Universitario en Ingeniería Aeronáutica en la UPV pertenecientes a la misma área de conocimiento. El grupo de alumnos evaluados ha sido el mismo en ambas asignaturas. El objetivo es valorar cada uno de los procedimientos de forma objetiva y analizar cuál de los dos métodos es mejor para evaluar el aprendizaje y la adquisición de conocimientos y competencias por parte de los alumnos. La primera metodología consiste en realizar un examen tras la finalización de todas las sesiones prácticas y la segunda implica la corrección de cuestionarios al acabar cada una de las sesiones. Tras analizar los resultados obtenidos, se concluirá con el método de evaluación con el que los alumnos tienen un mejor aprendizaje.[EN] In the present work, two evaluation methodologies of practical sessions are studied and compared in two subjects of the Aeronautical Engineering Master’s Degree in the UPV for the same group of students. The evaluated group of students is the same for both subjects. The main s to assess each of the procedures objectively and to analyse which of the two methods is better for assessing student’s learning and acquisition of knowledge. One methodology consists of an exam after the end of the practical sessions, and the other one by means of grading reports of each practical session. After the analysis of the obtained results, we will conclude with the evaluation method with which students learn best.Megías, R.; Belda, R.; Infante-Garcia, D.; Feito, N. (2023). Análisis del método de evaluación de las sesiones de prácticas en alumnos del Máster Universitario en Ingeniería Aeronáutica. Editorial Universitat Politècnica de València. 1467-1479. https://doi.org/10.4995/INRED2023.2023.166991467147

Bedbugs (Cimicidae infestation): the worldwide renaissance of an old partner of human kind

Bedbugs have been known as a human parasite for thousands of years, but scientific studies about this insect are recent and limited. Cimex lectularius, the common bedbug, was a well-known parasite in human dwellings until the end of the Second World War. Nowadays, bedbugs are considered uncommon in the industrialized world. Anecdotal reports suggest that bedbugs are getting more common in the United States, Canada, and United Kingdom. In Brazil, there are few reports about bedbug infestations in the literature. The aim of this article was to alert physicians, especially in Brazil, about this ectoparasitosis, including aspects of the bedbug biology, their parasitism in human host, treatment and prophylaxis