Objectiu:Investigar el comportament biomecànic de diversos al·loempelts (fèmur, tíbia i peroné) col·locats anteriorment en substitució del cos vertebral. Investigar la influència de la preparació del platet vertebral en un model de corporectomia per avaluar la millor configuració biomecànica.Material i mètode:S'utilitza un model no linear d'elements finits en tres dimensions del raquis lumbar (Noailly 2003) al qual s'adapten quatre cargols transpediculars (Sherpa®, Surgival® S.A.) en L3 i L5, dues barres i un connector. Aquest model va ser modificat amb l'extracció de d'ambdós disc intervertebrals i el cos de L4. Es van realitzar tomografies computeritzades d'un fragment diafisari de fèmur, un fragment diafisari de tíbia i un fragment diafisari de peroné del mateix pacient. Aquests fragments van ser reconstruïts i model·litzats, per a després ser inserits a dins del model. Es van investigar quatre configuracions dels empelts: amb un fragment de fèmur, amb un fragment de tíbia, amb tres fragments de peroné i amb sis fragments de peroné. Es van avaluar quatre configuracions del platet vertebral: amb l'empelt recolzat sobre tot el platet vertebral, amb l'empelt recolzat sobre la meitat de cartílag, amb l'empelt recolzat sobre l'os subcondral i amb l'empelt recolzat sobre l'os esponjós. Es van aplicar forces de compressió(1000N), flexió, extensió i torsió (15 Nmm), sobre el platet superior de L3, es va considerar el platet inferior de L5 fix, i es van calcular les tensions i deformacions produïdes.Resultats:Les tensions de Von Misses a dins del fixador es mantenen per sota del límit de fatiga del material i del Yield estrès quan es complementa el muntatge amb l'al·loempelt anterior, i per tant no es produeix la fallida del fixador. L'ús del fixador fa que el raquis lumbar sigui deu vegades més rígid, el que afectarà a la remodelació a llarg termini. La geometria i la configuració de l'al·loempelt te una important influència en les tensions i deformacions a dins de les vèrtebres adjacents, amb la reducció de les mateixes. La resecció del cartílag i la sustentació de l'empelt sobre el platet cortical es la configuració que canvia més les tensions del platet restant, creant àrees de tensions màximes en les zones de contacte. Per altre banda, la resecció complerta de l'os subcondral és la configuració que canvia menys la distribució de tensions en el platet vertebral. La utilització de sis peronés ha demostrat ser el muntatge més estable, però també el que modifica en major mesura les tensions en les vèrtebres adjacents. Donada la seva geometria el·lipsoidal, la tíbia dona unes deformacions més asimètriques que el fèmur. Els resultats amb al·loempelt de fèmur modifiquen en menor mesura les tensions en les vèrtebres adjacents, configurant un muntatge més fisiològic.Conclusions:La preservació del platet vertebral cortical no ofereix cap avantatge biomecànic significatiu en la reconstrucció de la columna anterior del raquis lumbar quan s'utilitza una instrumentació transpedicular rígida. Els fragments de diàfisi femoral col·locats en substitució del cos vertebral modifiquen en menor mesura la distribució de tensions i deformacions en les vèrtebres adjacents, en comparació amb tíbia i peroné, comportant-se des del punt de vista biomecànic de manera més fisiològica. / Aims.Investigate the influence of various types of allograft (from the tibia, femur, and fibula) through finite element analysis. Investigate the influence of end-plate preparation in a model of corporectomy to evaluate the best biomechanical configuration.Methods.A non-linear 3D finite element model of a lumbar spine L3-L5 was used as a physiologic model (Noailly, 2003). The model was modified with the insertion of a transpedicular instrumentation (Surgival SA, Spain) and the removal of the L4 body and two adjacent discs. CT scans of a femur, tibia and fibula from the same patient were performed. Fragments of each bone were reconstructed and inserted within the model. Four configurations of allografts were investigated: one femur fragment, one tibial fragment, three fragments of fibula, six fragments of fibula. Four configurations of endplate were investigated: with allograft supported on the entire end-plate, with allograft supported on the half of cartilage endplate wide, with allograft supported on the subcondral cortical shell and, finally, with allograft supported on the trabecular bone. Conventional types of loadings were applied on superior endplate of L3: compression (1000N), flexion, extension, and rotation (15Nm). Fixed displacements were imposed on the distal part of L5 endplate, and strain and stresses were calculated in large displacement (MARC, MSC Software).Results.Von Mises stresses within the internal fixator are well below the Yield stress and the fatigue limit and therefore no fracture of the fixator is foreseen. The use of a fixator to create fusion of the two vertebras makes the lumbar spine much stiffer. The geometry and configuration of the allografts have a large influence on the strain and stresses within the adjacent vertebrae with a reduction of strains and stresses. The resection of the cartilage and support the allograft in the cortical shell changes most the maximal principal strains in the remaining end-plate, and creates a peak stress in the contact area. On the other hand, the complete resection of cartilage and subcondral cortical end-plate is the configuration that changes least the maximal principal strains within the adjacent vertebrae. The use of fragments of fibula gives the most stable configuration, but this is also the configuration that changes most the maximal principal strains within the vertebrae. Results obtained with the femur or the tibia are very similar between each other. However, due to its ellipsoidal geometry, the allograft in tibia gives more asymmetric deformations than the femur.Conclusions.Preservation of the cortical end-plate may not offer a significant biomechanical advantage in reconstructing the anterior column of lumbar spine when rigid transpedicular instrumentation was used. Allografts harvested from the femur seems to be more reliable and change least the strain and stress distributions within the lumbar spine compared to allografts from the tibia or fibula.

Aquesta tesi analitza els resultats de l'artroplàstia total de maluc (ATM) des de tres àmbits. Es descriuen els canvis clínics, bàsicament la disminució del dolor referit pel pacient i les millores funcionals que comporta quan a l'increment de la mobilitat i la capacitat de marxa. També s'estudien les característiques de la marxa al pre i postoperatori amb plataformes dinamomètriques. Finalment, es mesura el cost energètic de la marxa, mitjançant ergometria en cinta, que permet obtenir el consum d'oxigen i la producció de biòxid de carboni.Introducció: Es fa un breu resum de la història de l'ATM i una descripció de l'anatomia i la biomecànica del maluc amb els aspectes que cal tenir en compte alhora de decidir el tipus d'artroplàstia. Es defineixen els components de l'artroplàstia i s'enumeren les principals indicacions i complicacions d'aquest recanvi articular.Finalment, es fa un resum de l'anàlisi biomecànica de la marxa definint els paràmetres temporoespacials, els paràmetres cinemàtics i els paràmetres cinètics d'aquesta.Justificació: Es mencionen dades epidemiològiques recents de l'ATM al nostre entorn i defensa la utilitat dels estudis biomecànics en la patologia ortopèdica.Hipòtesis i objectius: Les hipòtesis de treball han estat:- L'ATM aconsegueix una major tolerància a l'exercici i un estalvi energètic en la marxa.- La substitució de l'articulació de càrrega danyada tendeix a normalitzar els paràmetres cinètics de la marxa.Com a objectius s'han analitzat les repercussions en el balanç articular i muscular, l'atròfia, el dolor, la capacitat de marxa i la capacitat funcional global d'aquesta intervenció.Mètode: Els pacients provenen d'un hospital de tercer nivell i estan en llista d'espera per ATM. Es descriu la tècnica quirúrgica, les profilaxis antitrombòtica i antibiòtica, les cures d'infermeria i el protocol de rehabilitació al postoperatori. El procés de rehabilitació va ser controlat pel mateix especialista. S'esquematitza la temporització de l'estudi, amb un seguiment de 6 mesos, i s'explica com s'ha fet l'anàlisi estadística i la recerca bibliogràfica. En el capítol d'avaluació dels resultats es mencionen les escales funcionals que s'han escollit per analitzar els canvis clínics. Es descriuen les característiques de les plataformes dinamomètriques, analitzant les gràfiques força temps dels tres components de les forces de reacció i els paràmetres cinètics de la marxa. Pel que fa a l'anàlisi del consum energètic de la marxa, s'explica el significat dels paràmetres que s'obtenen a partir d'una prova d'esforç.Resultats: Tots els paràmetres clínics van millorar després de l'ATM. El dolor va disminuir un 26% a l'Escala Visual Analògica (EVA). Les puntuacions de les escales funcionals van millorar entre un 30% i un 45%. Pel que fa als paràmetre temporo-espacials de la marxa, van disminuir el temps del pas i el temps de doble recolzament, i va augmentar la longitud del pas. Tot plegat indica una major velocitat de la marxa i una major capacitat per tolerar càrrega de pes per part de l'extremitat afectada. Es van enregistrar pocs canvis a les forces de reacció si bé mostraven una marxa més dinàmica. L'ATM aconsegueix una disminució del 30% del cost d'oxigen de la marxa i millora tots els paràmetres càrdio-respiratoris de forma estadísticament molt significativa.Tots els canvis van ser més marcats als homes que a les dones. Els majors increments absoluts es van detectar en els pacients amb afectació unilateral de maluc, però els majors increments relatius van ser als pacients amb afectació bilateral, els quals partien d'una pitjor capacitat funcional, quan ja eren portadors d'ambdues artroplàsties. Conclusions: L'ATM millora la capacitat funcional de tots els pacients, especialment dels qui tenen afectació bilateral als malucs, tal com es posa de manifest en aquest estudi. L'increment d'activitat física pot allargar l'esperança de vida de les persones amb coxopatia severa. / This thesis shows the result of a study analysing three different aspects of total hip arthroplasty (THA).Clinical changes are described, especially the decrease of pain referred by the patient as well as the functional improve comparing increased range of motion and gait capacity. Using a biomechanical approach, characteristics of gait before and following surgical intervention were investigated by using gait platforms and the energy cost of walking on a treadmill was measured.Introduction: A summary of the history of THA is presented followed by the description of the anatomical and biomechanical aspects of the hip in order to select the kind of arthroplasty to be applied. Components of THA and main indications and complications are mentioned. Finally, a brief introduction to the biomechanical gait analysis is made with temporal and spatial aspects, ground reaction forces, kinematic and kinetic parameters.Epidemiological data of THA has recently been published in our country and nowadays it is clear the utility of biomechanical studies in orthopaedic research.Hypotheses and objectives: Hypotheses of the study were:- THA increase tolerance to physical activity and reduce the energy cost of walking.- Hip replacement improves the symmetry of gait when compared to the pre-operative state. The objectives of this prospective study were to analyze changes in the rate of motion, muscle test of the hip, muscle atrophy, pain, gait and functional capacity before and after THA.Methods: Selection of patients was made by using the waiting list for THA at the hospital, with information collected regarding surgical approach, anti-thrombosis and antibiotic prophylaxis, nursery care and rehabilitation protocol. The rehabilitation process was controlled by the same physician throughout the study. The timeline of the study has been summarized in a table, with a six-months follow-up. Statistical method and bibliographic research are explained at the end.For results assessment, functional scales selected and characteristics of gait platforms used were described.Results: All clinical parameters have improved after THA. Pain has decreased 26% in Visual Analogue Scale (VAS). Functional scales increased between 30% and 45%. Step and double support times decreased and step length increased, reflecting greater gait velocity and increased loading capacity by the lower limb. Ground reaction forces had little changes; they just tend to increase their peak values. Oxygen cost of the gait decrease around 30% and all cardiopulmonary parameters improved significantly.All improvements were higher in men than in women. In unilateral replacements the absolute result was better than in bilateral replacements, whilst the latter had a higher increase, which might be due to the worst pre-operative situation. Conclusion: THA improved functional capacity of all included patients; especially those bilaterally affected, which can be shown by the applied approach. The increased physical activity might increase the life expectancy of people with severe hip arthritis.

Las enfermedades pulmonares intersticiales difusas (EPID), constituyen un grupo variado de trastornos inflamatorios difusos de las vías aéreas inferiores causadas por inflamación, fibrosis (cicatritzación) de las paredes alveolares y grosor del espacio intersticial. Como muchas de estas EPID dan lugar a la formación de fibrosis, también se las llama fibrosis pulmonar (FP). Tanto la fisiopatología de la enfermedad como los mecanismos bioquímicos que se desencadenan son poco conocidos. La lesión pulmonar inducida por fármacos como la bleomicina, es heterogénea y rápida en su inicio, con una fase de alveolitis inicial caracterizada por la presencia de edema intersticial y de infiltración de células inflamatorias como los neutrófilos, macrófagos y limfocitos, que a su vez conducirán a una proliferación de los fibroblastos. Después hay una segunda fase, más fibrótica, que se caracteriza por la deposición de colágeno y de otros componentes de la matriz extracelular que resultarán en una distorsión de la arquitectura pulmonar. Como creemos que los parámetros biomecánicos pueden ser de gran utilidad en el seguimiento de las estrategias terapéuticas así como también del conocimiento general de la historia natural de las EPID, queremos saber cuál es la influencia de la respuesta inflamatoria en las diferentes fases evolutivas de la FP sobre la biomecánica del parénquima. Por eso utilizamos un modelo murino de lesión pulmonar de dos semanas o de un mes de durada, inducida por dosis única o dosis repetidas de bleomicina respectivamente. En el primer trabajo, utilizamos tiras de paánquima pulmonar para el estudio biomecánico (elastancia, resistencia (R0) e histeresividad (mi(0)) los días 3, 7 y 15 después de una instilación única sub-letal de bleomicina. Se analizaron también el impacto de la inflamación pulmonar (mieloperoxidasa (MPOL), índice de inflamación pulmonar (LI) y el contenido de agua pulmonar (WL)) y de la remodelación pulmonar (hidroxiprolina (HPL) y fibras elásticas) en los mismos días en los que se hizo el estudio mecánico. Los hallazgos más significativos sugieren que este modelo proporciona nuevas evidencias para la comprensión de la fisiopatología de la lesión pulmonar inducida por bleomicina y la relación entre los cambios inflamatorios y la mecánica del tejido pulmonar. Los parámetros disipativos del tejido pulmonar se vieron modificados después de la lesión: tanto R0 como mi(0) estuvieron correlacionadas con la MPOL, WL y LI. No encontramos correlaciones significativas entre HPL y los parámetros mecánicos, pero si de la elastina con mi(0) i el grosor de la paret alveolar. En el segundo trabajo, usamos tiras de parénquima pulmonar para hacer el estudio mecánico el día 28 después de una instilación única sub-letal o después de tres dosis de bleomicina cada dos semanas. Se analizó el impacto de la inflamación pulmonar (MPOL y LI) y de la remodelación pulmonar (fibras de colágeno) en los mismos días en que se hizo el estudio mecánico. En el modelo de tres dosis repetidas por bleomicina se halló una infiltración de células inflamatorias, un incremento de la MPO y de las fibras de colágeno, la presencia de focos fibroblásticos y un aumento tanto de la elastancia (H) como de la amortiguación tisular (G), 28 dáas después de la última dosis. Sin embargo, en el modelo de dosis única, el colágeno aumentó sin que hubiesen cambios significativos en la mecánica pulmonar.

En aquesta tesi es presenta un model biomecànic de la mà orientat al disseny d'eines manuals.S'ha comprovat que una correcta adaptació del disseny de l'eina al treballador i a la tasca a realitzar (disseny ergonòmic) suposa una millora dels processos de producció i una reducció de les baixes laborals derivades de l'ús de les eines, i per tant un benefici per a la salut dels treballadors i per a la millora de les condicions de treball.En l'actualitat l'avaluació i el disseny ergonòmic d'eines manuals es realitza únicament en base a una sèrie de recomanacions experimentals de vegades poc realistes o amb una avaluació pràctica insuficient.En aquest sentit, es proposa com a objectiu d'aquesta tesi el desenvolupament d'un model biomecànic de la mà amb la finalitat última d'ajudar en el procés de disseny d'eines manuals, des del punt de vista ergonòmic.Després d'analitzar els models biomecànics existents a la literatura, i d'acord amb l'anatomia funcional de la mà i l'objectiu perseguit, s'ha desenvolupat un model biomecànic de la mà escalable que permet estimar la distribució d'esforços musculars durant la realització tant d'agarrades estàtiques com dinàmiques. El model permet, així mateix, predir màximes forces de prensió per als distints tipus d'agarrada. L'escalabilitat del model permet analitzar distints percentils i grups de població.El model biomecànic desenvolupat ha estat convenientment validat quant a la predicció de màximes forces d'agarrada i a l'estimació d'esforços musculars, la qual cosa permet assegurar la bondat de les aproximacions considerades durant el procés del seu desenvolupament d'acord amb els objectius perseguits.El model ha estat utilitzat amb una sèrie d'aplicacions senzilles orientades a investigar les seues possibilitats i limitacions. En particular el model pot utilitzar-se per estudiar l'espai disponible d'agarrada per a distints grups de població, per estimar màximes forces d'agarrada, pot ajudar a triar la forma d'agarrada més idònia i per tant a definir la forma i zona d'agarrada, permet comparar la qualitat de dos dissenys distints, i pot emprar-se per generar noves recomanacions de disseny.Així mateix es presenta una classificació sistemàtica d'agarrades desenvolupada com pas previ a l'estudi i aplicació del model a l'agarrada d'eines manuals, així com una tècnica fotogramètrica desenvolupada per mesurar la postura sense entorpir el comportament normal dels subjectes en situacions reals d'ús de les eines.

El síndrome de la apnea/hipopnea del sueño (SAHS) es una enfermedad caracterizada por el colapso repetitivo de forma parcial o total de la vía aérea superior (VAS). Numerosos autores han sugerido que los daños observados en la VAS de pacientes con SAHS podrían ser provocados por el estrés mecánico provocado por fenómenos como el ronquido y los eventos apneicos. Concretamente estos estímulos mecánicos asociados al SAHS son vibración (ronquido) y presión intraluminal negativa decreciente con colapso y reapertura (eventos apneicos). Por otro lado, durante el tratamiento con CPAP, la pared nasal está sometida a una compresión que podría explicar el agravamiento y aparición de los síntomas nasales experimentados por estos pacientes.El objetivo del primer estudio es determinar si el estímulo mecánico vibratorio asociado al ronquido induce inflamación en la VAS en un modelo en rata in vivo. La VAS de 12 ratas se canuló a nivel traqueal y se sometió a vibración (60 Hz; ± 10 cmH2O) durante 3 h con un patrón temporal consistente en 1 s de vibración seguido de 3 s sin vibración. Una segunda canulación, dirigida hacia los pulmones, permitió al animal respirar espontáneamente durante todo el experimento. En un grupo control (n=12) los animales se instrumentaron del mismo modo con la única diferencia de que no se aplicó vibración a la VAS. Mediante PCR en tiempo real, se observó un incremento significativo en la expresión de ambos mediadores proinflamatorios tras la aplicación de vibración: TNF-alpha: 6.01 veces (p = 0.005) y MIP-2: 2.38 veces (p = 0.021) respecto al grupo control. La aplicación durante 3 h de un estímulo mecánico vibratorio con las características típicas del ronquido es capaz de inducir un proceso local proinflamatorio en la VAS.Los objetivos del segundo estudio son, desarrollar un modelo en rata que permita la aplicación intratraqueal de presión negativa intermitente capaz de inducir el colapso y reapertura de la VAS y determinar si el estímulo mecánico induce inflamación local en la VAS. La VAS de 14 ratas fue sometida a un patrón temporal de 1 s de presión negativa inspiratoria seguida de 2 s de presión positiva espiratoria durante 5 h. En un grupo control de 14 ratas, los animales fueron instrumentados similarmente pero no se aplicó estímulo mecánico. El modelo desarrollado consiguió simular el estímulo de colapso y reapertura que ocurre en la VAS de pacientes con apnea obstructiva del sueño. Después de 5 h de estímulo, mediante PCR en tiempo real se observó un incremento de expresión génica de los marcadores inflamatorios MIP-2, TNF-alpha, IL-1 y P-selectina (~ 40, 24, 47 y 7 veces, respectivamente) respecto al grupo control. Incrementos similares se observaron en la expresión génica del tejido de paladar blando. Estos resultados podrían explicar la inflamación observada en la VAS de los pacientes con apnea obstructiva del sueño.El objetivo del tercer estudio fue demostrar si la aplicación no invasiva de CPAP nasal es un estímulo mecánico suficiente para inducir una respuesta inflamatoria local. 32 ratas macho de la cepa Sprague-Dawley (250-300 g) distribuidas en 4 grupos fueron sometidas a CPAP nasal (10 cmH2O) y control durante 3 h y 5 h. Tras la aplicación de CPAP nasal durante 5 h se observó un incremento (p=0.006) en el porcentaje de neutrófilos presente en la mucosa nasal (3.51 %) respecto al grupo control (1.12 %). Por otro lado, mediante PCR en tiempo real se observó un incremento de los mediadores inflamatorios MIP-2 (2.28 veces; p=0.034) tras 3h de aplicación de CPAP nasal respecto al grupo control y 5.56 veces; p=0.002) tras 5h. La inflamación generada tras la aplicación de CPAP nasal podría explicar la aparición y/o agravamiento de los síntomas riníticos observados en los pacientes tratados con esta técnica terapéutica.

La creixent incidència de fractures per estrès, en concret de tíbia, demostra la manca d'informació de la fisiopatologia i la biomecànica de les lesions per microtraumatismes en l'os. Aquestes lesions es deuen a l'aplicació repetitiva de càrregues relativament petites durant molts cicles, o sigui un mecanisme clar de fatiga.Quan la magnitud de la càrrega i la freqüència del microtraumatisme és més gran que la seva resistència òssia, s'inicia un augment de remodelació, i això provocarà la fractura per estrès. Per comprovar el comportament de l'os, respecta a unes forces determinades, de compressió, tracció rotació, etc. hem optat per confeccionar un model amb elements finits.La hipòtesi de treball consisteix a valorar si un determinat gruix de cortical de la diàfisis de la tíbia és indicatiu de possibilitat de patir una fractura per estrès en aquest os.Per aconseguir un model sòlid s'han processat les imatges obtingudes escanejant la tíbia i el fèmur d'un esportista representatiu, s'han tractat les imatges amb un programa que ens ha permès l'obtenció del contorn dels ossos i la separació de les zones cortical i esponjosa.S'ha quantificats els angles articulars en les 3 fases de recolzament de la cursa, fase d'impacte retropeu, fase de contacte avantpeu i fase d'impulsió.S'ha valorat les propietats de l'os cortical i de l'os esponjós.També s'han estudiat forces de reacció del terra i la força muscularS'han aplicat les forces, segons els angles articulars en les 3 fases de la cursa i s'ha observat la resistència del material de l'os. S'han considerat dues condicions especials la cursa en pujades i l'augment de la pronació del turmell.També s'ha considerat el risc de fractura tenint en compte, estats de tensions de tracció, sense microtraumatisme previ de l'os, amb microtraumatisme previ de l'os i compressió amb microtraumatisme preexistent..Amb unes conclusions sobre la hipòtesi de treball que el gruix de la cortical de la tíbia és determinant en el nivell de tensió que es desenvolupa en totes les fases de la cursa. Per el que podem afirmar que el guix de la cortical de la tíbia, per la seva geometria, és una variable molt important per a la producció de la fractura per estrès. S'ha demostrat la importància de la força muscular per disminuir les tensions que actuen sobre l'os.Les zones de màxim esforç de tracció/compressió es desenvolupen durant l'etapa de contacte avant-peu.Quan s'inicia una fissura a l'os es pot fer servir la llei de Paris de propagació de l'esquerda per fer una previsió de vida a fatiga de la tíbia. / Title of the doctoral thesis: BIOMECHANICAL ANALYSIS WITH FINITE ELEMENTS OF STRESS FRACTURES OF THE TIBIA IN SPORTSPEOPLE The growing appearance of stress fractures, specifically of the tibia, shows the lack of information on the physiopathology and biomechanics of injuries due to micro-traumatisms in the bones. These injuries are caused by the repeated application of relatively small loads during various cycles, thus a clear mechanism of fatigue.When the magnitude of the load and the frequency of the micro-traumatism grow bigger than the bone resistance, an increased bone remodeling is initiated, which may provoke a stress fracture.In order to check on the bone behavior with regard to some determined forces of compression, traction, rotation, etc., we decided to design a model with finite elements.Our working hypothesis consisted in assessing if a determined cortical thickness of the tibial diaphysis indicates the possibility of suffering a stress fracture in this bone.To achieve a reliable model, the images obtained by scanning the tibia and femur of a representative sportsman were processed, editing them with a program, which gave us the outline of the bones as well as the separation of the cortical and trabecular bone.The articular angles were assessed in the three phases of support phase while running: the stage of back foot contact, midstance, and the stage of giving impulse.The characteristics of the cortical bone and the soft-tissue bone were also assessed.At the same time, we looked at the reaction force of the ground and the muscular force.When applying the forces according to the articular angles of the three phases of running, we were able to observe the resistance of the bone material.Two special conditions were taken into consideration: running up slopes and the increase in the ankle pronation.The fracture risc was also taken into account, bearing in mind states of traction tension with and without previous micro-traumatism of the bone, and compression with a pre-existing micro-traumatism.And so is the importance of the muscular force to reduce the forces acting on the bone.In conclusion to the hypothesis of the study, we can say that the cortical thickness of the tibia is a deciding factor in the tension level developed in all the stages of the running process. We can confirm that due to its geometry, the cortical thickness of the tibia is a very important variable for the occurrence of stress fracture, could be observed the importance of the muscular force to reduce the tensions acting on the bone.The zones of maximum traction/compression effort develop during the stage of front foot contact. At the early stage of a bone fissure, Paris' Law for crack propagation can be applied to make a prediction of the duration of the tibia fatigue.

Con esta tesis se pretende aplicar la teoría de los sistemas dinámicos a la optimización del entrenamiento deportivo. Para ello, se divide la investigación en una parte teórica y en una parte empírica.En la primera, se exponen los conceptos y herramientas de los sistemas dinámicos aplicables al estudio del entrenamiento deportivo y se demuestra su utilidad. A su vez, se identifican los principios generales que gobiernan la formación de patrones coordinativos en los sistemas biológicos complejos y se muestra como estos patrones también aparecen durante la ejecución de acciones motrices. Finalmente, y a partir de los resultados de investigaciones de varias áreas relacionadas con el aprendizaje motor, la fisiología y la biomecánica, se sugieren diversas modificaciones de la teoría clásica del entrenamiento deportivo.Por otro lado, en la parte empírica, se incluyen dos estudios sobre el tema. En primer lugar, se compara la eficacia de un método de entrenamiento surgido de la aplicación de la teoría de los sistemas dinámicos al entrenamiento deportivo, el entrenamiento diferencial, con un método tradicional para mejorar la fuerza aplicada a la gimnasia aeróbica del tren superior y del tren inferior. Para ello se utilizan dos herramientas de análisis, el PerPot Metamodel y las correlaciones cruzadas, y dos formas de cuantificar la carga, una basada en el volumen y la intensidad y otra basada en el número de variaciones de la carga. Se concluye que el entrenamiento diferencial parece ser más eficaz para mejorar la ejecución de elementos de dificultad de la gimnasia aeróbica que el entrenamiento tradicional basado en repeticiones, pero que el número de variaciones propuesto es excesivo y que probablemente se hubieran obtenido resultados similares combinando los dos métodos de entrenamiento en todos los periodos. También se observa que los resultados difieren en función de la forma de cuantificar la carga y en función de la herramienta de análisis utilizada. Finalmente, se concluye que se requiere una variable de estudio que tenga en cuenta la dinámica global y no lineal del comportamiento del sistema y que sea capaz de valorar el estado de aprendizaje y de estabilidad durante la ejecución de acciones motrices, concretamente de saltos deportivos. A raíz de esta última conclusión, se lleva a cabo el segundo estudio, el objetivo del cual es demostrar la organización dinámica y no lineal del individuo mientras realiza saltos deportivos e identificar una variable cuantificable capaz de valorar la evolución global del aprendizaje de dicho tipo de acciones. Se estudian así las series temporales de la aplicación de la fuerza sobre una plataforma de fuerzas durante el tiempo de contacto previo al salto cuando se realizan saltos verticales para los que el sujeto se impulsa desde diferentes alturas y distancias. Se observa que el incremento de la dificultad de un salto provoca un aumento en el número y/o amplitud de las fluctuaciones que se producen especialmente en el primer tercio de las series temporales de los tres componentes de la fuerza (Fx, Fy y Fz). Este incremento de las fluctuaciones es una señal de la no-linealidad del comportamiento del sistema y muestra que el organismo se autoorganiza como cualquier otro sistema dinámico mientras ejecuta acciones motrices deportivas. Para finalizar se concluye que la medida y cuantificación de las fluctuaciones de la aplicación de la fuerza se presenta como una variable de estudio que nos puede dar información cualitativa sobre la ejecución de saltos deportivos. / This thesis is divided in an empirical part and in a theoretical part. The first explains Dynamic Systems tools and concepts to be applied to the study of Sport training. The principles that govern the coordinative patterns of complex systems and the execution of motor actions are also identified. Finally, it is suggested different proposals to improve the classical training theory.In the empirical part we include two studies. First of all, the traditional approach of sport training based on repetitions is compared with ddifferential training, that is considered to be training in which an attempt is made to learn from differences, applying it to the improvement of difficulty elements in aerobic gymnastics. With this aim, the interaction between load and performance is analyzed using a non-linear metamodel and cross correlations, and load is quantified in two different ways (expressed quantitatively through volume and intensity and qualitatively through the number of varied exercises). This study suggests that differential training seems to lead to a greater increase in performance than traditional training, but the same results could be achieved by reducing the number of varied exercises or combining both approaches. It is also suggested that it is necessary to find a new variable to study the learning state and the stability of the system during the execution of motor actions.Because of this last conclusion, the aim of the second study will be to show the dynamic organization of the subject during jumping and identify a variable that can quantify the global evolution of the athletes during the learning process. We investigate the time series obtained from a set of jumps onto a force platform from varying distances and heights. This study suggests that the beginning of the contact phase in jumping is characterized by a high variability in the time series of the application of the force, increasing the difficulty of the task in jumping reduces the distance to the transition zone between two attractors and produces an increase in the fluctuations of the time series of the force, and the organism self-organizes as a dynamical system performing sport tasks.

La present tesi investiga l'ús de la modelització amb elements finits per a l'estudi de la biomecànica lumbar per a l'avaluació clínica. Els estudis bibliogràfics del capítol 1 mostren relacions funcionals clares entre les forces externes i les estructures i formes del teixit lumbar. Els estudis clínics demostraren que independentment del seu origen, el dolor lumbar pot veure's empitjorat per sobrecàrregues dels teixits. Les mesures experimentals són insuficients per descriure la distribució de càrrega entre els diferents teixits lumbars, és així que s'han utilitzat models d'elements finits. No obstant, la fiabilitat dels models a l'hora de predir les càrregues locals en els teixits no ha estat demostrada, essent aquest un dels objectes d'estudi.En el Capítol 2 s'elaborà un model bisegment de la columna lumbar. El model inicial es completà incloent el còrtex vertebral, una definició complerta de les juntes sinovials, les plaques terminals de cartílag i una descripció millorada de l'estructura de l'anell. Es van simular càrregues simplificades per als estudis in vitro per calcular les distribucions de tensions, deformacions i energia. El model bisegment és vàlid per interpretar les distribucions de càrrega funcionals a L3-L5 en el cas d'estructures conegudes de teixit, però el conjunt de la geometria L3-L5 necessitava ser millorat.Així al Capítol 3 es creà un model geomètric bisegment precís de L3-L5. El nou model incloïa les corregides: dimensions i formes, alçades de disc, localitzacions del nucli, formes posteriors de l'os, i distribució dels lligaments. Després de comparar a nivell biomecànic l'antiga geometria amb la nova, els resultats mostraren que els rols relatius dels teixits modelats depenen de la geometria. En general, les distribucions de càrrega predites eren més fisiològiques en el nou model. En canvi, ambdós models, reprodueixen rangs experimentals de moviment, així doncs la seva validació hauria de tenir en compte les transferències de càrrega locals.El Capítol 4 es centra en la variabilitat dels angles creuats del col·lagen de l'anell. Es crearen quatre models bisegment amb organitzacions d'anell fibrós basats en la bibliografia comparant-se sota diverses càrregues. A més es proposà un paràmetre d'estabilització de l'anell per analogia a un tub de parets gruixudes. La biomecànica del model depenia en gran mesura de l'organització de l'anell fibrós, però el paràmetre d'estabilització era soviet contradictori amb les tensions i forces predites. Així, s'assumí que la geometria de la columna i l'organització de l'anell fibrós estaven lligades. Les xarxes d'anell de col·lagen adaptades es poden determinar numèricament, però els models d'anell haurien d'estar bastats en relacions mecanobiològiques.Al Capítol 5 es presenta un model de disc artificial acoblat amb el model de L3-L5. Models bisegment amb i sense implant van ser comparats amb càrregues controlades per força o desplaçament, incloent o no l'aproximació del pes del cos. La rigidesa de la pròtesi alterava generalment les distribucions de càrrega i les rotacions controlades per desplaçament conduint a grans efectes adjacents. Incloent el pes del cos les condicions de contorn semblaven més fisòlogiques que sense. Malgrat la rigidesa del nou disc, aquest sembla més prometedor que altres dispositius comercials.En aquesta tesi s'han creat sis models nous elements finits de la columna lumbar osteoligamentosa. Les simulacions han mostrat que l'ús fiable dels models requereix d'una descripció precisa de les càrregues locals i respostes mecàniques de teixits. Les prediccions locals van estar limitades qualitativament degudes al desconeixement de les estructures de teixit tou, equacions constitutives i condicions de contorn. En canvi, els models poden ser emprats com a laboratoris in silico per superar aquestes limitacions. Basat en la informació numèrica i experimental, s'ha proposat un procediment jeràrquic per al desenvolupament qualitativament fiable de models elements finits de la columna lumbar. / This PhD thesis investigated the use of finite element modelling to study lumbar spine biomechanics for clinical assessment. Bibliographic studies reported in the first Chapter showed clear functional relations between external forces and lumbar spine tissue structures and shapes. Clinical research revealed that independently of its origin, low back pain may be worsened by altered tissue mechanical environments. Experimental measurements alone cannot truly describe the load distributions between the different lumbar spine tissues. Thus, finite element models have been used in the past. But model reliability in predicting local tissue loadings is still not manifest and has been explored in this thesis as described in the following chapters.In Chapter 2, a L3-L5 lumbar spine bi-segment model was built. An initial model was completed to include the vertebral cortex, a full definition of the facet joints, the cartilage endplates, and an improved description of the annulus fibre-reinforced structure. Simplified load-cases used for in vitro studies were simulated to calculate stress and strain energy distributions. Predictions within the L3-L5 lumbar spine bi-segment model could be interpreted in terms of functional load distributions related to known tissue structures, but the overall L3-L5 bisegment model geometry needed further update.Thus, in Chapter 3, a geometrically accurate L3-L5 lumbar spine bi-segment model was created. The new model included corrected L3 and L5 body shapes and dimensions, corrected disc heights and nucleus placements, corrected posterior bone shapes, dimensions, and orientations, and corrected ligament distributions. The new and old geometries were biomechanically compared. Results showed that the relative roles of modelled tissues greatly depend on the geometry. Predicted load distributions were generally more physiological in the new model. However, new and old models could both reproduce experimental ranges of motion, meaning that their validation should take into account local load transfers.Chapter 4 focuses on the variability of the annulus collagen criss-cross angles. Four bi-segment models with literature-based annulus fibre organizations were created and compared under diverse loads. Moreover, an annulus stabilization parameter was proposed by analogy to a thick walled pipe. Model biomechanics greatly depended on the annulus fibre organization, but annulus stabilization parameter was often contradictory with the predicted stresses and strains. Spine geometry and annulus fibrous organization were hypothesized to be linked together. Adapted annulus collagen networks may be numerically determined, but annulus modelling should be based on mechano-biological relationships.In Chapter 5, a case-study of a novel artificial disc design coupled with the L3-L5 lumbar spine model is presented. Bi-segment models with and without implant were compared under load- or displacement-controlled rotations, with or without body-weight like load. Prosthesis stiffness generally altered the load distributions and displacement-controlled rotations led to strong adjacent level effects. Including body weight-like loads seemed to give more realistic results. Although the novel disc substitute is too stiff, it is more promising than other existing commercial devices.In this thesis, six new osteoligamentous lumbar spine bi-segment finite element models were created. Simulations showed that reliable use of lumbar spine finite element models requires precise descriptions of local tissue loading and response. Local predictions were qualitatively mainly limited by a lack of knowledge about soft tissue structural organisations, constitutive equations, and boundary conditions. However, models can be used as in silico laboratories to overcome such limitations. A hierarchical procedure for the development of qualitatively reliable lumbar spine finite element models was proposed based on available numerical and experimental inputs.

L'avaluació del coneixement dels alumnes universitaris en condicions de massificació té dos requisits: mesurar realment el que l'alumne sap, i fer-ho amb una eina que permeti una correcció ràpida. Els instruments que són capaços de recollir l'aprenentatge significatiu (entrevista personal, examen oral, carpetes de treballs,.) requereixen molta dedicació. Els que tenen una correcció ràpida utilitzant medis informàtics (proves objectives), no mesuren exactament el que l'alumne ha après de forma significativa. En aquest entorn, els mapes conceptuals, en ser una representació de l'estructura cognitiva de l'alumne, han demostrat la seva validesa i fiabilitat per a mesurar el que l'alumne sap. Tot i així, la seva aplicació en l'entorn universitari massificat no assoleix els dos requisits esmentats, amb la dificultat afegida de la necessitat de que l'alumne conegui la metodologia de creació de mapes. Aquest treball proposa una metodologia de creació de mapes, adaptada a profans, que permeti la creació d'un mapa lliure independentment del coneixement de la tècnica que tingui l'alumne. Aquests mapes es valoren de forma Holística (considerant la informació presentada sense parar atenció als detalls). Amb 16 alumnes de Biomecànica de segon curs de Fisioteràpia, es realitzen tres intervencions separades por 21 i 135 dies, en les que es pregunta sobre dos temes de coneixements específics de la assignatura i dos de coneixements generales (on es considera resident aquest coneixement). La persistència de las notes Holístiques entre las intervencions indica la validesa i fiabilitat de la metodologia i la seva puntuació. Alternativament, a partir de les dades de la Nota Holística, es calcula una Nota Pronosticada com una combinació lineal de dos paràmetres del mapa (enllaços vàlids i valoració de la jerarquia). D'aquesta expressió s'infereix per lògica una fórmula simplificada similar: la Nota Simplificada, que s'independitza de les dades de l'estudi i li confereix objectivitat. Ambdues notes (Pronosticada i Simplificada) presenten una persistència entre intervencions que dóna validesa i fiabilitat a les mateixes per a mesurar l'aprenentatge significatiu. L'elevada concordança, en condicions altament restrictives, i la correlació altament significativa d'aquestes notes amb la Holística permet la seva substitució. Resulta un instrument d'avaluació del aprenentatge significatiu de l'alumne, independentment del seu nivell de coneixement del mapes, que permet una valoració ràpida i objectiva aplicable a un entorn massificat. / La evaluación del conocimiento de los alumnos universitarios en condiciones de masificación tiene dos requisitos: medir realmente lo que el alumno sabe, y hacerlo con una herramienta que permita una corrección rápida. Los instrumentos que son capaces de recoger el aprendizaje significativo (entrevista personal, examen oral, carpetas de trabajos,.) requieren mucha dedicación. Los que tienen una corrección rápida utilizando medios informáticos (pruebas objetivas), no miden exactamente lo que el alumno ha aprendido de forma significativa. En este entorno, los mapas conceptuales, al ser una representación de la estructura cognitiva del alumno, han demostrado su validez y fiabilidad para medir lo que el alumno sabe. No obstante, su aplicación en el entorno universitario masificado no cumple los dos requisitos mencionados, con la dificultad añadida de la necesidad de que el alumno conozca la metodología de creación de mapas. Este trabajo propone una metodología de creación de mapas, adaptada a profanos, que permite la creación de un mapa libre independientemente del conocimiento de la técnica que tenga el alumno. Estos mapas se valoran de forma Holística (valorando la información presentada sin atender a los detalles). Con 16 alumnos de Biomecánica de segundo curso de Fisioterapia, se realizan tres intervenciones separadas por 21 y 135 días, en las que se pregunta sobre dos temas de conocimientos específicos de la asignatura y dos de conocimientos generales (cuyo conocimiento se considera residente). La persistencia de las notas Holísticas entre las intervenciones indica la validez y fiabilidad de la metodología y su puntuación. Alternativamente, a partir de los datos de la Nota Holística, se computa una Nota Pronosticada como una combinación lineal de dos parámetros del mapa (enlaces válidos y valoración de la jerarquía). De esta expresión se infiere por lógica una fórmula simplificada similar: la Nota Simplificada que se independiza de los datos del estudio y le confiere objetividad. Tanto la Nota Pronosticada como la Simplificada presentan una persistencia entre intervenciones que da validez y fiabilidad a las mismas para medir el aprendizaje significativo. La alta concordancia, en condiciones altamente restrictivas, y la correlación altamente significativa de estas notas con la Holística permite su sustitución. Resulta un instrumento de evaluación del aprendizaje significativo del alumno, independiente de su nivel de conocimiento de los mapas, que permite una valoración rápida y objetiva aplicable a un entorno masificado. / The assessment of the knowledge of university students in overcrowding conditions has two requirements: really evaluate what students know, and do so with a tool that allows fast correction. The instruments that are able of assess meaningful learning (personal interview, oral examination, job folders, ...) require a lot of dedication. Those with a computer based rapid correction (multiple choice tests), do not evaluate exactly what the student has learned in a meaningful way. In this environment, concept maps, to be a representation of the student's cognitive structure, have demonstrated its validity and reliability to assess what students know. However, its application in the crowded university environment does not meet the above two requirements, with the added difficulty of the need for the student to know the methodology involved in creating maps. This paper proposes a methodology for creating maps, aimed at those without prior knowledge, which allows the creation of a free map regardless of the knowledge of the technique that the student has. These maps are valued by Holistic marks (evaluating the whole information presented without regard to details). Sixteen students in Biomechanics in the second year of Physiotherapy attended this study. Three academic proceedings, at intervals of 21 and then 135 days, asked volunteers about two topics of special knowledge of the subject and two of general knowledge (the former considered as resident). The persistence of Holistic marks between interventions indicates the validity and reliability of the methodology and its punctuation. Alternatively, from the data of the Holistic Mark, a predicted one is computed as a linear combination of two parameters of the map (valid links and assessment of the hierarchy). From this expression, a simplified formula is inferred by logical process. This Simplified Mark becomes independent of survey data and gives it objectivity. Both the Predicted and the Simplified Marks show persistence between proceedings that give validity and reliability to the assessment of meaningful learning. The high agreement, in highly restrictive conditions, and the highly significant correlation of these marks with Holistic ones allows its replacement. It becomes a tool to assess meaningful learning of students, regardless of their level of knowledge of concept maps, which allows a speedy and objective assessment applicable to a crowded environment.