Desarrollo de un modelo de daño basado en la microesfera para tejidos biológicos fibrados

Este trabajo fin de máster presenta un modelo de daño micro estructural para tejido vascular usando técnicas multiescala. El trabajo se centra en el comportamiento anisótropo de los tejidos biológicos fibrados y en especial en procesos de ablandamiento o daño. Los tejidos biológicos tienen una composición compleja y muy variable. Algunos de ellos, los denominados tejidos biológicos blandos (vasos sanguíneos, globo ocular, etc.), suelen contener altas concentraciones de colágeno. Esta sustancia se presenta normalmente en forma de fibras, responsables de soportar en gran medida las cargas mecánicas que se producen sobre el tejido. Cuando éstos se deforman lejos de su estado fisiológico se produce el daño del mismo. Con el objeto de estudiar este proceso se ha utilizado una aproximación micro estructural, o más concretamente un modelo basado en la microesfera, para incluir el comportamiento de las fibras. Se ha utilizado un modelo hiperelástico, definiendo una función energía de deformación (FED) en su forma desacoplada. La distribución de las fibras se ha incorporado a través de dos funciones de probabilidad, para tener en cuenta la distribución de las fibrillas alrededor de la orientación preferencial de las mismas. El comportamiento mecánico de cada una de las micro-fibras se ha modelado con dos FEDs diferentes. Además, se ha incorporado un modelo de daño a esta técnica de homogeneización, a través de una formulación termodinámica consistente, que se acopla directamente al modelo hiperelástico de las micro-fibras, para obtener el daño o ablandamiento del tejido. Gracias al modelo micro mecánico, cuando las fibras del material son deformadas, el ablandamiento del material sucede de una manera gradual gracias al daño progresivo de las fibrillas que componen las fibras de colágeno. El puente entre la escala micro y macro, se establece a través de una técnica de homogeneización computacional con una integración numérica a lo largo de la superficie de la esfera de radio unidad. Dicho modelo se ha implementado en un código de elementos finitos a través de una subrutina de usuario de Abaqus. Se han ajustado los parámetros del modelo con ensayos experimentales y se han simulado diferentes casos y geometrías para comprobar el comportamiento del modelo. Por último, se ha simulado un proceso de angioplastia en una geometría real, donde los parámetros del modelo han sido ajustados con ensayos experimentales

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

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

Cálculo no lineal de estructuras planas de barras. Obtención de las curvas de equilibrio en el análisis de postpandeo por el método de longitud de arco de Riks

Este trabajo pretende ser una herramienta de apoyo en el ejercicio de mi actividad profesional. Es de todos conocido el hecho de que las estructuras deben diseñarse cumpliendo ciertos requisitos de bienestar los cuales quedan cubiertos manteniendo las deformaciones de éstas por debajo de ciertos valores normativos. Así, en el diseño de estructuras, raramente son las limitaciones tensionales las que marcan el dimensionamiento sino más bien son las flechas o deformaciones las que lo controlan. Con todo, en este trabajo se pretende estudiar el postpandeo de una tipología particular de estructuras, obteniendo las trayectorias de equilibrio de los grados de libertad de interés, de forma que se puedan visualizar los puntos límite de dichas trayectorias y obtener así la respuesta completa de las mismas. Desde un punto de vista práctico, este trabajo se pretende aplicar fundamentalmente para la obtención de las cargas criticas de pandeo de pórticos rígidos planos, a partir de las cuales se puedan obtener las longitudes de pandeo correctas de los pilares de la estructura además de en algunos casos particulares, poder seguir su respuesta de las mismas más allá del pandeo. Esto último, aunque en ocasiones puede no tener mucho sentido práctico puede servir para, en algún caso, discutir de forma razonada el comportamiento real de esta tipología estructural. Las estructuras analizadas se resuelven mediante métodos matriciales bajo una formulación corrotacional, empleando elementos barra de Euler Bernoulli y el algoritmo empleado para la solución del problema de postpandeo es el método de longitud de arco de Riks

Modelo multicapa para el estudio de difusión de fármacos en arterias a través de dispositivos intravasculares

En el presente estudio se desarrolla un modelo numérico multicapa basado en una geometría 2D axisimétrica para describir el transporte convectivodifusivo de fármacos en el flujo sanguíneo y a través de la pared arterial

Redes Neuronales Artificiales En La Predicción De La Vulnerabilidad De La Placa De Ateroma

The prediction of the vulnerability of atheroma plaque by means of neural networks allows a rapid response to be given for a specific patient in clinical practice. To perform this prediction, an artificial neural network (ANN) has been developed takes as input data the deformations of the atherosclerotic coronary artery and gives as a result the mechanical properties of the atherosclerotic coronary artery. These have been used to determine the stresses in the fibrotic layer and, ultimately, whether or not the plaque is vulnerable.La predicción de la vulnerabilidad de la placa de ateroma mediante redes neuronales permite dar una respuesta rápida para paciente específico en la práctica clínica. Para realizar dicha predicción se ha desarollado una red neuronal artificial (RNA) que toma como datos de entrada las deformaciones de la arteria coronaria aterosclerótica y da como resultado las propiedades mecánicas de la misma. Éstas se han utilizado para determinar las tensiones presentes en la capa fibrótica y, en última instancia, si la placa es o no vulnerable

Modelo paramétrico tridimensional del flujo sanguíneo en la aorta ascendente

Las enfermedades cardiovasculares constituyen la principal causa de muerte y discapacidad en todo el mundo, especialmente en los países desarrollados, por lo que resulta de gran importancia aumentar el conocimiento sobre el desarrollo de este tipo de enfermedades, especialmente en las fases inicia-les. Dada la estrecha relación que une la fluido-dinámica del sistema cardiovascular con el desarrollo de estas patologías, el análisis hemodinámico desde un enfoque paciente-específico ha resultado de gran interés en los últimos años, puesto que ofrece información muy útil del sistema cardiovascular del paciente mediante un método no invasivo. Con el objetivo de seguir acrecentando el conocimiento en este campo, se ha propuesto en el presente trabajo analizar la influencia de los principales parámetros geométricos en las propiedades del flujo, y por tanto, en el desarrollo de enfermedades cardiovasculares. Mediante la variación de parámetros como el diámetro de entrada de la aorta ascendente, la anchura del cayado aórtico o el ángulo formado por el cayado y la aorta descendente, se han estudiado las distribuciones de distintas variables fluido-dinámicas, como la tensión tangencial de corte en la pared (Wall Shear Stress), el tiempo de residencia relativo de las partículas (Relative Residence Time), o la distribución de velocidades, entre otras, a lo largo del tramo de la arteria aorta seleccionado: aorta ascendente, cayado aórtico y zona inicial de la aorta descendente. Para llevar a cabo este análisis, se ha realizado la construcción y simulación computacional de 27 modelos paramétricos tridimensionales del flujo sanguíneo, que incorporan las principales características geométricas y fisiológicas del mismo. Estos 27 modelos son el resultado de combinar los parámetros geométricos mencionados, implementando tres valores distintos para cada uno de ellos (todos ellos dentro del rango fisiológico, de forma que se acerque lo máximo posible a la realidad). Los resultados obtenidos indican que el diámetro de entrada de la arteria aorta presenta una influencia más notable sobre las variables del flujo, equilibrando las zonas críticas al aumentar su valor, es decir, aumenta la probabilidad de desarrollar arteriosclerosis conforme disminuye este parámetro. En cuanto al ángulo y la anchura del cayado, su influencia sobre el flujo debe observarse en conjunto, obteniendo zonas proclives al desarrollo de ateromas en la zona interior del cayado para ángulos 20º (para las tres anchuras considera-das) y para 10º y la anchura máxima. Además, esta combinación de ángulo y diámetro de entrada mínimos, con una anchura máxima, resulta la más desfavorable, presentando un total de tres zonas propensas a la creación de placa. Por último, debe destacarse que la zona inicial de la arteria aorta descendente aparece en todos los modelos como zona crítica a presentar estas patologías, aumentando en pequeña medida con el ángulo y la anchura, por lo que se concluye que la influencia de los parámetros geométricos considerados es casi nula al término del cayado aórtico

Simulación computacional del proceso de crecimiento de placa de ateroma en geometrías de paciente específico

El objetivo del presente TFM es la elaboración y puesta a punto de un modelo computacional para la simulación del proceso de aparición y crecimiento de placa de ateroma aplicado a geometrías complejas, como aquellas extraídas directamente de imágenes clínica de un paciente concreto. El modelo de crecimiento incorpora diferentes procesos celulares y moleculares como son el transporte de sustancias en medios porosos, ecuaciones de reacción-convección-difusión, procesos de migración y proliferación celular, etc... Se partirá de un modelo ya elaborado y validado para una geometría axisimétrica simplificada. El siguiente paso será el tratamiento y segmentación de una parte de la geometría del árbol vascular de un paciente concreto a partir de imágenes clínicas. Se adaptará y particularizará el modelo existente a dicha geometría. Finalmente se realizará la simulación computacional extrayendo información de utilidad como es concentraciones de las principales sustancias (LDL, LDLox,...), poblaciones celulares (monocitos, macrófagos, células espumosas, SMC,...)

Desarrollo de un modelo híbrido para reproducir el crecimiento de la placa de ateroma

Se está desarrollando un modelo híbrido capaz de predecir el crecimiento de la arteria coronaria con aterosclerosis a largo plazo. Este modelo combina las ecuaciones de convección-difusión-reacción con un modelo basado en agentes para estudiar los fenómenos emergentes del comportamiento celular y sus efectos a nivel de tejido

Estudio del proceso de remodelación de arterias debido a angioplastia

La angioplastia con balloon es uno de los procedimientos más habituales para solucionar los problemas de oclusión arterial. Durante este proceso se utiliza un globo (balloon) que es inflado en el interior de la arteria para restaurar la mayor sección de flujo sanguíneo posible. Durante este procedimiento se producen ciertas lesiones en el endotelio que favorecen la deposición y síntesis de colágeno, que puede provocar una nueva obstrucción en el torrente sanguíneo (remodelación constrictiva). Este hecho se ve favorecido principalmente por la actividad de 3 grupos de sustancias: TGF-β, MMP y TIMP. La difusión de estas sustancias a través de las células arteriales es un factor determinante en la concentración final de colágeno en la zona afectada. En este trabajo se va a realizar una simulación de la difusión de estas sustancias, de forma que pueda determinarse la forma en que aumenta o decrece su concentración en la zona afectada tras la intervención