Human lumbar spine biomechanics: study of pathologies and new surgical procedures

This thesis aims to shed light on the process that undergoes the lumbar spine as a result of intervertebral disc degeneration and different lumbar surgeries, paying special attention on the main risk factors and how to overcome them. Low back pain is the leading musculoskeletal disorder in all developed countries generating high medical related costs. Intervertebral disc degeneration is one of the most common causes of low back pain. When conservative treatments fail to relieve this pain, lumbar surgery is needed and, in this regard, lumbar fusion is the \textquotedblleft gold standard\textquotedblright technique to provide stability and neural decompression.Degenerative disc disease has been studied through two different approaches. An in-vivo animal model was reproduced and followed-up with MRI and mechanical testing to see how the water content decreased while the stiffness of the tissue increased. Then, degeneration was induced in a single disc of the human lumbar spine and the effects on the adjacent disc were investigated by the use of the finite element models. Further on, different procedures for segmental fusion were computationally simulated. A comparison among different intersomatic cage designs, supplemented with posterior screw fixation or placed in a stand-alone fashion, showed how the supplementary fixation drastically decreased the motion in the affected segment increasing the risk of adjacent segment disease more than a single placed cage. However, one of the main concerns regarding the use of cages without additional fixation is the subsidence of the device into the vertebral bone. A parametric study of the cage features and placement pointed to the width, curvature, and position as the most influential parameters for stability and subsidence.Finally, two different algorithms for tissue healing were implemented and applied for the first time to predict lumbar fusion in 3D models. The self-repairing ability of the bone was tested after simple nucleotomy and after instrumentation with internal fixation, anterior plate or stand-alone intersomatic cage predicting, in agreement with previous animal and clinical studies, that instrumentation may be not necessary to promote segmental fusion. In particular, the intervertebral disc height was seen to play an important role in the bone bridge or osteophyte formation.To summarize, this thesis has focused in the main controversial issues of intervertebral disc degeneration and lumbar fusion, such as degenerative process, adjacent segment disease, segment stability, cage subsidence or bone bridging. All the models described in this thesis could serve as a powerful tool for the pre-clinical evaluation of patient-specific surgical outcomes supporting clinician decisions. This thesis aims to shed light on the process that undergoes the lumbar spine as a result of intervertebral disc degeneration and different lumbar surgeries, paying special attention on the main risk factors and how to overcome them. Low back pain is the leading musculoskeletal disorder in all developed countries generating high medical related costs. Intervertebral disc degeneration is one of the most common causes of low back pain. When conservative treatments fail to relieve this pain, lumbar surgery is needed and, in this regard, lumbar fusion is the \textquotedblleft gold standard\textquotedblright technique to provide stability and neural decompression. Degenerative disc disease has been studied through two different approaches. An in-vivo animal model was reproduced and followed-up with MRI and mechanical testing to see how the water content decreased while the stiffness of the tissue increased. Then, degeneration was induced in a single disc of the human lumbar spine and the effects on the adjacent disc were investigated by the use of the finite element models. Further on, different procedures for segmental fusion were computationally simulated. A comparison among different intersomatic cage designs, supplemented with posterior screw fixation or placed in a stand-alone fashion, showed how the supplementary fixation drastically decreased the motion in the affected segment increasing the risk of adjacent segment disease more than a single placed cage. However, one of the main concerns regarding the use of cages without additional fixation is the subsidence of the device into the vertebral bone. A parametric study of the cage features and placement pointed to the width, curvature, and position as the most influential parameters for stability and subsidence. Finally, two different algorithms for tissue healing were implemented and applied for the first time to predict lumbar fusion in 3D models. The self-repairing ability of the bone was tested after simple nucleotomy and after instrumentation with internal fixation, anterior plate or stand-alone intersomatic cage predicting, in agreement with previous animal and clinical studies, that instrumentation may be not necessary to promote segmental fusion. In particular, the intervertebral disc height was seen to play an important role in the bone bridge or osteophyte formation. To summarize, this thesis has focused in the main controversial issues of intervertebral disc degeneration and lumbar fusion, such as degenerative process, adjacent segment disease, segment stability, cage subsidence or bone bridging. All the models described in this thesis could serve as a powerful tool for the pre-clinical evaluation of patient-specific surgical outcomes supporting clinician decisions. <br /

Estudio y simulación mediante software de elementos finitos de las diferentes cirugías de disco intervertebral

La motivación principal de este proyecto es el estudio mediante técnicas ingenieriles de problemas asociados a la biomedicina, con el propósito de mejorar la calidad de vida de las personas que deben someterse a operaciones de implantes protésicos. Su finalidad fundamental es la determinación de la cirugía más adecuada a aplicar a un paciente aquejado de dolores lumbares. En primer lugar se ha modificado el modelo de elementos finitos de la columna lumbar desarrollada por Moramarco (1) validandolo con los datos existentes el la bibliografía (2). Este modelo supone una mejora significativa con respecto a los modelos computacionales que existentes ya que incorpora la geometría no sólo de vértebras y discos, sino de ligamentos y fibras en los tejidos, necesarios para la simulación correcta del movimiento. A continuación se ha simulado la degeneración del disco D45, variando sus propiedades y comparando los resultados con los efectos reales de la degeneración. Tras ver los problemas de las patologías lumbares se han realizado diferentes modelos en elementos finitos que permitan modelar las diferentes cirugías existentes, como son la artrodesis y los implantes intervertebrales con fijación posterior mediante tornillos. Una vez realizado el cálculo computacional de estos modelos se establece, por comparación con la columna lumbar sana, que disminuyen drásticamente el movimiento relativo en el segmento intervenido. Esta disminución de movimiento, conlleva un incremento de giro relativo en el resto de segmentos, lo cual provoca un aumento de tensiones. El incremento de tensiones en los discos adyacentes, puede provocar dolor y aumentar la probabilidad de propagación de la degeneración. Con el objetivo de conseguir una técnica quirúrgica que respete el movimiento natural de la columna, se ha simulado una cirugía en la que únicamente se introduzca el espaciador intervertebral, sin fijación posterior. Viendo los resultados de esta nueva técnica se concluye que aunque la fijación mediante tornillos consigue una perfecta estabilización de la columna, la mejor técnica desde el punto de vista biomecánico es el implante sin fijación posterior, que consigue estabilizar la columna sin modificar drásticamente el movimiento natural del paciente

Simulación por EF de la mecánica de la masticación

El presente proyecto trata sobre la simulación por elementos finitos de la acción de masticación de una mandíbula perteneciente a una mujer adulta, en la etapa final de cierre, es decir, cuando los dientes del maxilar inferior y los del maxilar superior están en contacto. No solamente se realizará el estudio para una persona sana que puede hacer uso de todos los músculos que intervienen en la acción de masticación (maseteros y temporales), sino que también se barajarán hipótesis con sus respectivas pruebas y estudios para distintos casos en los que dichos músculos estuvieran afectados, ya sea por algún tipo de traumatismo, parálisis, etc

Estudio por elementos finitos de la biomecánica lumbar humana. Análisis de la degeneración discal

El dolor lumbar es una de las patologías crónicas más extendidas. Se dice que aproximadamente el 80% de la población va a padecer dolor lumbar o va a desarrollar una patología discal en algún momento de su vida. Algunos estudios clínicos han demostrado que el 90% de las patologías de la columna vertebral están localizadas en la columna lumbar. El uso de modelos matemáticos y simulación computacional puede servir de base para predecir la aparición y evolución de patologías lumbares. Por tanto, la metodología seguida para desarrollar este proyecto ha sido por medio de modelos computacionales de elementos finitos que pretenden simular la respuesta de los discos intervertebrales frente a distintos estados de carga y distintas patologías. Los discos intervertebrales están compuestos por tejido cartilaginoso y constan de tres regiones diferenciadas. La región interna o núcleo pulposo, una estructura altamente hidrofílica capaz de soportar el 75% de la carga, distribuyendo los esfuerzos de forma horizontal al anillo. La región externa del disco o anillo fibroso, compuesta por capas concéntricas de fibras de colágeno (cuya rigidez aumenta en las capas más exteriores) que encierran al núcleo. Y la placa terminal compuesta por una fina capa de cartílago hialino que separa el disco del cuerpo vertebral. La porosidad y permeabilidad de cada una de las partes del disco juegan un papel fundamental en su comportamiento. Debido a estas características del disco se consideran tres modelos distintos para la simulación del anillo fibroso: un primer modelo porohiperelástico fibrado en el que se incluye el caracter hidrofílico de los discos intervertebrales, un segundo modelo porohiperelástico no fibrado y un último modelo poroelástico. Se analizan cada modelo en función de los distintos discos lumbares y de la patología discal. Por otro lado, los 3 créditos ECTS correspondientes a trabajo clínico o de usuario final, han sido realizados en una empresa I+D de biotecnología (Alphasip S.L.). Estas prácticas están íntimamente relacionadas con las asignaturas de "caracterización nanométrica en biomedicina y nanosensores" y "sistemas de liberación de fármacos" impartidas en el master de Ingeniería Biomédica. El trabajo desempeñado en dicha empresa ha sido el siguiente: - Colaboración en la fabricación de biosensores de diagnóstico molecular. - Estudio del funcionamiento y correcta funcionalización de nanotubos de carbono en chips. - Control de calidad y stock de los biosensores. - Tratamiento y análisis de datos electrónicos. - Elaboración de programas informáticos para automatizar los análisis de datos. - Apoyo técnico. - Reuniones con científicos nacionales e internacionales así como con empresas privadas

Estudio por elementos finitos de un puente de carretera

El objetivo de este proyecto es el cálculo de un puente de hormigón armado. En esta memoria se describe un modelado geométrico del puente, y una simulación por elementos finitos, registrando los valores obtenidos de tensión y deformación, y para finalmente proponer una armadura lo más realista posible. Se considerarán diferentes hipótesis de carga. Se compararán los resultados obtenidos, y se emplearán los casos más desfavorables para dimensionar la estructura. La estructura en sí, es un puente de carretera situado en la variante de la carretera A-130 de Monzón a Ontiñena en Pomar de Cinca (Huesca). El modelado se ha realizado con el programa informático de elementos finitos, Ansy

Desarrollo de autorizaciones de uso en pórticos triarticulados

El proyecto consiste en la realizacion de las autorizaciones de uso para los pórticos triarticulados prefabricado

Metodología para detección de patologías oculares basadas en el comportamiento mecánico de tejidos biológicos

El estudio del entorno del glóbulo ocular y del nervio óptico desde el punto de vista de la biomecánica es un área de investigación en pleno desarrollo hoy en día. Pese a que todavía existen diversas incógnitas, ha quedado demostrado en los últimos años que los valores de las medidas de distintas variables relacionadas con el glóbulo ocular tienen un papel primordial en el diagnóstico de muchas enfermedades oculares tales como el glaucoma. Por lo tanto, un estudio en profundidad de dichas variables nos permitirá un diagnóstico prematuro de la enfermedad facilitándonos así su tratamiento. Debido a esta razón, a lo largo de los últimos años, ha habido un gran número de estudios relacionados con el comportamiento del glaucoma enfocados mediante recursos ingenieriles. La principal técnica utilizada ha sido la generación de modelos computacionales de la cabeza del nervio óptico y su posterior simulación médiate elementos finitos. El objetivo de este trabajo es la detección del glaucoma por un camino alternativo de alta fiabilidad, aunque sin olvidar el estudio por elementos finitos de modelos computacionales. Este camino es el uso de la minería de datos y las máquinas de soporte vectorial que permiten hacer una clasificación entre pacientes sanos y patológicos a partir de los resultados de sus exámenes oftalmológicos. Para ello se ha utilizado una base de datos aportada por el Hospital Universitario Miguel Servet de Zaragoza y el software libre Weka. Este programa permite realizar un estudio estadístico de las diferentes variables implicadas, mostrar su grado de relevancia en el estudio, así como diseñar un clasificador que aporte unos resultados fiables. A la vista de los resultados obtenidos, se ha demostrado que esta metodología es capaz de predecir, con un 94% de acierto, si un paciente posee o no glaucoma en su etapa más temprana

El uso de la retina como biomarcador en enfermedades neurodegenerativas. Simulación numérica

En la actualidad el diagnóstico de la esclerosis múltiple (EM) se basa en la existencia de criterios clínicos de diseminación espacial (dos o más lesiones independientes en el sistema nervioso central) y temporal (dos o más episodios de disfunción neurológica), con la ayuda de los métodos de investigación paraclínicas como el líquido cefalorraquídeo (LCR, que presenta un aspecto sospechoso en pacientes con EM), la resonancia magnética (RM, que permite descartar otras enfermedades sospechosas) y los potenciales evocados (PE, utilizados para la valoración de la función en algunas vías nerviosas). Este método diagnóstico resulta costoso y en ocasiones muy largo, lo que puede retrasar de forma crítica la aplicación de tratamientos que puedan frenar el avance de los efectos discapacitantes de la enfermedad en los pacientes. En este contexto se pretende conseguir un sistema de diagnóstico rápido, eficaz y fiable. Para ello, se realiza un análisis de la retina como biomarcador en la EM. Ésta forma parte del sistema nervioso, afectado por la enfermedad, y además en diversos estudios bibliográficos se encuentran evidencias de la alteración del grosor de la retina en pacientes que sufren la patología. Para llevar a cabo el análisis, se estudian los datos obtenidos por el Servicio de Neuro-Oftalmología del Hospital Universitario Miguel Servet de Zaragoza a través de una prueba no invasiva llamada OCT (Optic Coherence Tomography), realizada tanto para pacientes con EM como para controles sanos. La OCT nos proporciona datos del grosor de las capas de la retina discriminando entre diferentes capas y zonas de la misma. En primer lugar, se realiza un tratamiento previo a las bases de datos proporcionadas por el Hospital para determinar los datos más relevantes, normalizar las bases de datos y poder realizar un estudio estadístico con las mismas. Además, se realiza un estudio de sensibilidad de los parámetros característicos para observar la importancia de los mismos y su relación con el diagnóstico de la enfermedad. En segundo lugar, se realizan varios modelos de predicción diagnóstica mediante el entrenamiento y validación de dos algoritmos de clasificación binaria y aprendizaje supervisado: el perceptrón multicapa (MLP, del inglés MultiLayer Perceptron) y las máquinas de soporte vectorial (SVM, del inglés Support Vector Machine). Se utilizan las librerías de aprendizaje automático implementadas en Matlab y para cada uno de los algoritmos se realiza una optimización de los diferentes parámetros que influyen en su capacidad de predicción con el objetivo de minimizar el error cometido en el diagnóstico. Por último, y en base a los resultados obtenidos, se compara la capacidad de los dos algoritmos en la clasificación de los pacientes en sanos y enfermos, además se muestra el valor diagnóstico de los diferentes modelos de predicción implementados mediante la representación de curvas ROC (Receiver Operating Characteristic) que permiten seleccionar uno de los modelos desarrollados que será el que tiene mayor valor diagnóstico para la patología. A modo de conclusión, se valora la retina como biomarcador en la EM y se sugiere la inclusión de ésta en el diagnóstico a través de la prueba OCT y un modelo desarrollado mediante algoritmos de predicción. Esto ayudará a los neurólogos a decidir y clasificar un paciente con esclerosis múltiple y llegando a conseguir así un diagnóstico más rápido que permita comenzar un tratamiento precoz ayudando a frenar la progresión de la enfermedad y a mejorar la calidad de vida de los pacientes

Computational methods for new clinical applications using imaging techniques

Esta tesis tiene por objetivo desarrollar diferentes métodos computacionales con aplicación clínica en varias enfermedades. De este modo, la investigación aquí presentada pretende aumentar el conocimiento sobre cómo el análisis y el estudio de los datos procedentes de técnicas de imagen pueden convertirse en un gran valor clínico para los profesionales de la medicina. Por lo tanto, dichos métodos pueden ser incorporados en la práctica clínica, lo que supone un beneficio para el paciente.Por un lado, la mejora de los diferentes dispositivos de imagen aumenta el abanico de posibilidades de análisis y presentación de los datos. Algunas técnicas de imagen arrojan directamente datos numéricos que tradicionalmente sólo se usaban para la monitorización de enfermedades. Sin embargo, dichos datos pueden ser empleados como biomarcadores tanto para el diagnóstico como para la predicción de enfermedades mediante la inteligencia artificial. Hoy en día, la inteligencia artificial se utiliza en muchos campos ya que todo lo que proporciona datos es abordable por estas nuevas tecnologías. Parece que no hay límite y se están desarrollando nuevas aplicaciones que hace sólo unas décadas parecían imposibles.Por otro lado, las técnicas de imagen nos permiten analizar diferentes partes del cuerpo humano en los respectivos pacientes y compararlas con controles sanos. Del mismo modo, con las imágenes se puede realizar el seguimiento de los tratamientos aplicados en dichos pacientes y, así, verificar su eficacia. Además, estas tecnologías, que proporcionan imágenes de alta resolución, son fáciles de usar, rentables y objetivas.Para resumir, esta tesis se ha centrado en desarrollar varias aplicaciones clínicas, basadas en los métodos numéricos descritos, que podrían ser una poderosa herramienta para aportar mayor información que ayude a los clínicos en la toma de decisiones.This thesis aims to develop different computational methods with clinical application in various diseases. In this way, the research presented here aims to increase knowledge on how the analysis and study of data from imaging techniques can be of great clinical value to medical professionals. Therefore, these methods can be incorporated into clinical practice, which is of benefit to the patient. On the one hand, the improvement of different imaging devices increases the range of possibilities for data analysis and presentation. Some imaging techniques directly yield numerical data that were traditionally only used for disease monitoring. However, these data can be used as biomarkers for both diagnosis and disease prediction using artificial intelligence. Today, artificial intelligence is used in many fields as everything that provides data can be addressed by these new technologies. There seems to be no limit and new applications are being developed that only a few decades ago seemed impossible. On the other hand, imaging techniques allow us to analyse different parts of the human body in the respective patients and compare them with healthy controls. In the same way, imaging can be used to monitor the treatments applied to these patients and, thus, verify their efficacy. Moreover, these technologies, which provide high-resolution images, are easy to use, cost-effective and objective. To summarise, this thesis has focused on developing several clinical applications, based on the described numerical methods, which could be a powerful tool to provide further information to help clinicians in decision making.<br /

Desarrollo de un modelo numérico de la evolución de la capa de fibras nerviosas de la retina

La esclerosis múltiple es una enfermedad degenerativa del sistema nervioso central que afecta al cerebro y a la médula espinal, provocando tanto inflamación y desmielinización de las fibras nerviosas como degeneración axonal. El daño causado hace más lenta la comunicación entre el cerebro y el cuerpo, llegando incluso a interrumpirla por completo, conduciendo a los conocidos síntomas de la esclerosis múltiple: alteraciones de la vista, debilidad muscular, problemas de coordinación y pérdida de equilibrio, sensación de entumecimiento, etc. En numerosos estudios se ha demostrado que existe un mayor adelgazamiento de la capa de fibras nerviosas de la retina en pacientes con esclerosis múltiple respectos a personas sanas. Debido a que las fibras nerviosas de esta capa de la retina no poseen mielina en la zona de estudio, se cree que este adelgazamiento se asocia a la inflamación y degeneración axonal pero no se ha comprobado con certeza hasta la fecha. Gracias a la tomografía de coherencia óptica (OCT, Optical Coherence Tomography), técnica de imagen no invasiva que permite visualizar las diferentes capas de la retina, podemos obtener el espesor de la capa de fibras nerviosas de la retina y realizar un seguimiento sobre pacientes con esclerosis múltiple. El presente Trabajo Fin de Máster tiene por objeto desarrollar un modelo numérico que represente la evolución del espesor de la capa de fibras nerviosas de la retina en personas con esclerosis múltiple ya que se ha comprobado cómo este dato puede servir de ayuda al diagnóstico y evaluación de la patología. Para ello, es necesario obtener un modelo biológico que defina los fenómenos que provocan la disminución del espesor con el objetivo de aumentar el conocimiento sobre la inflamación de las fibras nerviosas y la degeneración axonal. Los parámetros del modelo propuesto se ajustan a los datos experimentales proporcionados por el servicio de oftalmológica del Hospital Universitario Miguel Servet de Zaragoza. Estos datos clínicos corresponden a los resultados de las pruebas de tomografía de coherencia óptica realizadas sobre un conjunto de pacientes durante 10 años. La optimización de dichos parámetros se lleva a cabo mediante un algoritmo genético con el fin de minimizar el error cometido en el ajuste