Failure damage mechanical properties of thoracic and abdominal porcine aorta layers and related constitutive modeling: phenomenological and microstructural approach

Despite increasing experimental and analytical efforts to investigate the irreversible effects of arterial tissue failure, the underlying mechanisms are still poorly understood. The goal of this study was to characterize the failure properties of the intact wall and each separated layer (intima, media, and adventitia) of the descending thoracic and infrarenal abdominal aorta and to test the hypothesis that the failure properties of layer-separated tissue depend on the location of the aorta. To test this hypothesis, we performed uniaxial tests to study the mechanical behavior of both intact and layer-separated porcine aortic tissue samples taken from descending thoracic and infrarenal abdominal aorta until complete failure. The fracture stress is higher in the infrarenal abdominal aorta than in the equivalent descending thoracic aorta. It was also found that the extrapolation of the elastic mechanical properties from the physiological to the supra-physiological regime for characterizing the mechanical response of the aorta would be inappropriate. Finally, we report values of constitutive parameters using phenomenological and microstructural damage models based on continuum damage mechanics theory. The phenomenological damage model gives an excellent fit to the experimental data compared to the microstructural damage model. Although the fitting results of the phenomenological model are better, the microstructural models can include physically motivated aspects obtained from experiments

Análisis mecánico de placas de ateroma en fase de crecimiento positivo: Estudio de la influencia de la longitud de la placa

Cuando el nivel de colesterol en sangre es suficientemente elevado, los lípidos que lo conforman logran pasar a través de las paredes de los vasos sanguíneos, es entonces cuando las células macrófagas conocidas como linfocitos fagocitan las moléculas de colesterol para proteger la pared arterial, formando las placas de ateroma, las cuales pueden provocar una obstrucción de las arterias, dando lugar a una angina de pecho, o en el peor de los casos, en un infarto. Este estudio tiene como objetivo analizar la influencia de la longitud de dicha placa, los materiales de la pared arterial y la importancia de la consideración o no del núcleo lipídico en las tensiones y deformaciones principales y tangenciales, las cuales en la actualidad son objeto de estudio como parámetro de detección precoz para evitar una muerte súbita por necrosis isquémica (infarto). En el proceso de creación de cada simulación, primero se partirá de diversos estudios para obtener funciones y leyes matemáticas que reproduzcan la evolución de la geometría de la placa y crear así las diversas secciones arteriales. Posteriormente estas funciones han sido introducidas en un programa destinado al diseño y creación de geometrías, que han sido importadas en un programa de cálculo para estudiar su comportamiento mecánico

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 modelling of the abdominal wall and biomaterials for hernia surgery

Abdominal surgery for hernia repair is based on the implantation of a synthetic mesh in the defect area which aims at reinforcing the damaged wall. This clinical intervention is common in today's society and, in unfavorable cases such as obese patients or patients with large defects, could lead to a number of problems that reduce the quality of life of patients. The most common problems are the appearance of fibrosis, the hernia recurrence and occurrence of abdominal discomfort due to poor compliance between the host tissue and the prosthesis. Currently, surgeons have no definitive and universally accepted guidelines for the selection of the appropriate prosthesis for each patient and type of defect. Therefore, the choice of one or another mesh, and their placement in case of anisotropic meshes, is a decision to be taken by the surgeons according to their experience. This thesis aims to study the abdominal hernia surgery from the continuum mechanics point of view. However, for the supply and validation of the generated models, it is necessary to perform an experimental study in an animal model. Since this is a multidisciplinary problem, the study approached was developed in collaboration with the Translational Research Group in Biomaterials and Tissue Engineering at the University of Alcalá de Henares (Madrid). The final goal of hernia surgery is that the prosthesis ensures adequate tissular integration, being capable, among other things, to reproduce the mechanical behaviour of the healthy abdominal wall and to absorb the stresses due to the physiological loads to which the abdomen is subjected. Therefore, in addition to addressing the study in animal models to analyze the integration on the wall, the mechanical modelling of the abdominal wall and the biomaterials used in hernia repair is essential. For this, the construction of an ``in silico'' model of the human abdomen has been developed. Due to the diversity of commercial products on the market, this thesis focusses on the study of three representative prostheses, specifically Surgipro, Optilene and Infinit. These meshes are characterized by different geometric parameters and are made of different materials. In this work, the mechanical properties of the prostheses have been determined experimentally and different constitutive models, that reproduce the patterns of the mechanical behaviour observed in both, the abdominal muscle and implanted biomaterials, have been proposed. Specifically, the numerical modelling of the response of the abdominal muscle, including both active and passive responses, and prostheses have been approached within the framework of the nonlinear hyperelasticity in large deformations. The latter approach of this thesis aims to model, using the finite element method, the mechanical response of the wall with the implanted mesh. A complete model of the human abdomen has been defined from nuclear magnetic resonance imaging. This complete model allows differentiating the main anatomical units of the abdomen and it is used to simulate the passive and active responses. Furthermore, this model allows the study of the response of the healthy wall and the analysis of the final mechanical response of the herniated human abdomen to the placement of different prostheses. In summary, this thesis establishes a methodology to the automation of computational models for personalized surgical procedures in order to select the most appropriate mesh for each patient as well as the appropriate placement on the defect in the case of anisotropic prostheses

Estudio de la influencia de las tensiones tangenciales en el endotelio mediante un sistema microfluídico de placa de ateroma

Las enfermedades cardiovasculares son la principal causa de muerte en todo el mundo. Entre ellas, la aterosclerosis es la etiología más común. La aterosclerosis consiste en el estrechamiento progresivo de un vaso sanguíneo debido a la deposición de una placa de ateroma. A pesar de la elevada incidencia de esta enfermedad, su mecanismo aún no se conoce completamente.La aterosclerosis es una patología localizada; por lo tanto, los factores sistémicos en sangre no son los únicos iniciadores de esta enfermedad. Las zonas más susceptibles de desarrollar aterosclerosis comparten patrones de flujo turbulento, debido principalmente a la presencia de bifurcaciones. Por todo esto, la biomecánica y la hemodinámica de esta patología están ganando cada vez mayor atención.A nivel celular, el flujo sanguíneo influye en el comportamiento de las células endoteliales de la pared del vaso. Estas células pueden modificar su forma y orientación, provocando una alteración en la permeabilidad de la pared. Un aumento de la permeabilidad del endotelio es el primer paso para desarrollar aterosclerosis. Por lo tanto, el estudio del efecto del flujo en la forma y orientación celular es esencial.En este trabajo, se ha desarrollado un ensayo experimental para estudiar las células endoteliales coronarias humanas (HCAECs) y su respuesta al flujo sanguíneo. En particular, el flujo se ha caracterizado mediante la tensión tangencial en la pared (WSS), tensión que experimentan las células debido al paso de la sangre. Para ello, se ha diseñado y fabricado un dispositivo microfluídico, se ha establecido el protocolo experimental y se ha desarrollado un programa de análisis de imágenes para posprocesar la información obtenida en el microscopio.Hasta ahora se han llevado a cabo dos lotes de experimentos. Se ha encontrado respuesta celular en términos de forma y orientación a los diferentes valores de WSS en todos los casos estudiados.<br /

Estudio del efecto de la degradación enzimática de la colagenasa en el aneurisma aórtico a través del ensayo de inflado

El trabajo de fin de máster desarrollado a lo largo de la siguiente memoria tiene como objetivo el estudio de la mecánica de la pared durante el proceso de degradación que se da en la arteria aorta y que resulta en un aneurisma aórtico. Para ello, se han llevado a cabo distintos ensayos de inflado con ciclos de presión que han sido combinados con el efecto de la degradación enzimática que provoca la colagenasa.Todo ello permite tener conocimiento de como la pared arterial modifica sus propiedades pasando de ser una pared íntegra a una pared que apenas es capaz de mantener su integridad estructural y termina por romper.El trabajo abarca desde el ensayo experimental describiendo la metodología utilizada hasta el ajuste numérico de los resultados experimentales detallando el modelo constitutivo, la solución analítica del ensayo de inflado y los resultados que aporta.<br /

Estudio mediante elementos finitos de la fuerza de extracción de un filtro antitrombo para vena cava

El objetivo final que subyace en el presente Trabajo Fin de Grado es el estudio del diseño de un dispositivo intravascular, concretamente, un filtro antitrombo para vena cava inferior (VCI). Este dispositivo se emplea para combatir el tromboembolismo pulmonar (TEP), una enfermedad cardiovascular que resulta de la obstrucción de la circulación arterial pulmonar provocada por un trombo procedente del sistema venoso.Sin embargo, las complicaciones clínicas asociadas al uso de estos filtros requieren el desarrollo de modelos de elementos finitos cada vez más complejos capaces de evaluar,de forma realista, futuras mejoras en el diseño del dispositivo

Exploración de una metodología para la determinación de las propiedades mecánicas de la placa de ateroma mediante imágenes IVUS y Redes Neuronales

Las enfermedades cardiovasculares son la primera causa de muerte en el mundo,siendo la aterosclerosis uno de los principales motores de estas patologías. Laaterosclerosis consiste en la acumulación de colesterol que traspasa el endotelioformando un núcleo lipídico muy blando que se encuentra rodeado por una capafibrótica que lo separa del torrente sanguíneo. La rotura de esta capa provocaría laliberación del contenido del interior del núcleo y, debido a su factor trombogénico,el consiguiente riesgo de infarto de miocardio o ictus cerebral. Actualmente son laangiografía y la ecografía intravascular por ultrasonidos (IVUS) las técnicas másutilizadas para detectar esta patología, permitiendo a su vez la obtención e informaciónrelativa a las deformaciones que sufre la arteria. Este proyecto tiene comoprincipal objetivo desarrollar una Red Neuronal Artificial (RNA) que aprovechela información de las deformaciones proporcionada por el IVUS como entradas, yprediga con un nivel de confianza suficiente las características elásticas de cada unode los componentes de la placa de ateroma en arteria coronaria. La determinaciónde estas propiedades servirá, en última instancia, para ayudar en el diagnósticode la vulnerabilidad de la placa de ateroma, así como estudiar el efecto de algunosfármacos en éstas. Para alimentar la RNA se construye una base de datosmediante el modelado 2D y el cálculo en elementos finitos de nueve geometríascon diferentes grados de estenosis. Tras un análisis estadístico de las variables másinfluyentes en la respuesta, se entrena y valida la RNA, cuya estructura interna hasido previamente seleccionada mediante prueba - error. La precisión de la prediccióndependerá de la estructura interna de la base de datos y de la geometría dela arteria, por lo que tener una base de datos suficientemente amplia resulta clavepara el buen funcionamiento de la RNA.<br /

Estudio y comparación numérica mediante el método de elementos finitos de ensayos experimentales de tensión tangencial pura y simple en membranas de silicona médica

Este proyecto tiene como objetivo el estudio de los parámetros geométricos que condicionan los resultados obtenidos en ensayos de tensión tangencial para la caracterización de materiales compuestos, elastómeros y tejidos biológicos. Con objeto de poder asegurar la reproducibilidad de la silicon utilizada, se han realizado en el laboratorio ensayos con probetas rectangulares variando su relación entre la longitud y la anchura de las mismas, todas ellas normalizadas y cuyas medidas se reproducen en el ámbito de la ingeniería biomédica

Theoretical and computational study of the mechano-biology in hypertension disease

The present work deals with the development of a theoretical and computational framework of the mechano-biology happening in the arterial tissue during hypertension disease. Biological tissue adapts actively to different mechanical and chemical stimuli where the underlying mechanical properties of the tissue play an important role. The mechanical stimuli that trigger these changes is the increase of blood pressure experienced in hypertensive patients. There are also changes in the blood flow. This work is divided in four aspects of the adaptation of different components of the tissue to hypertension. Firsts, we focus on the mechanical properties of the arterial tissue and we particularly look at the behavior of a real human carotid artery. We obtain a finite element model of the carotid artery to apply all the models developed during this work. Two of them are related with the growth and remodeling of the collagen and smooth muscle cells within the arterial wall. Its thermodynamic description fall into the description of open systems where mass is allowed to gain or loss via changes of volume, density of both. The characteristic thickening of the arterial wall is describe by means of a volumetric growth model. The stiffening of the arterial tissue, which is due to the increase of the collagen content, is formulated within a density growth model. Both of these approaches are described theoretically and are later included computationally in a finite element framework. The last part of this dissertation aims at deriving a model of endothelial cell orientation and morphological adaptation to the blood flow