Algoritmos para ecuaciones de reacción difusión aplicados a electrofisiología

Las ecuaciones que gobiernan los fenómenos en electrofisiología son ecuaciones de reacción-difusión anisótropas con un término reactivo altamente no lineal definido por un conjunto de ecuaciones diferenciales ordinarias rígidas. Estas características del sistema implican la necesidad de mallas espaciotemporales muy finas de manera de capturar el frente de propagación evitando la aparición de oscilaciones espúreas en el frente de onda. En esta tesis doctoral se han desarrollado algoritmos eficientes para la resolución de este tipo de problema en el entorno de programación paralela, con aplicaciones al cálculo de grandes prestaciones. Entre los algoritmos desarrollados se encuentran un esquema de diferencias finitas compacto de alto orden que tiene en cuenta la anisotropía del tejido e incorpora un esquema de paso temporal adaptativo que permite una solución precisa del potencial y el flujo. Esto permite trabajar con mallas más gruesas que aquellas requeridas por los métodos de diferencias finitas de segundo orden o elementos finitos lineales. Lo antedicho permite reducir el tiempo de cálculo y los requerimientos de memoria para modelos celulares complejos. También se ha desarrollado un esquema de elementos finitos inmersos que permite definir mallas jerárquicas estáticamente reducibles logrando así mantener el coste computacional de invertir el sistema de ecuaciones, además permitiendo incrementar la resolución espacial con la que se resuelve el problema. Al igual que en el caso anterior, se ha acoplado un algoritmo de integración temporal con paso adaptativo que permite una mejora adicional en el rendimiento del código. Con este método se ha obtenido una escalabilidad superior que para elementos lineales, con una aceleración efectiva de hasta cuatro veces con respecto a estos elementos para resolver un problema con igual número de grados de libertad. Como aplicaciones del código desarrollado, se llevó a cabo un estudio de la influencia de la isquemia aguda regional en tejido de miocardio de cobaya. Se investigó la infiuencia del tamaño y localización de la zona isquémica en los patrones de reentradas y la vulnerabilidad del tejido. Además, se estudió la heterogeneidad transmural en un corazón normal. En una geometría realista de corazón se introdujeron células epicardiales tipo M y endocardiales, considerándolas se propusieron tres distribuciones de las mismas a través del miocardio y se vio cómo éstas influyen en las derivaciones precordiales del ECG. El estudio de isquemia aguda regional se extendió a un corazón humano con heterogeneidad transmural para lo cual se caracterizaron los modelos de corriente iónica humana a condiciones de isquemia, adaptando el mismo a este tipo de patología. Con el modelo adaptado se estudiaron los patrones de reentradas y la influencia de una isquemia aguda regional en las derivaciones precordiales de un ECG.Resumen de Tesis doctoral presentada por el autor

Algoritmos para ecuaciones de reacción difusión aplicados a electrofisiología

Las ecuaciones que gobiernan los fenómenos en electrofisiología son ecuaciones de reacción-difusión anisótropas con un término reactivo altamente no lineal definido por un conjunto de ecuaciones diferenciales ordinarias rígidas. Estas características del sistema implica la necesidad de mallas espacio-temporales muy finas de manera de capturar el frente de propagación evitando la aparición de oscilaciones espúreas en el frente de onda. En esta tesis doctoral se han desarrollado algoritmos eficientes para la resolución de este tipo de problema en el entorno de programación paralela,con aplicaciones al cálculo de grandes prestaciones. Entre los algoritmos desarrollados se encuentran un esquema de diferencias finitas compacto de alto orden que tiene en cuenta la anisotropía del tejido e incorpora un esquema de paso temporal adaptativo. Este permite una solución precisa del potencial y el flujo, trabajar con mallas más gruesas que aquellas requeridas por los métodos de diferencias finitas de segundo orden o elementos finitos lineales. Esta característica permite reducir el tiempo de cálculo y los requerimientos de memoria para modelos celulares complejos. También se ha desarrollado un esquema de elementos finitos inmersos que permite definir mallas jerárquicas estáticamente reducibles lográndolas mantener el coste computacional de invertir el sistema de ecuaciones en un mínimo, permitiendo incrementar la resolución espacial con la que se resuelve el problema. Al igual que en el caso anterior se ha acoplados un algoritmo de integración temporal con paso adaptativo que permiten una mejora adicional en el rendimiento del código. Con este método se ha obtenido una escalabilidad superior que para elementos lineales, con una aceleración efectiva de hasta cuatro veces con respecto a estos elementos para resolver un problema con igual n´umero de grados de libertad. Como aplicaciones del código desarrollado se llevó a cabo un estudio de la influencia de la isquemia aguda regional sobre preparaciones tridimensionales de miocardio de cobaya. Aquí se investigó la influencia del tamaño y localización de la zona isquémica en los patrones de reentradas y la vulnerabilidad del tejido. Además se estudio la heterogeneidad transmural en un corazón normal. En una geometría realista de corazón se introdujeron células epicardiales, tipo M y endocardiales, considerando estos tipos de células se propusieron tres distribuciones de las mismas a través del miocardio y se vio como estas influyen en las derivaciones precordiales del ECG. El estudio de isquemia aguda regional se extendió a un corazón humano con heterogeneidad transmural para lo cual se caracterizaron los modelos de corriente iónica humana a condiciones de isquemia, adaptando el mismo a este tipo de patología. Con el modelo adaptado se estudiaron los patrones de reentradas y la influencia de una isquemia aguda regional en las derivaciones precordiales de un ECGDoctor en Ingeniería Mecánic

Estudio de la respuesta dinámica de un sistema de suspensión de un vehículo de tracción a oruga a escala

En el presente trabajo, se procedió al diseño 3D de un sistema de suspensión (5 ruedas por lado) para un vehículo a escala a orugas, a través de un programa de diseño asistido por computadora (CAD). A partir del modelo se escribió el sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias que lo representa. Dicho modelo matemático fue programado en MATLAB, usando las librerías de éste, para simular su comportamiento. De acuerdo al modelo CAD se adquirieron amortiguadores que se ajustan al espacio disponible, como así también fluidos de distintas viscosidades. Se caracterizaron distintas combinaciones de los conjuntos amortiguador-fluido, mediante ensayos de ciclado con el objetivo de determinar las constantes de rigidez, y amortiguación. Una vez obtenidas las citadas constantes, se ingresaron al modelo matemático y se procedió a la simulación del sistema, obteniendo la respuesta transitoria del mismo ante una perturbación de tipo escalón. Tras el análisis de los resultados se seleccionó el set de amortiguador-fluido que permite el mejor comportamiento del centro de gravedad, en lo referido al movimiento vertical y de cabeceo del vehículo

Determinación de parámetros aerodinámicos del cohete SLAM PAMPERO

En este trabajo se ofrecerá una revisión de la memoria de cálculo aerodinámico del cohete de artillería SLAM PAMPERO calibre 105 mm., de características balísticas conocidas, y provisto y en servicio activo en el Ejército Argentino desde hace más de 30 años. Habida cuenta que en décadas pasadas, para poder aproximar los resultados se contaban con herramientas muy limitadas, hoy es factible disponer de un herramental más moderno. Para poder precisar la trayectoria, es necesario conocer la balística interior del motor y resolver la balística exterior y la aerodinámica del cohete completo. La primera se caracteriza a partir de cálculos analíticos, empíricos y de ensayos en banco estático, mientras que para la balística exterior y la aerodinámica son imprescindibles los procesamientos analíticos y numéricos, más los ensayos en túnel de viento y las trayectografías, lo que desemboca en la tabla de tiro. En este estudio, para determinar los coeficientes aerodinámicos empleamos distintas metodologías de cálculo, a fin de poder apreciar su nivel de aproximación y su utilidad en las diferentes fases de un proyecto. En primer lugar se utilizó el programa semiempirico MISSILE DATCOM, para continuar los mismo cálculos con el método de paneles PAN AIR. Finalmente se estudió el cohete a través de metodologías de CFD por volúmenes finitos. A partir de estas herramientas, se pudo delimitar la variación del coeficiente de resistencia (CD) en función del número de Mach. De esa manera, se comprobó la trayectoria con diversas técnicas, validándose los resultados al compararlos con los definidos en la tabla de tiro de cohete, ya existente. Este procedimiento dio lugar a trazar la curva de resistencia que se corresponde con la trayectoria real, y se validó el nivel de aproximación/complejidad de cada método de cálculo

Estudio comparativo de alas de material compuesto para UAV usando el método de los elementos finitos

El potencial y los beneficios de los UAV (Unmanned Air Vehicle) son enormes, estos son una plataforma de recolección de datos de muy bajo costo y de rápido despliegue, reduciendo el costo relativo del uso de aeronaves tripuladas. Las aplicaciones de estas aeronaves son muy amplias, se usan actualmente para mapeos industriales, patrullaje, cuidado del medio ambiente, educación, fotografía, entretenimiento, solo por nombrar algunas. El presente trabajo se aboca al estudio comparativo de dos alas de igual configuración externa pero distinta estructura. Una diseñada de tal manera que la piel absorba los esfuerzos de flexión y corte, la cual está compuesta de láminas de fibra de vidrio y honeycomb/divinycell (paneles tipo sándwich), con lo cual el ala incrementa la resistencia a la flexión y la otra compuesta por la piel de fibra de vidrio y usando una construcción tradicional de larguero y costillas. Para llevar a cabo dicho estudio primeramente se determinó la distribución de presiones a las que se ve sometida el ala en las condiciones de vuelo, con lo cual se dibujó la geometría usando un programa de CAD, luego se discretizó la misma, y finalmente se encontraron las fuerzas utilizando el método de paneles. A partir de dicha geometría y distribución de presiones se procedió a modelar las alas usando el método de los elementos finitos. Finalmente, con el análisis de configuraciones de las alas, se hace la comparativa de pesos, facilidad constructiva y resistencia estructural

Remodelado estructural y de GAP Junctions en un modelo 3D de aurícula humana

Introducción:la fibrilación auricular (AF), es la más común de la arritmia cardiaca sostenida y un factor de riesgo para el accidente cerebro vascular y otras morbilidades, si no es tratada. Estudios epidemiológicos muestran que la AF tiende a perpetuarse con el tiempo, generando cambios electrofisiológicos y anatómicos denominados: remodelados auriculares. Se ha demostrado que estos cambios provocan variaciones de la velocidad de conducción (CV), en el tejido auricular. Objetivo:estudiar el efecto del remodelado de gap junctions en la propagación del potencial de acción, implementando un modelo 3D de aurícula humana altamente realista. Materiales y Métodos:se incorporaron los cambios generados por el remodelado eléctrico a un modelo de potencial de acción (AP) de miocito auricular, acoplado con un modelo tridimensional anatómicamente realista de aurícula humana dilatada. Mediante simulaciones de la propagación del AP en condiciones de remodelado eléctrico y anatómico, y de remodelado de gap junctions, se midieron las ventanas vulnerables de generación de reentradas en la base de las venas pulmonares izquierdas de la aurícula. Resultados:los resultados obtenidos indican que la ventana vulnerable en el remodelado de gap junctions, se desplazó 38 ms con relación al modelo dilatado, lo que nos muestra el impacto de la dilatación con remodelado de gap junction. Conclusiones:el remodelado eléctrico generó una disminución del 70 % en la duración del potencial de acción y una disminución de las velocidades de conducción entre un 14.6 y un 26 %, que fueron medidas en diferentes regiones de la aurícula dilatada. El foco disparado en la base de las venas pulmonares izquierdas, generó un frente de onda que mantiene una actividad reentrante debido a la anatomía subyacente de las venas pulmonares.Introduction:Atrial fibrillation (AF) is the most common sustained cardiac arrhythmia and a significant risk factor for cerebrovascular accident and other morbidities if left untreated. Epidemiological studies show that AF tends to persist over time, creating electrophysiological and anatomical changes called atrial remodeling. It has been shown that these changes result in variations in conduction velocity (CV) in the atrial tissue. Objective:to study the effect of remodeling of gap junctions in the propagation of the action potential by implementing a highly realistic 3D human atrial model. Materials and methods:the changes caused by electrical remodeling were incorporated in an atrial myocyte action potential (AP) model coupled with an anatomically realistic three-dimensional model of dilated human atria. Through simulations of the AP spread in variations of anatomical and electrical remodeling and of gap junctions remodeling, vulnerable windows of reentry generation were measured at the base of the atrium left pulmonary veins. Results:the results obtained indicate that vulnerable window in the gap junctions remodeling moved 38 ms in relation with the expanded model which shows the impact of the dilatation gap junction remodeling. Conclusions:the electrical remodeling produced 70% decrease in action potential duration and decreased conduction velocities between 14.6 and 26 %, which were measured in different regions of the dilated atrium. The focus shot at the base of the left pulmonary veins created a wave which maintains a reentering activity due to the underlying anatomy of the pulmonary veins

Estudio de distribución de temperatura en un motor mono-cilíndrico de combustión interna aplicando el método de elementos finitos

Resulta de vital importancia tener conocimiento de las temperaturas existentes en puntos clave de la cámara de combustión, para de este modo, poder predecir las condiciones en que se lleva a cabo el ciclo termodinámico dentro del cilindro. El conocimiento de estas temperaturas es vital para optimizar el circuito de refrigeración, componente fundamental para un correcto desempeño del motor. En el presente trabajo se propone un método experimental/numérico para la obtención de las variables mencionadas anteriormente, mediante el cual no es necesario afectar la integridad de la cámara de combustión, lo que posibilita una primera determinación de las temperaturas alcanzadas en piezas claves del mismo de difícil acceso (Ej.: válvulas, asientos de válvulas, aristas de la cámara de combustión, etc.). Dicho procedimiento consiste en la medición de parámetros tales como temperatura sobre tapa de cilindro, velocidad de aire de refrigeración consumo de combustible, y condiciones ambientales sobre un motor mono-cilíndrico en funcionamiento regular y una simulación por elementos finitos de la distribución de temperaturas. Los resultados obtenidos por medio del método de elementos finitos corresponden con los registrados a través de las mediciones realizadas como también con la bibliografía consultada, validando así el modelo numérico y convirtiéndolo en una alternativa económica y fiable a la hora de evaluar futuras modificaciones en el diseño del motor

Efecto de la frecuencia del ritmo sinusal en la generación de reentradas en un modelo 3D de aurícula humana remodelada

Las arritmias auriculares son las taquiarritmias más comunes en humanos. Recientemente, se ha demostrado que una actividad ectópica alrededor de las venas pulmonares puede generar mecanismos reentrantes en presencia de un sustrato vulnerable. En este estudio, examinamos el efecto de la frecuencia del ritmo sinusal para contribuir en la generación de mecanismos reentrantes iniciados por actividad ectópica. Los efectos del remodelado en las corrientes iónicas se incorporaron en un modelo 3D de aurícula humana, altamente realista. Sólo a altas frecuencias del ritmo sinusal (longitud del ciclo base ≤ 300 ms), la actividad ectópica provocó la generación de reentradas en figura de ocho en la aurícula derecha. Nuestro estudio sugiere que la interacción de actividad ectópica con un ritmo sinusal a alta frecuencia facilita la generación de mecanismos reentrantes en aurícula humana remodelada

Optimización Aerodinámica del Cohete SLAM PAMPERO con la Aplicación de Métodos Numéricos de Cálculo

Un cohete de artillería tiene como objetivo transportar una ojiva con carga útil a la máxima distancia posible y con la mejor precisión. Para ello cuenta con una estructura, con aletas estabilizadoras, más una ojiva y un motor cohete de combustible sólido que le provee la propulsión necesaria para la misión. En este trabajo se expone la optimización aerodinámica del cohete de artillería SLAM PAMPERO calibre 105 mm., de características balísticas conocidas, provisto y en servicio activo en el Ejército Argentino desde hace más de 30 años. Se determinó la variación del coeficiente de resistencia en función del número Mach y con ello se redefinió la trayectoria en forma analítica, para validar los resultados al compararlos con los delimitados en la tabla de tiro de cohete. Una vez caracterizadas las componentes que provocan una mayor influencia en la resistencia aerodinámica durante el vuelo (ojiva, alojamiento de aletas y parte posterior o culote), se realizó un estudio de optimización sobre cada una de ellas. Se propusieron distintos perfiles de ojiva y ángulos de chaflán del culote a fin de incrementar el alcance máximo preestablecido. Además, se analizó el flujo en diversas cavidades, de manera de obtener el mejor perfil del rebaje de alojamiento de las aletas estabilizadoras para que disminuya su resistencia aerodinámica. Para la determinación de los coeficientes aerodinámicos se emplearon distintas metodologías de cálculo. En primer lugar se utilizó el código computacional semiempirico Missile DATCOM, para proseguir las determinaciones con el método numérico de paneles PAN AIR. Finalmente se resolvió la configuración completa del cohete a través de un programa de Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) utilizando el método de volúmenes finitos. En todos los casos se contrastaron los valores resultantes con aquellos originales analíticos y teóricos. Como resultado concluyente, se logró determinar una serie de perfeccionamientos en las antedichas geometrías que justifican su instrumentación para lograr una trayectoria con un alcance superior al del cohete original

El método de los elementos finitos: estudio comparativo de alas de material compuesto para Unmanned Aerial Vehicle (UAV)

El potencial y los beneficios de los UAV (Unmanned Aerial Vehicle) o VANT (Vehículo Aéreo No Tripulado) son enormes; son una plataforma de recolección de datos de muy bajo costo y de rápido despliegue, reduciendo el costo relativo del uso de aeronaves tripuladas. Las aplicaciones de estas aeronaves son muy amplias: se usan actualmente para mapeos industriales, patrullaje, cuidado del medio ambiente, educación, fotografía, entretenimiento, entre otras. Se presenta un estudio comparativo de dos alas de igual configuración externa, pero distinta estructura. Una diseñada de tal manera que la piel absorba los esfuerzos de flexión y corte, compuesta de láminas de fibra de vidrio y honeycomb/divinycell (paneles tipo sándwich), con lo cual el ala incrementa la resistencia a la flexión; la otra, compuesta por la piel de fibra de vidrio y una construcción tradicional de larguero y costillas. Primeramente se determinó la distribución de presiones a las que se ve sometida el ala en las condiciones de vuelo, utilizando el método de paneles. A partir de dicha geometría y distribución de presiones se procedió a modelar las alas usando el método de los elementos finitos. Con el análisis de configuraciones de las alas, se hace la comparativa de pesos, facilidad constructiva y resistencia estructural.The potential and benefits of the Unmanned Air Vehicle (UAV) are huge. They are a very low-cost and rapid deployment data collection platform that reduces the relative cost of using manned aircraft with very wide applications: they are currently used for industrial mapping, patrol, environmental care, education, photography, entertainment, among other. A comparative study of two wings of the same external configuration but different structure is presented. One, designed in such a way that the skin absorbs the bending and cutting efforts, composed of fiberglass sheets and honeycomb / divinycell (sandwich panels); The other composed of fiberglass skin and a traditional construction of stringers and ribs. With the analysis of the wing configurations, the comparative of weights, constructive ease and structural resistance are made