Identificación de sistemas : Aplicación a la evaluación in vitro de la calidad ósea en tejido trabecular humano

En esta tesis consideramos el desarrollo de dos tipos de experimentos no destructivos sobre muestras de hueso: experimentos de ultrasonido y, principalmente, mediciones dieléctricas. La no invasividad o no destructividad constituye una cualidad importante en estudios experimentales sobre tejidos biol´ogicos por varias razones. Entre estas podemos mencionar la posibilidad de reutilizar las mismas muestras para varias pruebas, y también la posibilidad de trabajar cerca de las condiciones fisiológicas con poco esfuerzo en lo referente a la preparación de las muestras. A esto habría que sumar la potencialidad de este tipo de mediciones para diagnósticos médicos. Por otro lado, debido al rango de frecuencias utilizado en las mediciones dieléctricas, la radiación electromagnética aplicada es del tipo no ionizante.Facultad de Ingenierí

Is there any information on micro-structure in microwave tomography of bone tissue?

In this work, two-dimensional simulations of the microwave dielectric properties of models with ellipses and realistic models of trabecular bone tissue are performed. In these simulations, finite difference time domain methodology has been applied to simulate two-phase structures containing inclusions. The results presented here show that the micro-structure is an important factor in the effective dielectric properties of trabecular bone. We consider the feasibility of using the dielectric behaviour of bone tissue to be an indicator of bone health. The frequency used was 950 MHz. It was found that the dielectric proper-ties can be used as an estimate of the degree of anisotropy of the micro-structure of the trabecular tissue. Conductivity appears to be the most sensitive parameter in this respect. Models with ellipse shaped-inclusions are also tested to study their application to modelling bone tissue. Models with ellipses that had an aspect ratio of a/b = 1.5 showed relatively good agreement when compared with realistic models of bone tissue. According to the results presented here, the anisotropy of trabecular bone must be accounted for when measuring its dielectric properties using microwave imaging.Fil: Irastorza, Ramiro Miguel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos; ArgentinaFil: Carlevaro, Carlos Manuel. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Buenos Aires; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos; ArgentinaFil: Vericat, Fernando. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos; Argentin

Thermal Latency adds to Lesion Depth after Application of High-Power Short-Duration Radiofrequency Energy: Results of a computer-modeling study

[EN] Introduction: The use of ultra-short RF pulses could achieve greater lesion depth immediately after the application of the pulse due to thermal latency. Methods and results: A computer model of irrigated-catheter RF ablation was built to study the impact of thermal latency on the lesion depth. The results showed that the shorter the RF pulse duration (keeping energy constant), the greater the lesion depth during the cooling phase. For instance, after a 10-second pulse, lesion depth grew from 2.05 mm at the end of the pulse to 2.39 mm (17%), while after an ultra-short RF pulse of only 1 second the extra growth was 37% (from 2.22 to 3.05 mm). Importantly, short applications resulted in deeper lesions than long applications (3.05 mm vs. 2.39 mm, for 1-and 10-second pulse, respectively). While shortening the pulse duration produced deeper lesions, the associated increase in applied voltage caused overheating in the tissue: temperatures around 100 degrees C were reached at a depth of 1 mm in the case of 1-and 5-second pulses. However, since the lesion depth increased during the cooling period, lower values of applied voltage could be applied in short durations in order to obtain lesion depths similar to those in longer durations while avoiding overheating. Conclusion: The thermal latency phenomenon seems to be the cause of significantly greater lesion depth after short-duration high-power RF pulses. Balancing the applied total energy when the voltage and duration are changed is not the optimal strategy since short pulses can also cause overheating.This work was supported by the Spanish "Plan Estatal de Investigacion, Desarrollo e Innovacion Orientada a los Retos de la Sociedad" under Grant TEC2014-52383-C3 (TEC2014-52383-C3-1-R) and by the National Scientific and Technical Research Council - Argentina "Proyecto de Investigacion Orientado" (PIOCONICET-UNAJ 0001).Irastorza, RM.; D Avila, A.; Berjano, E. (2018). Thermal Latency adds to Lesion Depth after Application of High-Power Short-Duration Radiofrequency Energy: Results of a computer-modeling study. Journal of Cardiovascular Electrophysiology. 29(2):322-327. doi:10.1111/jce.13363S32232729

Is there any information on micro-structure in microwave tomography of bone tissue?

In this work, two-dimensional simulations of the microwave dielectric properties of models with ellipses and realistic models of trabecular bone tissue are performed . In these simulations, finite difference time domain methodology has been applied to simulate two-phase structures containing inclusions. The results presented here show that the micro-structure is an important factor in the effective dielectric properties of trabecular bone. We consider the feasibility of using the dielectric behaviour of bone tissue to be an indicator of bone health. The frequency used was 950 MHz. It was found that the dielectric properties can be used as an estimate of the degree of anisotropy of the micro-structure of the trabecular tissue. Conductivity appears to be the most sensitive parameter in this respect. Models with ellipse shaped-inclusions are also tested to study their application to modelling bone tissue. Models with ellipses that had an aspect ratio of a / b  = 1.5 showed relatively good agreement when compared with realistic models of bone tissue. According to the results presented here, the anisotropy of trabecular bone must be accounted for when measuring its dielectric properties using microwave imaging.Instituto de Física de Líquidos y Sistemas BiológicosGrupo de Aplicaciones Matemáticas y Estadísticas de la Facultad de Ingenierí

Effect of the trabecular bone microstructure on measuring its thermal conductivity: A computer modeling-based study

[EN] The objective of this work is to quantify the relation between the value of the effective thermal conductivity of trabecular bone and its microstructure and marrow content. The thermal conductivity of twenty bovine trabecular bone samples was measured prior to and after defatting at 37, 47, and 57 degrees C. Computer models were built including the microstructure geometry and the gap between the tissue and measurement probe. The thermal conductivity (k) measured was 0.39 +/- 0.06 W m(-1) K-1 at 37 degrees C, with a temperature dependence of + 0.2%degrees C-1. Replacing marrow by phosphate-buffered saline (defatting) increased both the computer simulations and measurement results by 0.04 W m(-1) K-1. The computer simulations showed that k increases by 0.02-0.04 W m(-1) K-1 when the model includes a gap filled by phosphate-buffered saline between the tissue and measurement probe. In the presence of microstructure and fatty red marrow, k varies by +/- 0.01 W m(-1) K-1 compared with the case considering matrix only, which suggests that there are no significant differences between cortical and trabecular bone in terms of k. The computer results showed that the presence of a gap filled by phosphate-buffered saline around the energy applicator changes maximum temperature by < 0.7 degrees C, while including the bone microstructure involved a variation of < 0.2 mm in the isotherm location. Future experimental studies on measuring the value of k involving the insertion of a probe into the bone through a drill hole should consider the bias found in the simulations. Thermal models based on a homogeneous geometry (i.e. ignoring the microstructure) could provide sufficient accuracy.This work was supported by a grant from the "Agencia Nacional de Promocion Cientfica y Tecnologica de Argentina" (Ref. PICT-2016-2303), by the National Scientific and Technical Research Council of Argentina (Grant PIO CONICET-UNAJ 0001), and by the Spanish "Programa Estatal de Investigacion, Desarrollo e Innovacion Orientada a los Retos de la Sociedad" under Grant TEC2014-52383-C3-R (TEC2014-52383-C3-1-R).Fajardo, JE.; Carlevaro, CM.; Vericat, F.; Berjano, E.; Irastorza, RM. (2018). Effect of the trabecular bone microstructure on measuring its thermal conductivity: A computer modeling-based study. Journal of Thermal Biology. 77:131-136. https://doi.org/10.1016/j.jtherbio.2018.08.009S1311367

Estudio de dispositivos y materiales semiconductores bajo condiciones adversas de funcionamiento a través de herramientas TCAD

La línea de investigación que se presenta está orientada al diseño y optimización de dispositivos y materiales semiconductores, cuando se encuentran operando bajo condiciones desfavorables de funcionamiento. Ejemplo de estas situaciones ocurren cuando están expuestos a radiación ionizante, ya sea a nivel de la superficie terrestre como en sistemas que están en órbita. Uno de los dispositivos que particularmente se propone estudiar son las celdas solares de tercera generación, específicamente celdas multijunturas basadas en heterojunturas de semiconductores compuestos III-V. Estos dispositivos constituyen hoy en día las celdas de mayor eficiencia y presentan un marcado interés tecnológico en sistemas fotovoltaicos de alta concentración solar para aplicaciones tanto terrestres como espaciales. El estudio se lleva a cabo a partir de la utilización de herramientas TCAD, las cuales constituyen un poderoso instrumento para reproducir resultados experimentales, estudiar propiedades específicas, predecir comportamientos de dispositivos y materiales bajo diferentes condiciones de operación, brindando importantes conocimientos previos a la experimentación.Eje: Arquitectura , Redes y Sistemas OperativosRed de Universidades con Carreras en Informática (RedUNCI

Evaluación de la calidad ósea mediante tomografía de microondas

Las técnicas actuales para la evaluación de la salud osea se basan en un parámetro denominado densidad mineral osea (DMO), estimado mediante densitometría dual de rayos X (DEXA). Se ha demostrado que esta técnica no provee información biomecánica relevante. En este contexto es muy deseable estudiar métodos alternativos de evaluación de la salud ósea. Este trabajo se enmarca en el objetivo a largo plazo de diseñar un prototipo de equipamiento médico de bajo costo que estime la salud del tejido óseo de manera no invasiva y con técnicas no ionizantes. En particular, se propone considerar una metodología basada en la respuesta dieléctrica de alta frecuencia del tejido óseo aplicando la técnica de tomografía de microondas.Universidad Nacional de La Plat

Evaluación de la calidad ósea mediante tomografía de microondas

Las técnicas actuales para la evaluación de la salud osea se basan en un parámetro denominado densidad mineral osea (DMO), estimado mediante densitometría dual de rayos X (DEXA). Se ha demostrado que esta técnica no provee información biomecánica relevante. En este contexto es muy deseable estudiar métodos alternativos de evaluación de la salud ósea. Este trabajo se enmarca en el objetivo a largo plazo de diseñar un prototipo de equipamiento médico de bajo costo que estime la salud del tejido óseo de manera no invasiva y con técnicas no ionizantes. En particular, se propone considerar una metodología basada en la respuesta dieléctrica de alta frecuencia del tejido óseo aplicando la técnica de tomografía de microondas.Universidad Nacional de La Plat

Mathematical modeling of uniaxial mechanical properties of collagen gel scaffolds for vascular tissue engineering

Small diameter tissue-engineered arteries improve their mechanical and functional properties when they are mechanically stimulated. Applying a suitable stress and/or strain with or without a cycle to the scaffolds and cells during the culturing process resides in our ability to generate a suitable mechanical model. Collagen gel is one of the most used scaffolds in vascular tissue engineering, mainly because it is the principal constituent of the extracellular matrix for vascular cells in human. The mechanical modeling of such a material is not a trivial task, mainly for its viscoelastic nature. Computational and experimental methods for developing a suitable model for collagen gels are of primary importance for the field. In this research, we focused on mechanical properties of collagen gels under unconfined compression. First, mechanical viscoelastic models are discussed and framed in the control system theory. Second, models are fitted using system identification. Several models are evaluated and two nonlinear models are proposed: Mooney-Rivlin inspired and Hammerstein models. The results suggest that Mooney-Rivlin and Hammerstein models succeed in describing the mechanical behavior of collagen gels for cyclic tests on scaffolds (with best fitting parameters 58.3% and 75.8%, resp.). When Akaike criterion is used, the best is the Mooney-Rivlin inspired model.Facultad de Ciencias ExactasInstituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológico

Evaluación de la calidad ósea mediante tomografía de microondas

Las técnicas actuales para la evaluación de la salud osea se basan en un parámetro denominado densidad mineral osea (DMO), estimado mediante densitometría dual de rayos X (DEXA). Se ha demostrado que esta técnica no provee información biomecánica relevante. En este contexto es muy deseable estudiar métodos alternativos de evaluación de la salud ósea. Este trabajo se enmarca en el objetivo a largo plazo de diseñar un prototipo de equipamiento médico de bajo costo que estime la salud del tejido óseo de manera no invasiva y con técnicas no ionizantes. En particular, se propone considerar una metodología basada en la respuesta dieléctrica de alta frecuencia del tejido óseo aplicando la técnica de tomografía de microondas.Universidad Nacional de La Plat