Modelos constitutivos hiperelásticos del tejido arterial y su valoración para considerar el descontrol metabólico / Hyperelastic constitutive models of arterial tissue and its assessment to consider metabolic uncontrol

Introducción: Las arterias elásticas se caracterizan por un comportamiento hiperelástico anisotrópico, no lineal y cuasi -incompresible, el cual depende de la contribución y distribución de los principales constituyentes. Su evaluación a través de modelos constitutivos junto con enfoques numéricos apropiados puede contribuir potencialmente al estudio de enfermedades como la aterosclerosis, así como al modelado de las intervenciones quirúrgicas o traumas por accidente. Objetivo: Valorar los modelos constitutivos que caracterizan el comportamiento biomecánico de la pared arterial para la identificación del potencial adecuado que permita la correlación de parámetros bioquímicos y mecánicos, en condiciones de daño. Métodos: Se realizó una revisión bibliográfica entre los años 2010-2016 en las bases de datos: Medline, Cochrane Library, Lilacs, así como en el meta-buscador Google. Se consultaron estudios de cohorte, prospectivos, retrospectivos, clínicos, epidemiológicos, revisiones bibliográficas y ensayos clínicos. Resultados: El modelo constitutivo anisotrópico de dos familias de fibras resulta apropiado para obtener nuevas relaciones constitutivas, que aporten más información sobre las propiedades mecánicas de las arterias bajo la influencia del descontrol metabólico generado por la acción de la diabetes mellitus, en los estadios tempranos de la aterosclerosis. Conclusiones: Los cambios en la estructura, composición y propiedades mecánicas que sufre la pared arterial, debido al descontrol metabólico, permite aseverar que la formulación de un modelo adecuado para representar esta realidad es una etapa crucial en la obtención de nuevas relaciones constitutivas, que contribuyan a una solución satisfactoria en el diagnóstico clínico no invasivo de las enfermedades vasculares(AU)

Introduction: The elastic arteries are characterized by a hyper-elastic, anisotropic, non-linear and quasi-incomprehensible behaviour, which depends on the contribution and distribution of the main constituents. Its evaluation through constitutive models together with appropriate numerical approaches can potentially contribute to the study of pathologies such as atherosclerosis, as well as to the modelling of surgical interventions or traumas by accident. Objective: To assess the constitutive models that characterize the biomechanical behavior of the arterial wall for the identification of the adequate potential that allows the correlation of biochemical and mechanical parameters in damage conditions. Methods: A bibliographic review was conducted from 2010 to 2016 in databases such as: Medline, Cochrane Library, Lilacs, as well as in the metasearch engine Google. There were consulted cohort, prospective, retrospective, clinical, epidemiological studies, bibliographic reviews and clinical trials. Results: The constitutive anisotropic model of two families of fibers is appropriate to obtain new constitutive relations, which provide of more information about the mechanical properties of the arteries under the influence of the metabolic decontrol generated by the action of diabetes mellitus, in the early stages of atherosclerosis. Conclusions: The changes in the structure, composition and mechanical properties of the arterial wall as a consequence of the metabolic decontrol allows to assert that the formulation of a suitable model to represent this reality is a crucial stage in obtaining new constitutive relations that contribute to a satisfactory solution in the non-invasive clinical diagnosis of vascular diseases(AU)

Análisis cinemático del movimiento de flexión-extensión del dedo pulgar mediante un mecanismo de palanca / Cinematic analysis of the flexion-extension movement of thumb finger by a bar mechanism

Introducción: La recuperación del grado de movilidad de las estructuras internas de la mano es un factor importante en la rehabilitación de pacientes. Objetivo: Estudiar la cinemática del movimiento de flexión-extensión de las estructuras internas del dedo pulgar a través de un mecanismo de palanca. Métodos: Se emplearon los métodos de análisis y síntesis de la teoría de mecanismos y máquinas. El dedo pulgar se definió como una cadena cinemática de tres grados de libertad. Resultados: La velocidad y aceleración máxima se obtuvieron en el recorrido de la posición extrema superior hasta la de agarre. La velocidad angular para la unión metacarpo-falángica (MCP) fue 9.12 rad/s, 18.10 rad/s en la inter-falángica proximal (PIP) y 10.07 rad/s en la inter-falángica distal (DIP); la velocidades lineal para la unión metacarpo-falángica (MCP) fue 0.45 m/s, 0.73 m/s en la inter-falángica proximal (PIP) y 0.30 m/s para la inter-falángica distal (DIP); as aceleraciones para MCP fue 4.10 m/s2 en el caso de la tangencial, 187.61 m/s2 para la normal; en la inter-falángica proximal (PIP) fue de 13.3 m/s2 en el caso de la tangencial, 163.71 m/s2 para la normal; y para la inter-falángica distal (DIP) fue de 3.04 m/s2 en el caso de la tangencial, 31.52 m/s2 para la normal. Conclusiones: Se definen las ecuaciones fundamentales que permitieron el obtener las velocidades y las aceleraciones durante el movimiento de flexo-extensión de las uniones del mecanismo, en las posiciones principales del dedo pulgar(AU)

Introduction: The recuperation of the range of mobility of the hand is an important factor in the patient rehabilitation. Objective: To study the kinematics of the flexion-extension movement of the thumb by a bar mechanism. Methods: The methods of analysis and synthesis of the theory of mechanisms and machines were used. The thumb was defined as a kinematic mechanism of three degrees of freedom. Results: The maximum speed was obtained between the upper position and the intermediate (or gripping) position. The angular velocities for the metacarpophalangeal joint (MCP) were 9.12 rad/s, in the proximal inter-phalangeal (PIP) of 18.10 rad/s and the distal inter-phalangeal (DIP) 10.07 rad/s. Also the linear velocities behaved as follows for the metacarpophalangeal joint (MCP) was 0.45 m/s, in the proximal inter-phalangeal (PIP) of 0.73 m/s to the distal inter-phalangeal (DIP) 0.30 m/s. Also the maximum accelerations are also obtained from the upper-end position to the intermediate (or gripping). Accelerations for the metacarpophalangeal joint (MCP) were 4.10 m/s2 for tangential component, 187.61 m/s2 for normal component; in the proximal phalangeal inter (PIP) was 13.3 m/s2 for tangential component, 163.71 m/s2 for normal component; and inter-phalangeal distal (DIP) were 3.04 m/s2 for tangential component, 31.52 m/s2 for normal component. Conclusions: The fundamental equations that allowed obtaining the velocities and accelerations during the movement of flexion and extension of the mechanism joints in the main positions of thumb were defined(AU)

Posibilidad de aplicación de la simulación computacional de tejido óseo en niños con torsión tibial / Possibility of application of computational simulation of bone tissue in children with tibial torsion

Introducción: con el desarrollo de la informática surgen nuevos caminos a soluciones de problemas en la práctica clínica. La modelación de tejidos desempeña un papel importante en el desarrollo de la medicina; la experimentación en pacientes vivos dificulta la obtención de resultados, de ahí la necesidad de buscar alternativas para mejorar la calidad del servicio de salud.Objetivo: valorar la importancia de la modelación computacional de tejidos biológicos en niños con torsión tibial.Métodos: se entrevistaron 44 especialistas entre doctores, técnicos en imágenes médicas, ingenieros mecánicos e ingenieros cibernéticos. Fue empleada una encuesta no estructurada sin guion previo.Resultados: se aplicaron valores empíricos de cargas para corregir deformidades como la torsión tibial, el 81 por cientode los encuestados conocen acerca las ventajas de las simulaciones computacionales aplicadas a la salud, el 17 por ciento opina que faltan recursos informáticos en los hospitales para emplear estas técnicas, el 2 por ciento cree que se debe capacitar a los doctores en el empleo de estas herramientas para apoyar la toma de decisiones y el diagnóstico clínico.Conclusiones: la encuesta proporcionó datos conclusivos sobre la posibilidad e interés de la aplicación de los modelos computacionales en el diagnóstico, pronóstico y seguimiento de enfermedades ortopédicas(AU)

Introduction: the development of information brings new paths to solve problems in the clinical practice. Tissue modeling plays an important role in the development of medicine, experimentation on living patients makes it difficult to some extent the results, hence the need to seek alternatives to improve the quality of health service.Objective: assess the importance of computational modeling of biological tissues in pediatric orthopedics, specifically in children with tibial torsion.Methods: forty-four specialists were interviewed including physicians, technicians in medical imaging, mechanical engineers, and cyber engineers. It an unscripted survey unstructured was used.Results: empirical values of loads are applied to correct deformities such as tibial torsion; 81 percent of respondents know about the advantages of computer simulations for health, 17 percent think that missing computer resources in hospitals to employ these techniques, 2 percent believes that doctors should be trained in the use of these tools to support decision-making and clinical diagnosis.Conclusions: the survey provided conclusive data on the ability and interest of the application of computational models in the diagnosis, prognosis, and monitoring of orthopedic diseases(AU)

Posibilidad de aplicación de la simulación computacional de tejido óseo en niños con torsión tibial / Possible application de la modélisation assistée par ordinateur des tissus osseux chez des enfants atteints de torsion tibiale / Possibility of application of computational simulation of bone tissue in children with tibial torsion

Introducción: con el desarrollo de la informática surgen nuevos caminos a soluciones de problemas en la práctica clínica. La modelación de tejidos desempeña un papel importante en el desarrollo de la medicina; la experimentación en pacientes vivos dificulta la obtención de resultados, de ahí la necesidad de buscar alternativas para mejorar la calidad del servicio de salud. Objetivo: valorar la importancia de la modelación computacional de tejidos biológicos en niños con torsión tibial. Métodos: se entrevistaron 44 especialistas entre doctores, técnicos en imágenes médicas, ingenieros mecánicos e ingenieros cibernéticos. Fue empleada una encuesta no estructurada sin guion previo. Resultados: se aplicaron valores empíricos de cargas para corregir deformidades como la torsión tibial, el 81 por ciento de los encuestados conocen acerca las ventajas de las simulaciones computacionales aplicadas a la salud, el 17 por ciento opina que faltan recursos informáticos en los hospitales para emplear estas técnicas, el 2 por ciento cree que se debe capacitar a los doctores en el empleo de estas herramientas para apoyar la toma de decisiones y el diagnóstico clínico. Conclusiones: la encuesta proporcionó datos conclusivos sobre la posibilidad e interés de la aplicación de los modelos computacionales en el diagnóstico, pronóstico y seguimiento de enfermedades ortopédicas(AU)

Introduction: the development of information brings new paths to solve problems in the clinical practice. Tissue modeling plays an important role in the development of medicine, experimentation on living patients makes it difficult to some extent the results, hence the need to seek alternatives to improve the quality of health service. Objective: assess the importance of computational modeling of biological tissues in pediatric orthopedics, specifically in children with tibial torsion. Methods: forty-four specialists were interviewed including physicians, technicians in medical imaging, mechanical engineers, and cyber engineers. It an unscripted survey unstructured was used. Results: empirical values of loads are applied to correct deformities such as tibial torsion; 81 percent of respondents know about the advantages of computer simulations for health, 17 percent think that missing computer resources in hospitals to employ these techniques, 2 percent believes that doctors should be trained in the use of these tools to support decision-making and clinical diagnosis. Conclusions: the survey provided conclusive data on the ability and interest of the application of computational models in the diagnosis, prognosis, and monitoring of orthopedic diseases(AU)

Introduction: à fur et à mesure que l'informatique se développe, de nouvelles solutions aux problèmes de la pratique clinique apparaissent. La modélisation de tissus joue un rôle essentiel dans le développement de la médecine; l'expérimentation sur des patients vivants empêche l'obtention de résultats, il est pourtant nécessaire de chercher d'autres alternatives afin d'améliorer la qualité du service sanitaire. Objectif: le but de cette étude est d'évaluer l'importance de la modélisation assistée par ordinateur des tissus biologiques chez des enfants atteints de torsion tibiale. Méthodes: Quarante et quatre spécialistes, tels que médecins, techniciens en imagerie médicale, ingénieurs mécaniques et ingénieurs cybernétiques, ont été enquêtés. L'enquête utilisée n'avait aucune structure, aucun plan à suivre. Résultats: Des valeurs empiriques de charge ont été utilisées pour corriger des déformations, telles que la torsion tibiale; la majorité des enquêtés (81 pourcent) connaissent bien les bénéfices de la modélisation assistée par ordinateur appliqués à la santé ; la moitié (17 pourcent) considère qu'il y a un déficit de ressources informatiques dans les hôpitaux pour employer cette technique, tandis que la minorité (2 pourcent) croie qu'il faut que les médecins acquissent les habiletés nécessaires pour utiliser cet outil dans la prise de décisions et le diagnostic clinique. Conclusions: L'enquête a fourni des données incontestables sur la possibilité et l'intérêt à mettre en application la modélisation assistée par ordinateur dans le diagnostic, le pronostic et le suivi d'affections orthopédiques (AU)

Análisis biomecánico del disco óptico bajo la variación de presión intraocular y rigidez escleral / Biomechanical analysis of the optic disc under variations in intraocular pressure and scleral rigidity

Introducción: el incremento de la presión intraocular y las alteraciones detectadas en la apariencia de la cabeza del nervio óptico constituyen factores importantes en la determinación de la progresión del daño glaucomatoso. Objetivo: analizar el comportamiento del disco óptico bajo el efecto de la variación de la presión intraocular y de la rigidez escleral, a través de un modelo biomecánico. Métodos: se emplea el método de los elementos finitos. Se definieron varios módulos de rigidez para la esclerótica de 3, 6 y 9 MPa y para la lámina cribosa 0,3 y 0,6 MPa. Todos los tejidos modelados fueron asumidos como materiales isotrópicos con comportamiento elástico e incompresible. Resultados: la mayor concentración de tensiones se localizó en las zonas de la esclerótica peripapilar y en las paredes del canal escleral. Los máximos de tensión (97,523 kPa) y desplazamiento (95,64 µm) se obtuvieron cuando la esclerótica y la lámina cribosa fueron menos rígidas y con la mayor presión intraocular. Conclusiones: la biomecánica del disco óptico influye en el desarrollo de la neuropatía óptica glaucomatosa. El mayor desplazamiento se encuentra en la zona central del disco óptico y está asociado a la pérdida de fibras nerviosas de la retina o al incremento de la excavación papilar en el mecanismo de daño glaucomatoso(AU)

Introduction: Increase in intraocular pressure and alterations in the appearance of the optic nerve head are important factors in determining the progress of glaucomatous damage. Objective: Analyze the behavior of the optic disc under the effect of variations in intraocular pressure and scleral rigidity using a biomechanical model. Methods: The finite element method was used to define several rigidity modules for the sclera at 3.6 and 9 MPa and for the lamina cribosa at 0.3 and 0.6 MPa. All the tissues modeled were assumed to be isotropic materials with elastic, incompressible behavior. Results: The highest concentration of tensions was located in areas of the peripapillary sclera and scleral canal walls. Tension and displacement peaks (97.523 kPa and 95.64 µm, respectively) were obtained when the sclera and the lamina cribosa were less rigid and intraocular pressure was highest. Conclusions: The biomechanical characteristics of the optic disc influence the development of glaucomatous optic neuropathy. The greatest displacement is found in the central area of the optic disc, and it is associated with the loss of retinal nerve fibers or an increase in papillary excavation in the mechanism of glaucomatous damage(AU)

Análisis biomecánico del disco óptico bajo la variación de presión intraocular y rigidez escleral / Biomechanical analysis of the optic disc under variations in intraocular pressure and scleral rigidity

INTRODUCCIÓN: el incremento de la presión intraocular y las alteraciones detectadas en la apariencia de la cabeza del nervio óptico constituyen factores importantes en la determinación de la progresión del daño glaucomatoso. OBJETIVO: analizar el comportamiento del disco óptico bajo el efecto de la variación de la presión intraocular y de la rigidez escleral, a través de un modelo biomecánico. MÉTODOS: se emplea el método de los elementos finitos. Se definieron varios módulos de rigidez para la esclerótica de 3, 6 y 9 MPa y para la lámina cribosa 0,3 y 0,6 MPa. Todos los tejidos modelados fueron asumidos como materiales isotrópicos con comportamiento elástico e incompresible. RESULTADOS: la mayor concentración de tensiones se localizó en las zonas de la esclerótica peripapilar y en las paredes del canal escleral. Los máximos de tensión (97,523 kPa) y desplazamiento (95,64 µm) se obtuvieron cuando la esclerótica y la lámina cribosa fueron menos rígidas y con la mayor presión intraocular. CONCLUSIONES: la biomecánica del disco óptico influye en el desarrollo de la neuropatía óptica glaucomatosa. El mayor desplazamiento se encuentra en la zona central del disco óptico y está asociado a la pérdida de fibras nerviosas de la retina o al incremento de la excavación papilar en el mecanismo de daño glaucomatoso.

INTRODUCTION: Increase in intraocular pressure and alterations in the appearance of the optic nerve head are important factors in determining the progress of glaucomatous damage. OBJECTIVE: Analyze the behavior of the optic disc under the effect of variations in intraocular pressure and scleral rigidity using a biomechanical model. METHODS: The finite element method was used to define several rigidity modules for the sclera at 3.6 and 9 MPa and for the lamina cribosa at 0.3 and 0.6 MPa. All the tissues modeled were assumed to be isotropic materials with elastic, incompressible behavior. RESULTS: The highest concentration of tensions was located in areas of the peripapillary sclera and scleral canal walls. Tension and displacement peaks (97.523 kPa and 95.64 µm, respectively) were obtained when the sclera and the lamina cribosa were less rigid and intraocular pressure was highest. CONCLUSIONS: The biomechanical characteristics of the optic disc influence the development of glaucomatous optic neuropathy. The greatest displacement is found in the central area of the optic disc, and it is associated with the loss of retinal nerve fibers or an increase in papillary excavation in the mechanism of glaucomatous damage.

Algoritmo para predecir tensiones con técnicas de inteligencia artificial en una tibia humana / Algorithm for prediction of strains in human tibia by means of artificial intelligence techniques

INTRODUCCIÓN: el desarrollo de la informática y sus herramientas influyen de forma significativa en los avances científicos tecnológicos, en la esfera de la salud. La simulación de problemas reales mediante redes neuronales, relaciona intrínseco, la medicina y la informática, por utilizar estas redes modelos basados en el funcionamiento de neuronas humanas. Si a esta potente herramienta unimos un método numérico de cálculo, que permita servir de fuente de datos a la red neuronal, se podrán modelar tejidos y partes del cuerpo humano. Una de las ramas de mayor implementación, podría ser la ortopedia, debido en lo fundamental, a la similitud que tiene el cuerpo humano y su estructura ósea, con las propiedades de los materiales de ingeniería, la cual es un área clave en la aplicación del Método de los Elementos Finitos. OBJETIVO: crear un algoritmo que permita dar solución al problema de remodelación ósea de una tibia humana bajo diferentes valores de cargas mecánicas. MÉTODOS: se empleó el Método de los Elementos Finitos. Se usó el software profesional ABAQUS/CAE para el cálculo de tensiones y deformaciones y una red neuronal para el procesamiento de los valores obtenidos. La red neuronal fue establecida; se aplicó el software MATLAB R2013a. RESULTADOS: se logró un modelo de red neuronal que posibilita predecir las cargas que una determinada zona de la tibia puede soportar. CONCLUSIONES: mediante el uso de las técnicas de inteligencia artificial y con el empleo del método de los elementos finitos, fue posible obtener un modelo que pronosticò las magnitudes de tensiones, que una región de la tibia humana podría soportar, en dependencia de los valores de densidades óseas presente en dicha región.

INTRODUCTION: the development of information sciences and their influence in a significant way the scientific and technological advances in the field of health care. The simulation of real-life problems through neuronal networks intrinsically relates medicine and informatics since these networks use models based on human neuron functioning. If we add to this potent tool a numerical calculation method that allows the neuronal network to serve as a data source, then tissues and parts of the body could be modeled. One of the branches with more implementation in this regard could be orthopedics due to the similarities of the human body and its osseous structures with the properties of the engineering materials and this is a key area in the application of finite element method. OBJECTIVE: to create an algorithm that may solve the problems of osseous remodeling of a human tibia under different mechanical load values. METHODS: the Finite Element Method was used together with the professional software ABAQUS/CAE for estimation of strains and deformations and a neuronal network to process the obtained values. The neuronal network was set and then the software MATLAB R2013a was applied. RESULTS: a neuronal network model that makes it possible to predict the loads that certain area of the tibia may stand. CONCLUSIONS: through the artificial intelligence techniques and the use of the finite element the strain magnitude that may be supported by a human tibia area depending on the osseous density values present in this area.method, it was possible to obtain a model that predicts the strain magnitude that may be supported by a human tibia area depending on the osseous density values present in this area.

El tejido blando arterial y la correlación de parámetros biomecánicos con aspectos clínicos / Arterial soft tissue and the correlation between biomechanical parameters and clinical aspects

INTRODUCCIÓN: las enfermedades cerebro-vasculares son frecuente en la actualidad, son las principales causas de muerte en Cuba, y en el mundo, debido a que conlleva al desarrollo de enfermedades isquémicas del corazón. Las alteraciones biomecánicas de la pared arterial constituyen manifestaciones precoces de la enfermedad aterosclerótica. OBJETIVO: fundamentar la relación existente entre los parámetros biomecánicos del tejido blando arterial y los factores de riesgo de la aterosclerosis. MÉTODOS: se emplea la modelación biomecánica para estudiar el comportamiento de la pared vascular ante la acción de múltiples factores de riesgo. RESULTADOS: las tensiones tangenciales y circunferenciales en el tejido arterial se relacionan con las zonas de formación y ruptura de la placa de ateroma. La presencia de estenosis en la trayectoria de un fluido, provoca importantes cambios en la presión arterial y en las tensiones tangenciales, estimula poca resistencia a las tensiones circunferenciales. CONCLUSIONES: el comportamiento mecánico de la pared arterial y su nexo con los factores de riesgo muestran la complejidad de los procesos que en ella ocurren, tanto en condiciones fisiológicas como patológicas. Su caracterización provee una herramienta que posibilita la integración de estudios médicos e ingenieriles, sobre todo en las zonas de gran curvatura o bifurcaciones de las arterias.

INTRODUCTION: cerebrovascular diseases are common conditions. They are the main cause of death both in Cuba and worldwide, since they lead to the development of ischemic heart diseases. Biomechanical alterations of the arterial wall are early manifestations of atherosclerotic heart disease. OBJECTIVE: substantiate the relationship between biomechanical parameters of arterial soft tissue and risk factors for atherosclerosis. METHODS: biomechanical modeling was used to study the behavior of the vascular wall under the action of multiple risk factors. RESULTS: tangential and circumferential tensions on arterial tissue are related to areas of atheroma plaque formation and rupture. The presence of stenosis along the route of a fluid leads to important changes in both arterial pressure and tangential tensions, and encourages little resistance to circumferential tensions. CONCLUSIONS: mechanical behavior of the arterial wall and its relationship to risk factors reveal the complexity of the processes occurring therein in both physiological and pathological conditions. Its characterization constitutes a tool for the integration of medical and engineering studies, mainly about areas of great artery curvature or bifurcation.

Consideraciones en la definición del modelo específico al paciente de la tibia / Considerations about the definition of a patient specific model of the tibia

INTRODUCCIÓN: los análisis por elementos finitos se usan para entender y predecir los procesos biológicos. En la biomecánica ortopédica, los modelos específicos al paciente se generan a partir de Tomografía Computarizada y empleados en la toma de decisiones médicas. Algunos procesos correctivos ortopédicos pueden simularse a través, de los análisis por elementos finitos. Para obtener modelos biomecánicos confiables, es muy recomendable reducir los errores en la definición del modelo en la etapa de pre-procesamiento del análisis por elementos finitos. OBJETIVO: analizar la influencia de la densidad del mallado y las propiedades mecánicas durante la definición del modelo específico al paciente en los resultados del análisis por elementos finitos. MÉTODOS: se empleó el Método de Elementos Finitos en la simulación de la tibia a compresión. La geometría de la tibia del paciente se generó a partir de Tomografía Computarizada. Se emplearon mallas con tamaño de elementos no uniforme y uniforme. Al modelo se le aplicaron propiedades mecánicas homogéneas y no homogéneas. RESULTADOS: los elementos de bajo orden convergen a la solución, las tensiones para las mallas con estos elementos son inferiores a las correspondientes las mallas con elementos de tamaño uniforme y de alto orden. Por otra parte, las propiedades mecánicas no homogéneas reducen la diferencia en el cálculo de las tensiones. CONCLUSIONES: para obtener modelos específicos al paciente confiables se recomienda, generar la geometría del hueso con superficies suavisadas, controlar la calidad de la malla superficial, usar propiedades mecánicas no homogéneas, y utilizar la malla generada directo en Abaqus con elementos de bajo orden y tamaño no uniforme.

INTRODUCTION: finite element analysis is used to understand and predict biological processes. In orthopedic biomechanics patient specific models are generated by computed tomography and used for medical decision making. Some corrective orthopedic processes may be simulated by means of finite element analysis. In order to obtain reliable biomechanical models it is highly advisable to reduce the number of errors in the definition of the model during pre-processing of the finite element analysis. OBJECTIVE: analyze the influence of mesh density and mechanical properties on the results obtained by finite element analysis during the stage of definition of the patient specific model. METHODS: the finite element method was used to simulate tibial compression. The geometry of the patient's tibia was generated by computed tomography. Meshes were used with non-uniform and uniform element sizes. Homogeneous and non-homogeneous mechanical properties were applied to the model. RESULTS: low-order elements converge to the solution. Tensions for meshes with these elements are lower than those for meshes with uniform size and high-order elements. On the other hand, non-homogeneous mechanical properties reduce the difference in the estimation of tensions. CONCLUSIONS: to obtain reliable patient specific models it is recommended to generate the bone geometry with softened surfaces, control the quality of the surface mesh, use non-homogeneous mechanical properties, and use the mesh generated directly on Abaqus with low-order elements and non-uniform size.

Aplicabilidad de la simulación computacional en la biomecánica del disco Óptico / Applicability of computational simulation in the biomechanics of the optic disc

FUNDAMENTO: la presión intraocular provoca tensiones y deformaciones en los tejidos del disco óptico que pueden ocasionar daño glaucomatoso. OBJETIVO: simular el comportamiento biomecánico del disco óptico y describir su aplicabilidad en la predicción del daño glaucomatoso. MÉTODOS: la herramienta de simulación computacional usada es el Método de Elementos Finitos. Se utilizó una presión intraocular de 15 mm Hg, así como las propiedades mecánicas y la geometría de los tejidos de la papila óptica reportados en la literatura. DESARROLLO: las mayores concentraciones de tensiones aparecen a nivel de la esclerótica peripapilar y fueron congruentes con las estimaciones reportadas en la literatura. La rigidez escleral influyó sobre las tensiones transmitidas a la lámina cribosa. Este tejido resultó ser el más susceptible al daño glaucomatoso dentro de la papila óptica. CONCLUSIONES: el análisis preliminar obtenido constituye un punto de partida para el estudio del nervio óptico a través de la simulación computacional. Se demuestra que la presión intraocular, la complejidad de la geometría y las propiedades mecánicas de los tejidos de la cabeza del nervio óptico son factores condicionantes del daño glaucomatoso.

BACKGROUND: intraocular pressure causes tension and deformities in the tissues of the optical disc that can entail glaucomatous damage. OBJECTIVE: to simulate the biomechanical behaviour of the optical disc and describe its applicability in the prediction of glaucomatous damage. METHOD: Finite Element Method was the computational simulation tool used. An intraocular pressure of 15 mm Hg was used, as well as the mechanical properties and geometry of tissues of the optic papilla reported in the literature. DEVELOPMENt: most of the concentrations of tension appear at the level of the peripapillary sclera and were consistent with the estimations reported in the literature. Scleral stiffness had an influence on the tension transmitted to the lamina cribosa sclerae. This tissue was the most susceptible to glaucomatous damage in the optical papilla. CONCLUSIONS: the preliminary obtained analysis is a starting point for the study of the optic nerve by means of the computational simulation. It was proved that intraocular pressure, the complexity of the geometry and the mechanical characteristics of the tissues of the head of the optic nerve are determining factors of the glaucomatous damage.

Aplicabilidad de la simulación computacional en la biomecánica del disco Óptico / Applicability of computational simulation in the biomechanics of the optic disc

Fundamento: la presión intraocular provoca tensiones y deformaciones en los tejidos del disco óptico que pueden ocasionar daño glaucomatoso.Objetivo: simular el comportamiento biomecánico del disco óptico y describir su aplicabilidad en la predicción del daño glaucomatoso.Métodos: la herramienta de simulación computacional usada es el Método de Elementos Finitos. Se utilizó una presión intraocular de 15 mm Hg, así como las propiedades mecánicas y la geometría de los tejidos de la papila óptica reportados en la literatura.Desarrollo: las mayores concentraciones de tensiones aparecen a nivel de la esclerótica peripapilar y fueron congruentes con las estimaciones reportadas en la literatura. La rigidez escleral influyó sobre las tensiones transmitidas a la lámina cribosa. Este tejido resultó ser el más susceptible al daño glaucomatoso dentro de la papila óptica.Conclusiones: el análisis preliminar obtenido constituye un punto de partida para el estudio del nervio óptico a través de la simulación computacional. Se demuestra que la presión intraocular, la complejidad de la geometría y las propiedades mecánicas de los tejidos de la cabeza del nervio óptico son factores condicionantes del daño glaucomatoso(AU)

Background: intraocular pressure causes tension and deformities in the tissues of the optical disc that can entail glaucomatous damage.Objective: to simulate the biomechanical behaviour of the optical disc and describe its applicability in the prediction of glaucomatous damage.Method: Finite Element Method was the computational simulation tool used. An intraocular pressure of 15 mm Hg was used, as well as the mechanical properties and geometry of tissues of the optic papilla reported in the literature.Development: most of the concentrations of tension appear at the level of the peripapillary sclera and were consistent with the estimations reported in the literature. Scleral stiffness had an influence on the tension transmitted to the lamina cribosa sclerae. This tissue was the most susceptible to glaucomatous damage in the optical papilla.Conclusions: the preliminary obtained analysis is a starting point for the study of the optic nerve by means of the computational simulation. It was proved that intraocular pressure, the complexity of the geometry and the mechanical characteristics of the tissues of the head of the optic nerve are determining factors of the glaucomatous damage(AU)

El tejido blando arterial y la correlación de parámetros biomecánicos con aspectos clínicos / Arterial soft tissue and the correlation between biomechanical parameters and clinical aspects

Introducción: las enfermedades cerebro-vasculares son frecuente en la actualidad, son las principales causas de muerte en Cuba, y en el mundo, debido a que conlleva al desarrollo de enfermedades isquémicas del corazón. Las alteraciones biomecánicas de la pared arterial constituyen manifestaciones precoces de la enfermedad aterosclerótica. Objetivo: fundamentar la relación existente entre los parámetros biomecánicos del tejido blando arterial y los factores de riesgo de la aterosclerosis. Métodos: se emplea la modelación biomecánica para estudiar el comportamiento de la pared vascular ante la acción de múltiples factores de riesgo. Resultados: las tensiones tangenciales y circunferenciales en el tejido arterial se relacionan con las zonas de formación y ruptura de la placa de ateroma. La presencia de estenosis en la trayectoria de un fluido, provoca importantes cambios en la presión arterial y en las tensiones tangenciales, estimula poca resistencia a las tensiones circunferenciales. Conclusiones: el comportamiento mecánico de la pared arterial y su nexo con los factores de riesgo muestran la complejidad de los procesos que en ella ocurren, tanto en condiciones fisiológicas como patológicas. Su caracterización provee una herramienta que posibilita la integración de estudios médicos e ingenieriles, sobre todo en las zonas de gran curvatura o bifurcaciones de las arterias(AU)

Introduction: cerebrovascular diseases are common conditions. They are the main cause of death both in Cuba and worldwide, since they lead to the development of ischemic heart diseases. Biomechanical alterations of the arterial wall are early manifestations of atherosclerotic heart disease. Objective: substantiate the relationship between biomechanical parameters of arterial soft tissue and risk factors for atherosclerosis. Methods: biomechanical modeling was used to study the behavior of the vascular wall under the action of multiple risk factors. Results: tangential and circumferential tensions on arterial tissue are related to areas of atheroma plaque formation and rupture. The presence of stenosis along the route of a fluid leads to important changes in both arterial pressure and tangential tensions, and encourages little resistance to circumferential tensions. Conclusions: mechanical behavior of the arterial wall and its relationship to risk factors reveal the complexity of the processes occurring therein in both physiological and pathological conditions. Its characterization constitutes a tool for the integration of medical and engineering studies, mainly about areas of great artery curvature or bifurcation(AU)

Consideraciones en la definición del modelo específico al paciente de la tibia / Considerations about the definition of a patient specific model of the tibia

Introducción: los análisis por elementos finitos se usan para entender y predecir los procesos biológicos. En la biomecánica ortopédica, los modelos específicos al paciente se generan a partir de Tomografía Computarizada y empleados en la toma de decisiones médicas. Algunos procesos correctivos ortopédicos pueden simularse a través, de los análisis por elementos finitos. Para obtener modelos biomecánicos confiables, es muy recomendable reducir los errores en la definición del modelo en la etapa de pre-procesamiento del análisis por elementos finitos.Objetivo: analizar la influencia de la densidad del mallado y las propiedades mecánicas durante la definición del modelo específico al paciente en los resultados del análisis por elementos finitos. Métodos: se empleó el Método de Elementos Finitos en la simulación de la tibia a compresión. La geometría de la tibia del paciente se generó a partir de Tomografía Computarizada. Se emplearon mallas con tamaño de elementos no uniforme y uniforme. Al modelo se le aplicaron propiedades mecánicas homogéneas y no homogéneas. Resultados: los elementos de bajo orden convergen a la solución, las tensiones para las mallas con estos elementos son inferiores a las correspondientes las mallas con elementos de tamaño uniforme y de alto orden. Por otra parte, las propiedades mecánicas no homogéneas reducen la diferencia en el cálculo de las tensiones. Conclusiones: para obtener modelos específicos al paciente confiables se recomienda, generar la geometría del hueso con superficies suavisadas, controlar la calidad de la malla superficial, usar propiedades mecánicas no homogéneas, y utilizar la malla generada directo en Abaqus con elementos de bajo orden y tamaño no uniforme(AU)

Introduction: finite element analysis is used to understand and predict biological processes. In orthopedic biomechanics patient specific models are generated by computed tomography and used for medical decision making. Some corrective orthopedic processes may be simulated by means of finite element analysis. In order to obtain reliable biomechanical models it is highly advisable to reduce the number of errors in the definition of the model during pre-processing of the finite element analysis. Objective: analyze the influence of mesh density and mechanical properties on the results obtained by finite element analysis during the stage of definition of the patient specific model. Methods: the finite element method was used to simulate tibial compression. The geometry of the patients tibia was generated by computed tomography. Meshes were used with non-uniform and uniform element sizes. Homogeneous and non-homogeneous mechanical properties were applied to the model. Results: low-order elements converge to the solution. Tensions for meshes with these elements are lower than those for meshes with uniform size and high-order elements. On the other hand, non-homogeneous mechanical properties reduce the difference in the estimation of tensions. Conclusions: to obtain reliable patient specific models it is recommended to generate the bone geometry with softened surfaces, control the quality of the surface mesh, use non-homogeneous mechanical properties, and use the mesh generated directly on Abaqus with low-order elements and non-uniform size(AU)

Algoritmo para predecir tensiones con técnicas de inteligencia artificial en una tibia humana / Algorithm for prediction of strains in human tibia by means of artificial intelligence techniques

Introducción: el desarrollo de la informática y sus herramientas influyen de forma significativa en los avances científicos tecnológicos, en la esfera de la salud. La simulación de problemas reales mediante redes neuronales, relaciona intrínseco, la medicina y la informática, por utilizar estas redes modelos basados en el funcionamiento de neuronas humanas. Si a esta potente herramienta unimos un método numérico de cálculo, que permita servir de fuente de datos a la red neuronal, se podrán modelar tejidos y partes del cuerpo humano. Una de las ramas de mayor implementación, podría ser la ortopedia, debido en lo fundamental, a la similitud que tiene el cuerpo humano y su estructura ósea, con las propiedades de los materiales de ingeniería, la cual es un área clave en la aplicación del Método de los Elementos Finitos. Objetivo: crear un algoritmo que permita dar solución al problema de remodelación ósea de una tibia humana bajo diferentes valores de cargas mecánicas. Métodos: se empleó el Método de los Elementos Finitos. Se usó el software profesional ABAQUS/CAE para el cálculo de tensiones y deformaciones y una red neuronal para el procesamiento de los valores obtenidos. La red neuronal fue establecida; se aplicó el software MATLAB R2013a. Resultados: se logró un modelo de red neuronal que posibilita predecir las cargas que una determinada zona de la tibia puede soportar. Conclusiones: mediante el uso de las técnicas de inteligencia artificial y con el empleo del método de los elementos finitos, fue posible obtener un modelo que pronosticò las magnitudes de tensiones, que una región de la tibia humana podría soportar, en dependencia de los valores de densidades óseas presente en dicha región(AU)

Introduction: the development of information sciences and their influence in a significant way the scientific and technological advances in the field of health care. The simulation of real-life problems through neuronal networks intrinsically relates medicine and informatics since these networks use models based on human neuron functioning. If we add to this potent tool a numerical calculation method that allows the neuronal network to serve as a data source, then tissues and parts of the body could be modeled. One of the branches with more implementation in this regard could be orthopedics due to the similarities of the human body and its osseous structures with the properties of the engineering materials and this is a key area in the application of finite element method. Objective: to create an algorithm that may solve the problems of osseous remodeling of a human tibia under different mechanical load values. Methods: the Finite Element Method was used together with the professional software ABAQUS/CAE for estimation of strains and deformations and a neuronal network to process the obtained values. The neuronal network was set and then the software MATLAB R2013a was applied. Results: a neuronal network model that makes it possible to predict the loads that certain area of the tibia may stand. Conclusions: through the artificial intelligence techniques and the use of the finite element method, it was possible to obtain a model that predicts the strain magnitude that may be supported by a human tibia area depending on the osseous density values present in this area(AU)

Aplicación de los modelos mecanobiológicos en los procesos de regeneración ósea / Application of mechano-biological models in bone regeneration process

Los modelos computacionales constituyen una herramienta necesaria en las investigaciones científicas. En este trabajo se muestra la utilización de las nuevas tecnologías, a través del Método de los Elementos Finitos en la implementación de los modelos mecanobiológicos usados en ortopedia. Se exponen los principales modelos mecano-reguladores que aparecen en la bibliografía y se ejemplifican las ventajas que proporcionan las técnicas de modelación en el pronóstico de la formación de nuevo tejido óseo, como respuesta biológica del organismo debido a la aplicación de cargas externas(AU)

Computational models are a necessary tool in scientific researches. This paper deals with the use of new technologies, by using the Finite Element Method for the implementation of mechano-biological models used in orthopedic. Also the main mechano-regulator models are shown in this article, which are described in literature. On the other hand, the advantages provided by the modeling techniques during the prognosis of the new tissue formation, as a response of the organism to the application of external loads are stated by these authors(AU)

Les modèles informatisées constituent un outil nécessaire dans les recherches scientifiques. Dans ce travail, on montre lusage des nouvelles technologies, telle que la méthode des Éléments finis, dans la mise en application des modèles biomécaniques utilisés en orthopédie. On fait une révision des modèles mécano-régulateurs principaux apparus dans la littérature, et on met des exemples des bénéfices obtenus par les techniques de modélisation dans le pronostic de formation du nouveau tissu osseux comme réponse biologique du corps aux charges externes(AU)

Carácter interdisciplinario de la modelación computacional en la solución de problemas de salud / Interdisciplinary character of the computational model in the solution of health problems

La solución de los problemas de salud requiere de la interrelación entre diferentes ramas científicas y tecnológicas, tales como la Biomecánica, las tecnologías de la información, la ingeniería y las ciencias médicas. La importancia de la comunicación interdisciplinaria en las universidades fundamenta la creación de un grupo de investigación que fusiona el conocimiento de la mecánica clásica con las disciplinas de la salud y la participación de pacientes, técnicos, ingenieros, médicos y estudiantes. En el trabajo se realiza una reflexión sobre el carácter interdisciplinario de las investigaciones, cómo se inserta la Ingeniería Mecánica desde la modelación en la solución de problemas de salud y se brindan algunos resultados obtenidos por los miembros del Grupo de Biomecánica y Bioingeniería de la Universidad Ignacio Agramonte y Loynaz de Camagüey(AU)

The solution of health problems require an interrelation between different scientific and technological branches, such as biomechanics, information technologies, engineering and medical sciences. The importance of the interdisciplinary communication in universities lays the base on the creation of an investigative group that fuses the knowledge of classic mechanic with the disciplines of medicine and the participation of patients, technicians, engineers, doctors and students. A reflection about the interdisciplinary character of investigations and how mechanic engineering is inserted in the model to solve health problems is carried out in this work. Some results obtained by the members of the Biomechanics and Bioengineering Group of Ignacio Agramonte y Loynaz University are offered(AU)

Aplicación de los modelos mecanobiológicos en los procesos de regeneración ósea / Application of mechano-biological models in bone regeneration process / Mise en application des modèles biomécaniques dans les processus de régénération osseuse

Los modelos computacionales constituyen una herramienta necesaria en las investigaciones científicas. En este trabajo se muestra la utilización de las nuevas tecnologías, a través del Método de los Elementos Finitos en la implementación de los modelos mecanobiológicos usados en ortopedia. Se exponen los principales modelos mecano-reguladores que aparecen en la bibliografía y se ejemplifican las ventajas que proporcionan las técnicas de modelación en el pronóstico de la formación de nuevo tejido óseo, como respuesta biológica del organismo debido a la aplicación de cargas externas.

Computational models are a necessary tool in scientific researches. This paper deals with the use of new technologies, by using the Finite Element Method for the implementation of mechano-biological models used in orthopedic. Also the main mechano-regulator models are shown in this article, which are described in literature. On the other hand, the advantages provided by the modeling techniques during the prognosis of the new tissue formation, as a response of the organism to the application of external loads are stated by these authors.

Les modèles informatisées constituent un outil nécessaire dans les recherches scientifiques. Dans ce travail, on montre l’usage des nouvelles technologies, telle que la méthode des Éléments finis, dans la mise en application des modèles biomécaniques utilisés en orthopédie. On fait une révision des modèles mécano-régulateurs principaux apparus dans la littérature, et on met des exemples des bénéfices obtenus par les techniques de modélisation dans le pronostic de formation du nouveau tissu osseux comme réponse biologique du corps aux charges externes.

Generación de imágenes tridimensionales: integración de tomografía computarizada y método de los elementos finitos / 3D imaging: integration of computerized tomography and the finite element method

Se trata la posibilidad de utilización de las nuevas tecnologías y en especial la Tomografía Axial Computarizada (CT) utilizando como herramienta modeladora el Método de los Elementos Finitos (MEF) para la generación de volúmenes 3D que puedan ser empleados en la obtención de modelos mecano-biológicos aplicables a afecciones ortopédicas(AU)

This work deals about the possibility of using new technologies and especially the Computed Tomography (CT) using shaper tool as the Finite Element Method (FEM) to generate 3D volumes that can be employed in obtaining it mechanical-biological models applicable to orthopedic conditions(AU)

Generación de imágenes tridimensionales: integración de tomografía computarizada y método de los elementos finitos / 3D imaging: integration of computerized tomography and the finite element method

Se trata la posibilidad de utilización de las nuevas tecnologías y en especial la Tomografía Axial Computarizada (CT) utilizando como herramienta modeladora el Método de los Elementos Finitos (MEF) para la generación de volúmenes 3D que puedan ser empleados en la obtención de modelos mecano-biológicos aplicables a afecciones ortopédicas.

This work deals about the possibility of using new technologies and especially the Computed Tomography (CT) using shaper tool as the Finite Element Method (FEM) to generate 3D volumes that can be employed in obtaining it mechanical-biological models applicable to orthopedic conditions.