Atheroma plaque vulnerability based in a 3D idealized parametric geometry

Las enfermedades cardiovasculares constituyen la primera causa de mortalidad en los países desarrollados, así como en la práctica totalidad de los países en desarrollo. Dentro de las patologías cardiovasculares, una de las enfermedades que mas muertes causan hoy en día es la aterosclerosis. Dicha enfermedad consiste en la degeneración progresiva y crónica del engrosamiento y endurecimiento de la pared arterial como resultado de la acumulación de depósitos de grasa, colesterol y otras sustancias en la pared interna del vaso. Estas sustancias forman estructuras duras llamadas placas de ateroma y en ellas se puede diferenciar diferentes composiciones; calcificación, lípidos y tejido fibroso. Con el tiempo, si estas placas son vulnerables pueden romperse y provocar la formación de coagulos sanguíneos que bloquean el flujo sanguíneo desencadenando diferentes eventos tales como infartos, trombos o gangrena. La importancia de identificar la placa vulnerable antes de su rotura sigue siendo un reto para la medicina. Actualmente el diagnostico se puede realizar por métodos no invasivos, tales como es determinar la presencia de factores de riesgo, marcadores de vulnerabilidad de la placa, y métodos invasivos como es la angioscopia. Aunque existen varios métodos, no existe uno que nos dé toda la información morfológica y de actividad de la placa necesaria. El objetivo principal de este trabajo es el estudio y modelado de vasos sanguíneos, concretamente de una coronaria, afectados por aterosclerosis. Para ello, se ha desarrollado un estudio parametrico en tres dimensiones (3D) de los factores geométricos en la vulnerabilidad de la placa de ateroma y de la influencia de las tensiones residuales. Los modelos en 3D nos permiten incluir los efectos producidos por las tensiones residuales. Con dichos modelos se van a estudiar tres situaciones diferentes; sin tensiones residuales, considerando tensiones residuales en dirección longitudinal y por ultimo, considerando tensiones residuales tanto en dirección longitudinal como circunferencial. De este modo, se podra identicar el papel que juegan las tensiones residuales en la vulnerabilidad de la placa de ateroma y definir límites de vulnerabilidad para cada uno de los parámetros considerados. Los modelos se han simulado mediante elementos finitos con el software comercial ABAQUS. Los resultados obtenidos, nos permiten ir un paso mas allá en el diagnóstico preventivo y en la planicación preoperatoria en aplicaciones cardiovasculares. Con el fin de validar el modelo, se ha reconstruido mediante el software comercial MIMICS una geometría real a partir de un IVUS (ultrasonido intravascular) de un paciente adulto con placa de ateroma. Tras la reconstrucción se han medido los parámetros estudiados en la geometra real y la hemos comparado con el correspondiente caso paramétrico de parametros similares

Mechanical effects on the atheroma plaque appearance, growth and vulnerability

In western countries, cardiovascular disease is the most common cause of death, often related to atherosclerosis which can cause narrowing, rupture or erosion of the arterial wall, and eventually reduction or complete blockage of the blood flow. Nowadays, imaging modalities such as Magnetic Resonance Imaging (MRI) or Intravascular ultrasound (IVUS) allow improving the atherosclerosis diagnosis. However, in the recent years, computational techniques, which allow approaching this disease from a mechanical standpoint, have been emerged as an alternative and/or complementary diagnosis techniques, improving the understanding of the cardiovascular pathologies. This Thesis deals with the study of the role of some mechanical factors on atherosclerotic blood vessels within the continuum mechanics framework. In order to achieve this goal, the atherosclerosis disease has been tackled from two different perspectives; from computational and experimental points of view. The Finite Element (FE) method is intensively used throughout this work in order to improve the understanding of the problems at hand. Furthermore, the feasibility of the proposed methodologies as predictive tools for clinicians, which should be one of the most important aims of Computational Biomechanics, is also shown. Regarding computational aspects, this Thesis presents a computational methodology, able to accurately analyze the mechanical environment of atherosclerotic lesions and consequently identify high risk plaques. This is accomplished by means of several finite element idealized parametric studies which predict the influence of the main mechanical and structural aspects of the atheroma plaque vulnerability; geometric risk factors such as the fibrous cap thickness, the stenosis ratio, the lipid core length and width, the remodeling index and the plaque configuration, longitudinal and circumferential residual stresses and presence of microcalcifications. The idealized geometry used in these parametric studies has been validated with a patient specific reconstruction model of human atherosclerotic lesion. Furthermore, considering the important role that the arterial wall compliance and pulsatile blood flow play in the atheroma growth and, in order to reject the effect of fluid shear stress compared to the effect of tensile wall stresses on plaque fracture dynamics, a Fluid Structure Interaction (FSI) model based in this parametric study is presented. The main drawbacks of specific patient finite element analysis to predict the atheroma plaque vulnerability risk are the huge memory required and the long computation times. Therefore, faster and more efficient methods to detect vulnerable atherosclerotic plaque would greatly enhance the ability of clinicians to diagnose and treat patients at risk. This Thesis presents two potential applications of Machine Learning Techniques (MLT), such as Artificial Neural Networks (ANNs) and Support Vector Machines (SVMs), applied to the detection of vulnerable plaques. The experimental study of the anatomical and histological characteristics and the mechanical properties of both healthy and atherosclerotic murine aortas is also tackled. For this purpose, in situ inflation tests, histological analysis and a non-invasive evaluation of atherosclerosis lesions were carried out on Apolipoprotein E-Deficient (ApoE-/-) and C57BL/6J mice feeding on a hyperlipidic and a normal diet, respectively. Very different pressure stretch curves were obtained and analyzed, pointing out the different behaviour of both groups. Finally, focusing on atheroma plaque growth aspects, a numerical model for atheroma plaque growth including the main biological agents and processes is presented. This model based on reaction-convection-diffusion equations provides us a better understanding of the biological and mechanical interaction processes. Summarizing, these phenomena are as follows; the inflammatory process starts with the penetration of Low Density Lipoproteins (LDL) cholesterol from the circulatory system into the arterial wall, promoted by the effects of local Wall Shear Stress (WSS) on the endothelial cell layer and its effects on volume and solute flux. Part of this LDL is oxidized and becomes pathological. In order to remove it, circulating immune cells (monocytes) are recruited. Once in the intima, the monocytes differentiate into macrophages that ingest by phagocytosis the oxidized LDL. The ingestion of large amounts of oxidized LDL transforms the fatty macrophages into foam cells. Moreover, an increase of macrophage concentration in the intima leads to the production of pro-inflammatory cytokines, which contribute to recruit more macrophages and induce the migration and proliferation of smooth muscle cells from the media to the intima layer. Finally, the smooth muscle cells (SMCs) may secrete a complex extracellular matrix containing collagen. Foam cells, SMCs and collagen are consider responsible for the growth of a subendothelial plaque which eventually emerges in the artery wall

Short-run dynamics of income disparities and regional cycle synchronization in the U.S.

Since the 1990s, the issue of regional income convergence and its long-term tendencies has been thoroughly and heatedly discussed. Much less attention, however, has been devoted to the short-run dynamics of regional convergence. In particular, three important aspects have not yet been adequately addressed. First, it is indeed essential to understand whether regional disparities manifest a tendency to move systematically along the national cycle. Then, if this happens to be the case, it becomes crucial to know whether 1) these movements are pro- or counter-cyclical,2) the cyclical evolution of the disparities is a consequence of differences in the timing with which the business cycle is felt in regions or it is motivated by the amplitude differences across local cyclical swings. In this paper, we shed light on these issues using data on personal income for the 48 coterminous U.S. states between 1969 and 2008. Our results indicate that income disparities do not move randomly in the short run but follow a distinct cyclical pattern, moving either pro- or counter-cyclically depending on the period of analysis. These patterns are probably explained by the changes in the direction of capital and labor flows that favor developed or poorer states in different periods. As for the underlying mechanism, it appears that the short-run evolution of the disparities in recent years is largely a consequence of differences in the timing with which the business cycle is felt across states rather than the outcome of amplitude differences across local cyclical swings

Application to a short-stem hip implant

Today, different implant designs exist in the market; however, there is not a clear understanding of which are the best implant design parameters to achieve mechanical optimal conditions. Therefore, the aim of this project was to investigate if the geometry of a commercial short stem hip prosthesis can be further optimized to reduce stress shielding effects and achieve better short- stemmed implant performance. To reach this aim, the potential of machine learning techniques combined with parametric Finite Element analysis was used. The selected implant geometrical parameters were: total stem length (L), thickness in the lateral (R1) and medial (R2) and the distance between the implant neck and the central stem surface (D). The results show that the total stem length was not the only parameter playing a role in stress shielding. An optimized implant should aim for a decreased stem length and a reduced length of the surface in contact with the bone. The two radiuses that characterize the stem width at the distal cross-section in contact with the bone were less influential in the reduction of stress shielding compared with the other two parameters; but they also play a role where thinner stems present better results

Influencia de microcalcificaciones en placas ateroscleróticas: Estudio paramétrico

Este proyecto refleja las conclusiones y tesituras del estudio de la influencia de las microcalcificaciones en placas ateroscleróticas. Una las líneas de investigación más recientes dentro de la ingeniería biomédica en el ámbito vascular es el estudio de vulnerabilidad en placas de ateroma, es decir, analizar la influencia de distintos factores mecánicos en la probabilidad de ruptura de dicho tipos de placa. Se ha demostrado que determinados factores geométricos establecen una especial predisposición a la ruptura de dichas placas, así mismo, se conoce que la aparición de microcalcificaciones dentro de la placa supone un riesgo añadido a su integridad. El objetivo de este trabajo consiste en realizar un estudio paramétrico, basándose en un modelo de deformación plana, de los factores geométricos en la vulnerabilidad de una placa aterosclerótica con la presencia de una microcalcificación en dicha capa fibrótica. Para ello se ha realizado un modelo de elementos finitos teniendo en cuenta la composición tanto de los tejidos de la arteria como los de la placa de ateroma (capas lipídica, fibrótica y microcalcificación), con el fin de establecer parámetros cualitativos del riesgo de rotura de la placa vulnerable. Los datos obtenidos nos permiten un diagnóstico más fiable y completo del riesgo de rotura

Atherosclerotic Plaque Segmentation Based on Strain Gradients: A Theoretical Framework

Background: Atherosclerotic plaque detection is a clinical and technological problem that has been approached by different studies. Nowadays, intravascular ultrasound (IVUS) is the standard used to capture images of the coronary walls and to detect plaques. However, IVUS images are difficult to segment, which complicates obtaining geometric measurements of the plaque. Objective: IVUS, in combination with new techniques, allows estimation of strains in the coronary section. In this study, we have proposed the use of estimated strains to develop a methodology for plaque segmentation. Methods: The process is based on the representation of strain gradients and the combination of the Watershed and Gradient Vector Flow algorithms. Since it is a theoretical framework, the methodology was tested with idealized and real IVUS geometries. Results: We achieved measurements of the lipid area and fibrous cap thickness, which are essential clinical information, with promising results. The success of the segmentation depends on the plaque geometry and the strain gradient variable (SGV) that was selected. However, there are some SGV combinations that yield good results regardless of plaque geometry such as ▽εvMises+▽εrθ, ▽εyy+▽εrr or ▽εmin+▽εTresca. These combinations of SGVs achieve good segmentations, with an accuracy between 97.10% and 94.39% in the best pairs. Conclusions: The new methodology provides fast segmentation from different strain variables, without an optimization step

Optimización de las instalaciones de instrucción y adiestramiento en las Islas Canarias.

La Brigada de Infantería Ligera “Canarias” XVI (BRILCAN XVI) es una Gran Unidad cuya misión es común a las demás Brigadas pertenecientes a la Fuerza Terrestre. En un primer momento, antes de la adaptación orgánica del año 2008, donde se convirtió en brigada de infantería ligera, las unidades de las Islas Canarias tenían como objetivo la defensa directa del archipiélago. Sin embargo, la BRILCAN XVI actualmente puede constituir una unidad operativa tipo agrupamiento táctico y, por tanto, ser empleada en multitud de escenarios a nivel internacional. Este cambio de misión es debido a la reestructuración de la orgánica del Ejército de Tierra. La nueva organización busca tener unidades en completa disposición para desplegar en cualquier momento y distribuidas a lo largo de todo el territorio nacional. Así pues, con motivo de esta nueva organización, el cambio de misión y la posibilidad de desplegar en cualquier momento, las diferentes unidades de la BRILCAN XVI deben encaminar sus actividades de instrucción y adiestramiento (I/A) a la preparación para cualquier tipo de misión y escenario. Estas unidades cuentan con material y personal para llevar a cabo dicho objetivo. Sin embargo, la situación geográfica, la orografía y la dispersión de sus unidades limitan en gran medida la correcta realización de este tipo de actividades. Por ese mismo motivo, el objetivo de este proyecto es conseguir una optimización y mejora de las diferentes instalaciones de I/A repartidas por las diferentes islas del archipiélago. Para llevar a cabo dicho objetivo, se ha realizado un estudio de la situación actual en la que se encuentran las instalaciones, posteriormente se han determinado las necesidades que la unidad considera más importantes y finalmente, basándose en éstas necesidades, se ha propuesto un plan de las obras más necesarias. Por último, destacar que la finalidad última del proyecto es conseguir que las unidades de la BRILCAN XVI, que se encuentran distribuidas por diferentes islas y que tienen grandes problemas para realizar sus maniobras, puedan llevar a cabo de una forma más óptima y continuada su plan de actividades de I/A.<br /

Análisis paramétrico de una arteria coronaria aterosclerótica mediante interacción fluido estructura

Actualmente las enfermedades cardiovasculares son una de las principales causas de muerte en el mundo desarrollado, por ello, se hace patente la necesidad de desarrollar modelos numéricos y computacionales que permitan modelar el comportamiento, lo más realista posible, de las paredes arteriales y del flujo sanguíneo que circula por su interior. De modo que, mediante estos modelos, seamos capaces de predecir las zonas de mayor probabilidad de formación de placa aterosclerótica y, sobretodo, la probabilidad de ocurrencia del evento de ruptura de placa ya que la ruptura produce efectos fatídicos, tales como, trombos o infarto. Por ello, en este proyecto se ha llevado a cabo un estudio de diversos parámetros geométricos (dentro de un rango de valores morfológicamente realistas) de un modelo de arteria coronaria con placa de ateroma en tres dimensiones mediante interacción fluido-estructura (FSI), para observar cuál es su efecto sobre diversas variables físicas indicadoras de la aparición, crecimiento y vulnerabilidad de la placa. La morfología y dimensiones consideradas son 2.3mm de radio externo y 0.55mm de espesor en los extremos de la pared arterial. Las partes en las que se ha dividido el modelo son: la pared arterial compuesta por la media y la adventicia, la placa fibrótica y el lípido o ateroma. Se han variado 4 de los parámetros más influyentes en la vulnerabilidad de la placa aterosclerótica a partir de un modelo de referencia (’Caso Base’), esos parámetros son el espesor de la capa fibrótica, el radio del lumen, y la longitud y ancho del lípido. Se han considerado 5 variaciones de cada parámetro, lo que hace un total de 17 casos estudiados. Una vez obtenidos los modelos, se ha mallado la geometría del sólido con el software ABAQUS y el volumen del fluido interno con ICEM y FEMAP, y se han impuesto las condiciones de contorno en el sólido necesarias para evitar que se comporte como un sólido rígido, y en el fluido se ha considerado la presión y velocidad del flujo sanguíneo durante un ciclo cardiaco. Posteriormente, se simulará, mediante elementos finitos (software ADINA), la interacción entre la arteria coronaria y la sangre (modelo FSI) teniendo en cuenta el comportamiento mecánico de cada uno de los componentes de dicha arteria, con el objeto de obtener los mapas de tensiones y de velocidades que aparecen en el modelo. Estos datos nos permitirán establecer parámetros cualitativos del riesgo de ruptura de la placa vulnerable para así evitar la aparición de eventos cardiovasculares tales como trombos o infartos

Modelado mecanobiológico del crecimiento de la placa de ateroma en arteria carótida

Actualmente, las enfermedades cardiovasculares son la primera causa de mortalidad en los países desarrollados. Una gran parte de ellas es debida a consecuencias derivadas de la aterosclerosis, una enfermedad que causa el estrechamiento del espacio disponible para la circulación de la sangre a lo largo de las arterias debido al crecimiento de placas de ateroma en la pared de las mismas, pudiendo derivar en anginas de pecho, isquemias, infartos agudos de miocardio o incluso muerte súbita. Es por esto por lo que resulta muy importante encontrar formas de prevenir y tratar la aterosclerosis, así como comprender completamente el proceso de desarrollo de la misma. Una forma de hacerlo es realizando modelos matemáticos que permitan estudiar y prever en qué ocasiones se producirá placa de ateroma. Durante el presente proyecto, se ha llevado a cabo el desarrollo de un modelo de paciente real correspondiente a una arteria carótida, y se han validado los resultados obtenidos con el mismo. Adicionalmente, se han comprobado las hipótesis realizadas en el modelo 3D con un modelo 2D