Towards Functional Preoperative Planning in Orthopaedic Surgery

Las cirugíıas del aparato locomotor suponen más de 20 millones de intervencionesanuales para la corrección de lesiones que afectan a músculos, articulaciones,ligamentos, tendones, huesos o nervios; elementos que conforman el sistema musculoesquelético. Este tipo de afecciones de la biomecánica pueden tener diversos orígenes; siendo los principales los traumatismos, las lesiones degenerativas en huesos y tejidos blandos, los malos hábitos posturales o motores, y los de origen congénito.El uso de las tecnologías actuales en los procesos de corrección de estas afecciones forma parte del día a día en los quirófanos y en la monitorización de los pacientes.Sin embargo, el uso de técnicas computacionales que permitan la preparación de las intervenciones quirúrgicas antes de proceder con la cirugía están todavía lejos de formar parte del proceso de evaluación preoperatoria en este tipo de lesiones. Por este motivo, el objetivo principal de esta tesis consiste en demostrar la viabilidad del uso de herramientas computacionales en la planificación preoperatoria de diferentes cirugías ortopédicas.Entre los tipos de cirugías más comunes, la mayor parte de ellas se centran en las articulaciones del tren inferior de la anatomía humana. Por este motivo, este trabajo se centraría en el análisis de diferentes cirugías cuya finalidad es solucionar lesiones en las principales articulaciones del tren inferior: región sacrolumbar, cadera, rodilla y tobillo.Para poder realizar el análisis de estas cirugías se hizo uso de algunas de lasherramientas computacionales más usadas habitualmente y cuya capacidad en diversos ámbitos ha sido comprobada. Se ha utilizado la reconstrucción 3D para la obtención de modelos anatómicos sobre los que comprobar la viabilidad de las cirugías. Estas reconstrucciones se basan en las imágenes médicas obtenidas mediante Tomografia Axial Computerizada (TAC) o Resonancia Magnética (RM). Las imágenes procedentes de RM permiten diferenciar todos los tejidos de la anatomía, incluyendo los blandos tales como tendones o cartílagos; mientras que los TAC facilitan la diferenciación de los huesos. Esta última es la prueba más habitual en los diagnósticos.Para su análisis y reconstrucción se hizo uso de los software Mimics v 20.0 y3-matic 11.0 (Materialise NV, Leuven, Belgium). Como alternativa para la generación de los modelos cuando no se dispone de las imágenes necesarias para realizar la reconstrucción o cuando se requiere dotar de flexibilidad a estos modelos, se recurrió al modelado en el software de análisis por elementos finitos Abaqus/CAE v.6.14 (Dassault Syst`emes, Suresnes, France). Dicho software fue además utilizado para la simulación del efecto de las diferentes cirugías sobre la región de interés. Para resalizar las simulaciones, se incluyeron en los modelos aquellos parámetros, elementos y condiciones necesarios para poder representar las caraterísticas propias de cada cirugía. Finalmente, para aquellas situaciones que requerían del análisis de datos se hizo uso de tecnologías de machine learning. La solución seleccionada para estos casos fueron las redes neuronales artificiales (ANN). Dichas redes se desarrollaronhaciendo uso del software MATLAB R2018b (MathWorks, Massachusetts, USA).El estudio de la rodilla se centra en uno de los ligamentos clave en la estabilidad de la rótula y que, sin embargo, es uno de los menos analizados hasta ahora, el ligamento medial patelofemoral. La reconstrucción de este ligamento es la principal solución clínica para solventar esta inestabilidad y diferentes cirugías utilizadas para dicho fin han sido analizadas mediante el desarrollo de un modelo paramétrico en elementos finitos que permita su simulación. En este modelo es posible adaptar la geometría de la rodilla de forma que se puedan simular diferentes condiciones que pueden afectar a la estabilidad de la rótula, tales como la displasia troclear y la patella alta.El estudio de la región sacrolumbar se centra en el análisis de diferentes posibles configuraciones para las cirugías de fusión vertebral. El análisis se centró en la fijación con tornillos y la influencia del Polimetimetacrilato (PMMA) como elemento de fijación en las vértebras. Para ello, se reconstruyó el modelo óseo de diferentes pacientes que necesitaron este tipo de intervención. Sobre estos modelos se simularon mediante elementos finitos las diferentes configuraciones consideradas de forma que se pudiera comparar su comportamiento en diferentes casos.En el caso de la cadera, el estudio se centra en el análisis de la artroplastia total de cadera, que implica el reemplazo de la articulación anatómica por una prótesis habitualmente de titanio. Cuando este tipo de cirugías es realizado, es común que surjan posteriormente problemas derivados de la disposición de la prótesis y que pueden llevar al pinzamiento entre sus componentes y, en algunas ocasiones, su dislocación.Esto ocurre cuando el rango de movimiento de la articulación es reducido. Este tipo de sucesos son más comunes cuando se realizan los movimientos de extensión externa (EE) o de rotación interna (RI) de la extremidad. El estudio se desarrolló con el objetivo de elaborar una herramienta computacional capaz de predecir este choque y dislocación basándose en el diámetro de la cabeza del femur y de los ángulos de abducción y anteversión. Para ello, se recurrió al uso de redes neuronales artificales(ANN). Se configuró una red independiente para cada movimiento (EE y RI) y cada posible evento (pinzamiento y dislocación), de forma que se obtuvieron cuatro redes completamente independientes. Para el entrenamiento y primer testeo de las redes se recurrió a un modelo paramétrico en elementos finitos de la prótesis con el que se realizaron diferentes simulaciones determinando el rango de movimiento para cada caso. Finalmente, las redes fueron de nuevo validadas con el uso de datos procedentes de pacientes que sufrieron dislocación tras ser sometidos a este tipo de cirugías.Finalmente, el estudio de la región del tobillo se centró en la lesión de la sindesmosis del tobillo. Este tipo de lesiones implica la rotura de algunos de los ligamentos que unen los principales huesos de esta articulación (tibia, peroné y astrágalo) junto con parte de la membrana intraósea, que se extiende a lo largo de la tibia y el peroné ligando ambos huesos. Cuando se produce este tipo de lesiones, es necesario recurrir a la inclusión de elementos que fijen la articulación y prevengan la separación de los huesos. Los métodos más comunes y que centran este análisis comprenden la fijación con tornillos y la fijación mediante botón de sutura. Para poder realizar un análisis que permita comparar la efectividad y incidencia de este tipo de cirugías se recurrióa la reconstruccción 3D de la articulación de un paciente que sufrió este tipo de lesión. Con este modelo geométrico, se procedió al desarrollo de diferentes modelos en elementos finitos que incluyeran cada una de las alternativas consideradas. Las simulaciones de estos modelos junto a las situaciones anatómicas y lesionadas, permitió hacer una aproximación sobre la solución quirúrgica que mejor restablece el estado incial sano de la región afectada.Locomotor system surgeries represents more the 20 million interventions per year for the correction of injuries that affect muscles, joints, ligaments, tendons, bones or nerves; elements that form themusculoskeletal system. This kind of biomechanical affections may have several sources, being the main ones traumas, bones and soft tissues degenerative injuries, poor postural or motor habits and those of congenital source. The use of current technologies in the correction process for these injuries is part of the day-to-day in the operating rooms and the monitoring of patients. However, the use of computational tools that allow preoperative planning is still far from being part of the preoperative evaluation process in this kind of injuries. For this reason, the main goal of this thesis consists in demonstrating the viability of the use of computational tools in the preoperative planning of different orthopaedic surgeries. Among the most common surgeries, most of them focus in the lower body joints of the human anatomy. For this reason, this work will focus in the analysis of different surgeries whose purpose is to solve injuries in the main joints of the lower body: lumbosacral region, hip, knee and ankle. Some of the most commonly used computational tools, and whose capability in different fields has been widely proven, were used in order to be able of performing the analysis of these surgeries. 3D reconstruction has been used for obtaining anatomical models in which the viability of the surgeries could be verified. These reconstructions are based on the medical images obtained through Computerized Tomography (CT) or Magnetic Resonance Imaging (RMI). Images from RMI allow differentiating all the tissues of the anatomy, including soft ones such as tendons and cartilages; while CT scans make easier the bones differentiation. This last procedure is the most commonly used in diagnoses. For their analysis and reconstruction software Mimics v 20.0 and 3-Matic 11.0 (Materialise NV, Leuven, Belgium) were used. As alternative for the models generation when the necessary images for the reconstruction are not available or when flexibility is required for these models, modelling in the Finite Element Analysis software Abaqus/CAE v.6.14 (Dassault Syst‘emes, Suresnes, France) was used. This software was also used for the simulation of the effects of the different surgeries in the interest region. In order to perform the simulations, those parameters, elements and conditions necessary to represent the characteristics of each surgery were included. Finally, for those situations requiring data analysis, machine learning technologies were used. The selected solution for these cases were Artificial Neural Networks (ANN). These networks were developed using the software MATLAB R2018b (MathWorks, Massachusetts, USA). The study of the knee joint focuses in one of the key ligaments for the patellar stability and which, however, is one of the least analysed so far, the medial patellofemoral ligament. The reconstruction of this ligament is the main clinical solution for solving this instability and different surgeries used for that purpose have been analysed through the development of a finite element parametric model that allows their simulation. In this model adapting knee geometry is possible so that those conditions that can affect the stability of the patella, such as trochlear dysplasia or patella alta, can be simulated. The study of the lumbosacral region focuses in the analysis of different possible configurations for spine fusion surgeries. The analyses focused in the pedicle screws fixation and the influence of polymethyl methacrylate (PMMA) as fixation element in the vertebrae. To do this, osseous models for different patients that required this kind of intervention were reconstructed. The different configurations considered were simulated on these models through finite element analysis comparing their behaviour. In the case of the hip, the study focuses in the analysis of the total hip arthroplasty, which implies replacing the anatomical joint by a prosthesis, usually made of titanium. When this kind of surgery is performed, it is common for later issues arising from the arrangement of the prosthesis and which can lead to impingement between its components and, on some occasions, their dislocation. This happens when the range of movement of the joint is limited. This kind of events are more common when the external extension (EE) or internal rotation (IR) movements of the leg are performed. The study was developed with the goal of elaborating a computational tool able to predict the impingement and dislocation based on the diameter of the head of the femur and the anteversion and abduction angles. To do this, artificial neural networks (ANN) were used. An independent network was configured for each movement (EE and IR) and for each possible event (impingement and dislocation), so that four completely independent networks. For the training and the first testing of the networks, a parametric finite element model of the hip was used; with which different simulations were performed determining the range of movement for each case. Finally, the networks were validated again with the use of data proceeding from patients that suffered dislocation after going through this kind of surgery. Finally, the study of the ankle region focused in the ankle syndesmosis injury. This kind of injuries implies the tear of some ligaments that connect the main bones of the joint (tibia, fibula and talus) together with part of the intraosseous membrane, which extends along the tibia and fibula linking both bones. When this kind of injuries happens, it is necessary to resort to the inclusion of elements that fix the joint and prevent the bones distance. The most common methods, which focus this analysis, include the screws fixation and the suture button fixation. In order to carry out an analysis that allows comparing the effectiveness and incidence of this kind of surgeries, a 3D reconstruction of the joint from a patient that suffered this kind of injury was used. With this geometrical model, different finite element models including each of the considered alternatives were developed. The simulations of these models, together with the injured and anatomical situations, allowed an approximation of the surgical solution that better restores the initial healthy state of the affected region.<br /

Caracterización in vitro e in silico de estructuras open-cell para hueso trabecular. Prevención de la fractura osteoporótica

Se espera que la osteoporosis sea partícipe de más de 9 millones de nuevas fracturas en todo el mundo, ya que es una de las enfermedades con mayor índice de impacto entre la población de los países desarrollados. Se define como una enfermedad ósea caracterizada por la pérdida de masa ósea con un aumento de la fragilidad y susceptibilidad a la fractura. Se sabe, además, que el hueso trabecular interviene, en gran medida, en las fracturas de cadera osteoporóticas. De hecho, numerosos estudios han intentado resolver las limitaciones derivadas de su morfología en la predicción del fallo óseo. Un tratamiento preventivo alternativo para reducir el riesgo de fractura osteoporótica incluye la inyección de cemento óseo (PMMA) en el fémur osteoporótico. Por lo tanto, el objetivo final de este TFM es conocer más los mecanismos de fallo asociados a la osteoporosis y poder usar los resultados obtenidos para ayudar a prevenir las fracturas osteoporóticas introduciendo cemento. Para alcanzar este objetivo, en este TFM se utilizan métodos experimentales y computacionales basados en el procesado de imagen con el fin de estimar el módulo elástico y las porosidades de diferentes estructuras open-cell (Sawbones, Malmö, Sweden). Por un lado, se caracterizaron experimentalmente tres tipos de estructuras de diferente densidad. Por otro lado, parte de esas estructuras se escanearon en un microCT, y a partir de las imágenes de tomografía computerizada se pudo predecir el módulo elástico, desarrollando para ello modelos de elementos finitos basados en elementos voxels y tetraedros. Se llevó a cabo una reconstrucción 3D usando MIMICs y 3-MATIC (Materialise NV, Lovaina, Bélgica), lo que permitió ejecutar análisis basados en el método de los elementos finitos en ABAQUS (Dassault Systèmes Simulia Corp., Suresnes Francia). Seguidamente, se llevó a cabo un análisis comparativo entre las tipologías de mallas empleadas (mallas basadas en tetraedros lineales y cuadráticos, así como mallas de voxels), de los resultados computacionales con los experimentales, así como con los datos de propiedades mecánicas dados por el fabricante de las estructuras. Así, se obtuvieron diferencias importantes tanto en el módulo elástico como en las porosidades asociadas. Se observó que los elementos basados en tetraedros lineales presentaban mayores correlaciones en aquellos especímenes con menor porosidad. Por el contrario, los elementos cuadráticos representaban de una manera más adecuada aquellos especímenes con mayores porosidades. Además se ha desarrollado un modelo de difusión de cemento basado en la Teoría del Movimiento Aleatorio para predecir la difusión del mismo en un medio poroso como es el hueso trabecular osteoporótico. En los resultados obtenidos, se ha observado como la inyección de cemento mejora las propiedades mecánicas de las estructuras porosas

Simulación mecánica de la luxación de cadera mediante el método de los elementos finitos: influencia de diferentes parámetros

La luxación de una prótesis de cadera es una de las complicaciones más frecuentes tras una artroplastia total de cadera produciéndose aproximadamente en un 10% de ellas. Existen numerosos factores de riesgo por los cuales se produce una luxación de cadera, entre los que se encuentran el tamaño de la cabeza protésica, la posición del acetábulo y el rango de movimiento. El objetivo de este Trabajo Fin de Grado (TFG) es determinar un índice de zona segura que pueda ayudar a reducir el número de luxaciones. Para la realización del TFG se ha usado el Método de los Elementos Finitos (MEF). El MEF permite desarrollar modelos simplificados de estructuras reales dando lugar a modelos bastante próximos a la realidad. En este TFG se ha simplificado el problema simulando únicamente la prótesis, la cabeza de la prótesis y el acetábulo, lo que ha permitido estudiar el comportamiento mecánico de la articulación con bastante exactitud. Se ha utilizado un programa de elementos finitos (ABAQUS) y otro programa llamado MIMICS para el tratamiento de imágenes médicas. Se ha tomado la geometría real de una prótesis tipo Exeter con ayuda de MIMICS y a partir de ella se ha realizado un modelo paramétrico en ABAQUS. Se han parametrizado tres factores clave en la luxación de cadera: diámetro de la cabeza (28, 32 y 36 mm de diámetro), ángulo de anteversión (0, 15 y 25º) y de inclinación del acetábulo (25, 40 y 60º). Se ha realizado un análisis del efecto de cada parámetro sobre la luxación, y las tensiones en el componente acetabular de la articulación. Para este análisis se han simulado los movimientos de rotación interna y externa en dos posiciones de la extremidad, extensión y flexión. El análisis permitió la definición de una “zona segura” de movimiento para evitar el choque (impigement) y la posterior luxación en una artroplastia total de cadera. Esta zona segura resultó en 40º - 60º de inclinación y 15º - 25º de anteversión del acetábulo, siendo especialmente importante que la anteversión no baje a 10º - 15º. Los momentos resistentes resultantes mostraron ser un parámetro válido para describir la estabilidad de la luxación en el estudio por elementos finitos

Análisis por elementos finitos de un espaciador temporal de rodilla: estabilidad y estado tensional

El análisis mediante elementos finitos viene aplicándose en la bibliografía al estudio biomecánico de las prótesis de rodilla. En este proyecto se ha realizado la geometría, el mallado y el análisis estructural utilizando el método de los elementos finitos para determinar la estabilidad y estado tensional de la articulación de la rodilla con un espaciador temporal de cemento óseo comercial Spacer K que le ha sido implantado. Para la realización del modelo presentado en este proyecto se parte de Tomografías Axiales Computarizadas (TAC) tomadas a una paciente, mujer de 65 años de edad y 70 kg de peso corporal, a la que se le ha colocado el espaciador temporal comercial Spacer K (Fig.3.2). Se han importado las imágenes desde el programa Mimics V10.1 (Materialise) y se ha desarrollado un modelo tridimensional de la geometría comprendida entre la diáfisis de la tibia y la diáfisis del fémur que incluye el espaciador, y que una vez suavizado, es exportado a un programa de mallado (Harpoon mesh) donde se genera un modelo discreto. Este es nuevamente exportado a Mimics para a partir del nivel de grises (Hounsfield units – HU) de las imágenes obtener las propiedades mecánicas del hueso (densidad, módulo de Young y coeficiente de Poisson), y finalmente se exporta al procesador de cálculo Abaqus (versión 6.9) para realizar, mediante el método de los elementos finitos, el análisis de la estabilidad y estado tensional de la articulación de la rodilla y del espaciador. A partir de las cargas que actúan sobre el extremo proximal del fémur y fijando la tibia distalmente, se han analizando en el conjunto los desplazamientos, en el tejido óseo deformación equivalente y tensiones principales, y en el espaciador tensiones principales. En el primer análisis se presentan cuatro modelos discretizados agrupando las densidades óseas en 5, 20, 50 y 100 materiales de densidades medias, sobre la misma geometría a 0º de flexión y aplicando las mismas cargas. En la segunda parte se analiza el efecto de las cargas, de 2’25, 1’85 y 3’5 veces el peso corporal, sobre el modelo discretizado con 50 materiales, en tres momentos del ciclo de la marcha a 5’5º, 15’5º y 4’5º de flexión respectivamente

Estudio del comportamiento del cemento al combinado con diferentes aditivos para la fabricación de hormigón

El hormigón es el material más importante en la construcción, es el resultante de unir áridos con la mezcla de agua y un conglomerante, en éste caso cemento. Éste, confiere al hormigón su fraguado y endurecimiento. El cemento se hidrata en contacto con el agua y así se inician las reacciones químicas, que lo convierten en maleable y con buenas propiedades adherentes, aunque con el paso del tiempo, desemboca en una aceleración del fraguado, perdiendo las características deseadas. Para poder modificar algunas de las propiedades del hormigón, se usarán aditivos químicos que, dependiendo de su dosificación, hacen que mejoren o empeoren sus propiedades. En el presente proyecto se va a realizar un estudio de cómo una dupla de aditivos comerciales (un aditivo superplastificante y otro polifuncional), influyen sobre cemento normal (Al), para la fabricación de hormigón, buscando la dosificación que cumpla las necesidades buscadas, como son un cono de Abrams entre 6 y 9 cm, una buena trabajabilidad y una resistencia superior a 25 MPa. Principalmente, con estos aditivos se ha logrado conseguir los propósitos iniciales, obteniendo una buena trabajabilidad y homogeneidad, un cono entre los valores permitidos, junto con una resistencia dentro de los parámetros establecidos. A destacar también la coherencia entre los conos obtenidos y la relación agua-cemento, es algo muy importante y a tener muy en cuenta, pues es un requisito exigido para el hormigón que se intenta fabricar

Computer Aided Tools for the Design and Planning of Personalized Shoulder Arthroplasty

La artroplastia de hombro es el tercer procedimiento de reemplazo articular más común, después de la artroplastia de rodilla y cadera, y actualmentees el de más rápido crecimiento en el campo ortopédico. Las principales opciones quirúrgicas incluyen la artroplastia total de hombro (TSA), en la quese restaura la anatomía articular normal, y, para pacientes con un manguito rotador completamente desgarrado, la artroplastia inversa de hombro (RSA), en la que la bola y la cavidad de la articulación glenohumeral se cambian. A pesar del progreso reciente y los avances en el diseño, las tasas de complicaciones reportadas para RSA son más altas que las de la artroplastia de hombro convencional. Un enfoque específico para el paciente, en el que los médicos adaptan el tratamiento quirúrgico a las características del mismo y al estado preoperatorio, por ejemplo mediante implantes personalizados y planificación previa, puede ayudar a reducir los problemas postoperatorios y mejorar el resultado funcional. El objetivo principal de esta tesis es desarrollar y evaluar métodos novedosos para RSA personalizado, utilizando tecnologías asistidas por ordenador de última generación para estandarizar y automatizar las fases de diseño y planificación.Los implantes personalizados son una solución adecuada para el tratamiento de pacientes con pérdida extensa de hueso glenoideo. Sin embargo, los ingenieros clínicos se enfrentan a muchas variables en el diseño de implantes (número y tipo de tornillos, superficie de contacto, etc.) y una gran variabilidad anatómica y patológica. Actualmente, no existen herramientas objetivas para guiarlos a la hora de elegir el diseño óptimo, es decir, con suficiente estabilidad inicial del implante, lo que hace que el proceso de diseño sea tedioso, lento y dependiente del usuario. En esta tesis, se desarrolló una simulación de Virtual Bench Test (VBT) utilizando un modelo de elementos finitos para evaluar automáticamente la estabilidad inicial de los implantes de hombro personalizados. A través de un experimento de validación, se demostró que los ingenieros clínicos pueden utilizar el resultado de Virtual Bench Test como referencia para respaldar sus decisiones y adaptaciones durante el proceso de diseño del implante.Al diseñar implantes de hombro, el conocimiento de la morfología y la calidad ósea de la escápula en toda la población es fundamental. En particular, se tienen en cuenta las regiones con la mejor reserva ósea (hueso cortical) para definir la posición y orientación de los orificios de los tornillos, mientras se busca una fijación óptima. Como alternativa a las mediciones manuales, cuya generalización está limitada por el análisis de pequeños subconjuntos de pacientes potenciales, Statistical Shape Models (SSMs) se han utilizado comúnmente para describir la variabilidad de la forma dentro de una población. Sin embargo, estos SSMs normalmente no contienen información sobre el grosor cortical.Por lo tanto, se desarrolló una metodología para combinar la forma del hueso escapular y la morfología de la cortical en un SSM. Primero, se presentó y evaluó un método para estimar el espesor cortical, a partir de un análisis de perfil de Hounsfield Unit (HU). Luego, utilizando 32 escápulas sanas segmentadas manualmente, se creó y evaluó un modelo de forma estadística que incluía información de la cortical. La herramienta desarrollada se puede utilizar para implantar virtualmente un nuevo diseño y probar su congruencia dentro de una población virtual generada, reduciendo así el número de iteraciones de diseño y experimentos con cadáveres.Las mediciones del alargamiento de los músculos deltoides y del manguito rotador durante la planificación quirúrgica pueden ayudar a los médicos aseleccionar un diseño y una posición de implante adecuados. Sin embargo, tal evaluación requiere la indicación de puntos anatómicos como referencia para los puntos de unión de los músculos, un proceso que requiere mucho tiempo y depende del usuario, ya que a menudo se realiza manualmente. Además, las imágenes médicas, que se utilizan normalmente para la artroplastia de hombro,contienen en su mayoría solo el húmero proximal, lo que hace imposible indicarlos puntos de unión de los músculos que se encuentran fuera del campo de visión de la exploración. Por lo tanto, se desarrolló y evaluó un método totalmente automatizado, basado en SSM, para medir la elongación del deltoides y del manguito rotador. Su aplicabilidad clínica se demostró mediante la evaluación del rendimiento de la estimación automatizada de la elongación muscular para un conjunto de articulaciones artríticas del hombro utilizadas para la planificación preoperatoria de RSA, lo que confirma que es una herramienta adecuada para los cirujanos a la hora de evaluar y refinar las decisiones clínicas.En esta investigación, se dio un paso importante en la dirección de un enfoque más personalizado de la artroplastia inversa de hombro, en el que el manejo quirúrgico, es decir, el diseño y la posición del implante, se adapta a las características específicas del paciente y al estado preoperatorio. Al aplicar tecnologías asistidas por computadora en la práctica clínica, el proceso de diseño y planificación se puede automatizar y estandarizar, reduciendo así los costos y los plazos de entrega. Además, gracias a los métodos novedosos presentados en esta tesis, esperamos en el futuro una adopción más amplia del enfoque personalizado, con importantes beneficios tanto para los cirujanos como para los pacientes.Shoulder arthroplasty is the third most common joint replacement procedure, after knee and hip arthroplasty, and currently the most rapidly growing one in the orthopaedic field. The main surgical options include total shoulder arthroplasty (TSA), in which the normal joint anatomy is restored, and, for patients with a completely torn rotator cuff, reverse shoulder arthroplasty (RSA), in which the ball and the socket of the glenohumeral joint are switched. Despite the recent progress and advancement in design, the reported rates of complication for RSA are higher than those of conventional shoulder arthroplasty. A patient-specific approach, in which clinicians adapt the surgical management to patient characteristics and preoperative condition, e.g. through custom implants and pre-planning, can help to reduce postoperative problems and improve the functional outcome. The main goal of this thesis is to develop and evaluate novel methods for personalized RSA, using state-of-the-art computer aided technologies to standardize and automate the design and planning phases. Custom implants are a suitable solution when treating patients with extensive glenoid bone loss. However, clinical engineers are confronted with an enormous implant design space (number and type of screws, contact surface, etc.) and large anatomical and pathological variability. Currently, no objective tools exist to guide them when choosing the optimal design, i.e. with sufficient initial implant stability, thus making the design process tedious, time-consuming, and user-dependent. In this thesis, a Virtual Bench Test (VBT) simulation was developed using a finite element model to automatically evaluate the initial stability of custom shoulder implants. Through a validation experiment, it was shown that the virtual test bench output can be used by clinical engineers as a reference to support their decisions and adaptations during the implant design process. When designing shoulder implants, knowledge about bone morphology and bone quality of the scapula throughout a certain population is fundamental. In particular, regions with the best bone stock (cortical bone) are taken into account to define the position and orientation of the screw holes, while aiming for an optimal fixation. As an alternative to manual measurements, whose generalization is limited by the analysis of small sub-sets of the potential patients, Statistical Shape Models (SSMs) have been commonly used to describe shape variability within a population. However, these SSMs typically do not contain information about cortical thickness. Therefore, a methodology to combine scapular bone shape and cortex morphology in an SSM was developed. First, a method to estimate cortical thickness, starting from a profile analysis of Hounsfield Unit (HU), was presented and evaluated. Then, using 32 manually segmented healthy scapulae, a statistical shape model including cortical information was created and assessed. The developed tool can be used to virtually implant a new design and test its congruency inside a generated virtual population, thus reducing the number of design iterations and cadaver labs. Measurements of deltoid and rotator cuff muscle elongation during surgical planning can help clinicians to select a suitable implant design and position. However, such an assessment requires the indication of anatomical landmarks as a reference for the muscle attachment points, a process that is time-consuming and user-dependent, since often performed manually. Additionally, the medical images, which are normally used for shoulder arthroplasty, mostly contain only the proximal humerus, making it impossible to indicate those muscle attachment points which lie outside of the field of view of the scan. Therefore, a fully-automated method, based on SSM, for measuring deltoid and rotator cuff elongation was developed and evaluated. Its clinical applicability was demonstrated by assessing the performance of the automated muscle elongation estimation for a set of arthritic shoulder joints used for preoperative planning of RSA, thus confirming it a suitable tool for surgeons when evaluating and refining clinical decisions. In this research, a major step was taken into the direction of a more personalized approach to Reverse Shoulder Arthroplasty, in which the surgical management, i.e. implant design and position, is adapted to the patient-specific characteristics and preoperative condition. By applying computer aided technologies in the clinical practice, design and planning process can be automated and standardized, thus reducing costs and lead times. Additionally, thanks to the novel methods presented in this thesis, we expect in the future a wider adoption of the personalized approach, with important benefits both for surgeons and patients.<br /

In vitro and in silico characterization of open-cell structures of trabecular bone

This work aimed to perform a detailed in vitro and in silico characterization of open-cell structures, which resemble trabecular bone, to elucidate osteoporosis failure mechanisms. Experimental and image-based computational methods were used to estimate Young's modulus and porosities of different open-cell structures (Sawbones; Malmö, Sweden). Three different open-cell structures with different porosities were characterized. Additionally, some open-cell structures were scanned using a microcomputed tomography system (µCT) to non-destructively predict specimen Young's modulus of the structures by developing voxel-based and tetrahedral finite element (FE) models. A 3D reconstruction and FE analyses were used. The experimental and computational results with different element types (linear and quadratic tetrahedrons and voxel-based meshes) were compared with Sawbones data (Sawbones; Malmö, Sweden) revealing important differences in Young's modulus and porosities. The specimens with high and low volume fractions were best represented by linear and quadratic tetrahedrons, respectively. These results could be used to develop new osteoporosis-prevention strategies

Desarrollo de un modelo basado en redes neuronales para la predicción de cargas aplicadas en la tibia humana. Aplicación al diseño de prótesis de rodilla de revisión

Este trabajo se ha desarrollado en el Departamento de Ingeniería Mecánica, dentro del área de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras. Su principal objetivo es la estimación de las cargas aplicadas en la tibia de un paciente concreto mediante un método basado en Redes Neuronales Artificiales y, posteriormente, utilizar estas cargas para la evaluación del efecto de distintos tipos de prótesis de rodilla de revisión en la remodelación ósea. El hueso está sometido a un proceso continuo de renovación que se conoce con el nombre de remodelación ósea. Este proceso adaptativo se produce debido a los importantes cambios morfológicos que sufre el hueso en respuesta a la situación mecánica a la que se encuentra solicitado. Al incorporar una prótesis al hueso, se modifica la distribución de tensiones a la que se encuentra sometido, produciendo una formación o reabsorción ósea dependiendo de la zona del hueso y del tipo de prótesis. Un aspecto poco estudiado en este campo es la determinación de las cargas reales a las que es sometida la tibia de un paciente concreto. Este complejo problema se ha intentado abordar en este Trabajo Fin de Master mediante una combinación del método de los Elementos Finitos y las Redes Neuronales Artificiales. Para ello este trabajo se ha dividido en dos partes: la primera parte se centra en la determinación de las cargas que afectan a la tibia de un paciente concreto mediante un método basado en Redes Neuronales, y la segunda la utilización de dichas cargas para analizar la reabsorción ósea que producen cuatro tipos distintos de prótesis de rodilla de revisión. Para la primera parte del trabajo se ha analizado el problema de remodelación ósea, aplicando un rango de condiciones de carga al modelo 3D de una tibia real. De este análisis se han obtenido unas densidades óseas, que sirven de entrada para la Red Neuronal Artificial. Después de entrenar la red con una función sigmoidea como función de entrada, distinto número de neuronas en la capa intermedia y una función lineal como salida, se han obtenido unas cargas, las cuales se han comparado con las condiciones de carga aplicadas inicialmente y se ha obtenido un error de cálculo. Tras determinar el número de entradas y neuronas de la capa intermedia más adecuado, se han introducido las cargas obtenidas en el modelo de la tibia con distintas prótesis, evaluando su efecto en la remodelación ósea. Como parte clínica de este trabajo se asistió a una intervención quirúrgica en el Hospital Clínico Universitario Blesa, en la que se realizó un recambio de prótesis de rodilla. Además se han mantenido reuniones periódicas con médicos del Departamento de Traumatología de dicho hospital

Modelo de paciente específico del fémur proximal humano: aplicación a la predicción del riesgo de fractura

La predicción del riesgo de fractura de cadera en pacientes con osteoporosis es extremadamente importante con el fin de prevenir y reducir la probabilidad de aparición de la misma. De esta forma, en esta tesis doctoral se desarrolla una herramienta preclínica capaz de predecir el riesgo de fractura del fémur proximal humano en pacientes sanos y osteoporóticos y bajo diferentes condiciones de contorno a partir de un modelo acoplado de elementos finitos paramétrico (EF) y Redes Neuronales Artificiales (RNA). Para alcanzar este objetivo se han planteado una serie de objetivos parciales. En primer lugar, se desarrolla un modelo de elementos finitos (EF) paramétrico del fémur proximal humano izquierdo tanto en geometría como en densidad ósea. La geometría del fémur proximal se parametriza en función de nueve parámetros anatómicos que se pueden obtener a partir de tomografía computerizada (TAC) o mediante dos radiografías de rayos X. Estos parámetros son: HD- diámetro de la cabeza femoral, OFF- distancia del centro de la cabeza al eje del fémur, NSAº- ángulo de inclinación del cuello, TRH- altura del trocánter mayor, NL- longitud total del cuello, ND- diámetro mínimo de cuello, AH- máximo diámetro de la diáfisis femoral, AV- longitud de la diáfisis y AAº- ángulo de anteversión. La distribución de la densidad ósea también se parametriza en función de la geometría real del fémur proximal. El modelo paramétrico se valida utilizando casos de fémures reales sanos y osteoporóticos. Para ello de cada fémur, se construye su modelo real de EF y su correspondiente modelo paramétrico y se calcula la rigidez de cada fémur junto a las deformaciones equivalentes sufridas por los mismos bajo las condiciones de cargas de caminar y subir escaleras. En segundo lugar, con el modelo paramétrico validado se implementa un criterio de fractura para distintas configuraciones (fractura con caída y fractura sin caída) que permite cuantificar la carga a la que el fémur proximal de un paciente concreto se fracturaría. Se realiza también un análisis de sensibilidad del efecto que tiene cada uno de los parámetros anatómicos sobre la fractura ante distintas configuraciones. Y para finalizar, los resultados de este análisis de sensibilidad se utilizan para desarrollar cuatro Redes Neuronales Artificiales (RNA) independientes que componen la herramienta preclínica predictiva. Esta herramienta se utiliza para predecir los distintos riesgos de fractura sobre las muestras de pacientes reales sanos y osteoporóticos para las distintas configuraciones (fractura con caída y fractura sin caída)

Desarrollo y validación de un modelo estocástico para la simulación de la proliferación, migración y diferenciación celular

Este trabajo fin de máster presenta un modelo estocástico para la simulación de la proliferación, migración y diferenciación celular. En concreto, el modelo se validará con la simulación de unos ensayos in vitro realizados con células satélites musculares. La migración y proliferación celular se ha modelado en diversos trabajos de la literatura como un proceso similar a la difusión. Sin embargo, los modelos de difusión para simular la proliferación y migración celular tienden a crear una distribución homogénea en la densidad celular, pero tal resultado puede no ser real. La utilización de modelos estocásticos o de otro tipo (automatas celulares, modelos de partículas, etc.) puede paliar está restricción. Por lo tanto, en este trabajo se presenta un modelo estocástico (random-walk) para simular la proliferación, migración y diferenciación celular. Los tres procesos se consideran como completamente estocásticos además de discretos. El modelo desarrollado se ha implementado en Matlab donde se pretente aplicar para predecir el comportamiento in vitro de unos cultivos celulares realizados con células satélite musculares adultas. En estos cultivos se ha observado una distribución no homogénea de las células dentro del pocillo de cultivo. La utilización de un modelo estocástico permite predecir este resultado mejor que un modelo de difusión continuo. El modelo se ha validado no sólo cualitativamente (distribución celular en los pocillos de cultivo) sino también cuantitativamente incorporando los ratios de proliferación y diferenciación entre los resultados in vitro y numéricos. Se ha realizado también un análisis de sensibilidad de los parámetros del modelo determinando, su influencia en los resultados. En el modelo desarrollado se ha incorporado otro aspecto como la diferenciación celular, considerando varias poblaciones celulares simultáneamente. En el proceso de diferenciación se ha intentado simular la creación de nanotubos o estructuras alargadas tal y como se muestran en los resultados in vitro