In cardiac biomechanics, people have been developing a complete model of the patient-specific heart. A finite element bi-ventricular model involves several critical steps. First is the acquisition of patient-specific heart geometry. Second is the definition of material model and its constitutive parameters which is suitable to model the behavior of heart muscle. Third is the integration of fiber orientation of myocardium into the bi-ventricular model. The first objective of this study is to investigate some significant aspects in ventricular biomechanics using a simple model of prolate spheroidal left ventricle (LV). These critical aspects include the geometry of LV, the material model, constitutive parameters and fiber orientations. Results of this simplified model are useful in developing a patient-specific model. For example, parametric study of hyper-elastic material is instructive in determining constitutive parameters of myocardium in a patient-specific model. The second objective of this study is to develop a workflow of building a patient-specific bi-ventricular model. It involves working with experimental data like CT images, DTMRI data and so on. A user defined Fung material model is also reviewed in detail. Two methods of assigning fiber orientation are discussed. Finally, the report points out the future work needed to get a valid patient-specific model which can be useful in research and clinical case. / text

A cerebral aneurysm (CA) is an abnormal distension of the wall of an artery in the brain, which results from arterial wall weakening. CAs are poorly understood, but are believed to be the result of a combination of biological and life-style factors. The low incidence of rupture coupled with risks of interventional treatments provide motivation for identifying and treating only those aneurysms at risk of rupture. Computational models of aneurysm evolution may provide great insight into CA disease mechanisms, and guide clinical decision-making. It is well known that vascular cells sense mechanical forces exerted by bloodflow (i.e. haemodynamic forces), which are translated into a myriad of intra- and inter-cellular responses. In this thesis, hypotheses on the role of the patient-specific haemodynamic environment on the evolution of CAs is examined. Arterial geometries are obtained from images of patient-specific vasculature, and the physiological aneurysm is virtually removed and replaced by a novel, fluid-solid-growth (FSG) model. The model incorporates a constitutive model for the artery, growth and remodelling (G&R) hypotheses for arterial wall constituents, and links between G&R and the haemodynamic environment, which is simulated utilising computational fluid dynamics. It is observed that coupling G&R to the patient-specific haemodynamic environment profoundly impacts the shape and size of the evolving aneurysm geometry; in some cases, the model aneurysm is qualitatively similar to the corresponding physiological aneurysm. This provides tentative support for the hypotheses on haemodynamics-induced G&R investigated here, and motivates the need for improved understanding of arterial adaptation to physiological conditions. This will facilitate the improvement and validation of the model, and may ultimately lead to predictive models with clinical application on a patient-specific basis.

No description available.

[EN] Chronic pain disease has 35-50% of prevalence worldwide. When drugs stop working, spinal cord stimulation (SCS) therapy is a non-drug alternative treatment for several conditions of chronic pain, such as neuropathic pain. In the last 40 years, SCS computational modeling has been the key tool to analyze and understand the effect of the stimulation parameters on neural response. However, the lack of realistic models limits the model-based predictions accuracy for SCS therapy optimization concerning the stimulation parameters management and the development of clinical applications. This thesis presents three improvements in SCS modeling from cellular to organic levels: · Cellular level: a human A -beta sensory myelinated nerve fiber model is shown. The model simulates the action potential creation and propagation of human sensory fibers produced by electrical stimulation. Moreover, to consider the current losses produced at the internodal compartments, a realistic myelin model is included. · Organic level: two spinal cord volume conductor models are presented. The first one is a generalized SCS model, which is based on in vivo 3T high-resolution magnetic resonance images from the human spinal cord, solving then one of the main limitations of previous SCS models, which is the inclusion of cadaveric measurements. The second one is a 3D patient-specific SCS model, which includes the entire spinal cord geometry variation of three different vertebral levels (T8, T9, and T10) from patients undergoing SCS treatment. This novel approach is validated clinically, showing that patient-specific modeling improves model-based predictions accuracy compared to generalized SCS models. In addition to this, this thesis presents three studies related to SCS therapy by using the three computational models developed previously: - Role of stimulation frequency: it is performed using the human A-beta sensory myelinated nerve fiber model. The outcome of this study showed that frequency could have a significant influence on the reduction or increase of the neuron activity, participating thus in the selection of the targeted neural elements in SCS therapy, in tonic stimulation. - Effect of electrode polarity: using the 3D generalized SCS model, the effect of the most used and known polarities (bipolar, guarded cathode, and dual-guarded cathode) is shown. The results showed that, unlike guarded cathode, dual-guarded cathode maximized the activating area and depth in dorsal columns, also increasing the probability of activating dorsal roots fibers. - Clinical applications: the pre-implantation selection of the electrode polarity was performed with the 3D patient-specific model. The findings showed that this clinical application could determine the electrode configurations that best overlapped paresthesia coverage to the painful dermatomes of the patient before the SCS device implant. On the other hand, the effect of offset electrodes was also investigated. In this case, the results revealed that staggered offset placement canceled the left- or right-activation displacement in the dorsal columns, suggesting that offset electrodes placement should be avoided in tonic stimulation. / [ES] El dolor crónico es una enfermedad que tiene una prevalencia de entre el 35% y el 50% de la población mundial. Cuando los fármacos dejan de hacer efecto, la terapia de estimulación de médula espinal (EME) es una alternativa no farmacológica que se usa para el tratamiento de diversas condiciones de dolor crónico, como el dolor neuropático. En los últimos 40 años, el modelado computacional de la EME ha sido la herramienta clave para analizar y entender el efecto de los parámetros de estimulación eléctrica en la respuesta neuronal. Sin embargo, la falta de modelos realistas limita la precisión de las predicciones de los modelos para la optimización de la terapia de EME, en referencia a la programación de los parámetros de estimulación y el desarrollo de aplicaciones clínicas. Esta tesis presenta tres mejoras en el modelado computacional de la terapia de EME, desde el nivel celular hasta el nivel orgánico: · Nivel celular: se presenta un modelo de fibra mielínica A-beta sensitiva humana. El modelo simula la creación y propagación del potencial de acción de fibras humanas sensitivas que se produce bajo el efecto de un estímulo eléctrico. Además, con el fin de considerar las pérdidas de corriente producidas en los compartimentos internodales, la mielina se modeliza de forma realista. · Nivel orgánico: se presentan dos modelos de conductor volumétrico de médula espinal. El primero se trata de un modelo de EME generalizado, el cual está basado en imágenes de resonancia magnética de 3T de alta resolución de médula espinal humana obtenidas in vivo. Esta propuesta resuelve una de las principales limitaciones presente en modelos de EME anteriores, que es la inclusión de medidas geométricas obtenidas de cadáveres. El segundo modelo es un modelo tridimensional personalizado al paciente, el cual incluye la variación de la geometría de la médula espinal en tres niveles vertebrales diferentes (T8, T9 y T10) a partir de pacientes sometidos al tratamiento de EME. Esta novedosa propuesta es validada clínicamente, mostrando además que el modelado computacional personalizado mejora la precisión de las predicciones del modelo en comparación a un modelo generalizado. Además, esta tesis presenta tres estudios relacionados con la terapia de EME usando los tres modelos desarrollados previamente: - El papel de la frecuencia de estimulación: se realiza mediante el uso del modelo de fibra mielínica A -beta sensitiva humana. Los resultados de este estudio muestran que la frecuencia podría tener una influencia significante en la reducción o aumento de la actividad de la neurona, participando de este modo en la selección de los elementos neurales objetivo en la terapia de EME, en estimulación tónica. - Efecto de la polaridad del electrodo: usando el modelo 3D generalizado de EME, se muestra el efecto de las polaridades más conocidas y usadas: bipolar, cátodo guardado y doble-cátodo guardado. Los resultados muestran que, a diferencia del cátodo guardado, la polaridad de doble-cátodo guardado maximiza el área y profundidad de activación en los cordones posteriores, aumentando también la probabilidad de activar las fibras de las raíces dorsales. - Aplicaciones clínicas: usando el modelo 3D personalizado al paciente, se ha realizado la selección pre-implante de la polaridad del electrodo. Los resultados muestran que esta aplicación clínica podría determinar las configuraciones de electrodos que mejor solapan la cobertura de parestesia con los dermatomas dolorosos del paciente antes del implante del dispositivo de EME. Por otro lado, también se ha estudiado el efecto de la posición escalonada de los electrodos en el paciente. En este caso, los resultados revelan que el posicionamiento escalonado cancela el desplazamiento izquierdo o derecho de la activación neuronal en los cordones posteriores, sugiriendo así que el posicionamiento escalonado debería evitarse cuando se aplica la estimu / [CAT] El dolor crònic es una enfermetat amb una prevalència d'entre el 35% i el 50% de la població mundial. Quan els fàrmacs deixen de fer efecte, la teràpia d'estimulació de mèdul·la espinal (EME) és una alternativa no farmacològica que s'usa per al tractament de diverses condicions de dolor crònic, com el dolor neuropàtic. En els últims 40 anys, el modelatge computacional de l'EME ha sigut la ferramenta clau per a analitzar i entendre l'efecte dels paràmetres d'estimulació elèctrica en la resposta neuronal. No obstant això, la falta de models realistes limita la precisió de les prediccions dels models per a l'optimizació de la teràpia d'EME, en referència a la programació dels paràmetres d'estimulació i el desenvolupament d'aplicacions clíniques. Esta tesi presenta tres millores en el modelatge computacional de la teràpia d'EME, des del nivell cel·lular fins al nivell orgànic: · Nivell cel·lular: es presenta un model de fibra mielínica A-beta sensitiva humana. El model simula la creació i propagació del potencial d'acció de fibres humanes sensitives que es produeix baix l'efecte d'un estímul elèctric. A més a més, amb la finalitat de considerar les pèrdues de corrent produïdes als compartiments internodals, la mielina es modela de forma realista. · Nivell orgànic: es presenten dos models de conductor volumètric de mèdul·la espinal. El primer es tracta d'un model d'EME generalitzat, el qual es basa en imatges de ressonància magnètica de 3T d'alta resolució de mèdul·la espinal humana obtingudes in vivo. Esta proposta resol una de les principals limitacions present en models d'EME anteriors, que és la inclusió de mesures geomètriques obtingudes de cadàvers. El segon model és un model tridimensional personalitzat al pacient, el qual inclou la variació de la geometria de la mèdul·la espinal en tres nivells vertebrals diferentes (T8, T9 i T10) a partir de pacients sotmesos al tractament d'EME. Aquesta innovadora proposta és validada clínicament, demostrant també que el modelatge computacional personalitzat millora la precisió de les prediccions del model en comparació a un model generalitzat. A més, esta tesi presenta tres estudis relacionats amb la teràpia d'EME utilitzant els tres models desenvolupats prèviament: - El paper de la freqüència d'estimulació: es realitza mitjançant l'ús del model de fibra mielínica A-beta sensitiva humana. Els resultats d'este estudi mostren que la freqüència podria tindre una influència significant en la reducció o augment de l'activitat de la neurona, participant així en la selecció dels elements neurals objectiu en la teràpia d'EME, en estimulació tònica. - Efecte de la polaritat de l'elèctrode: usant el model 3D generalitzat d'EME, es mostra l'efecte de les polaritats més conegudes i utilitzades: bipolar, càtode guardat i doble-càtode guardat. Els resultats mostren que, a diferència del càtode guardat, la polaritat de doble-càtode guardat maximitza l'àrea i profunditat d'activació en els cordons posteriors, augmentant també la probabilitat d'activar les fibres de les arrels dorsals. - Aplicacions clíniques: usant el model 3D personalitzat al pacient, s'ha realitzat la selecció pre-implant de la polaritat de l'elèctrode. Els resultats mostren que esta aplicació clínica podria determinar les configuracions d'elèctrodes que millor solapen la cobertura de parestèsia amb els dermatomes dolorosos del pacient abans de l'implant del dispositiu d'EME. D'altra banda, també s'ha estudiat l'efecte de la posició esglaonada dels elèctrodes en el pacient. En este cas, els resultats revelen que el posicionament esglaonat cancel·la el desplaçament esquerre o dret de l'activació neuronal en els cordons posteriors, sugerint així que el posicionament esglaonat deuria evitar-se quan s'aplica l'estimulació tònica. / Solanes Galbis, C. (2021). Patient-specific computational modeling for spinal cord stimulation therapy optimization [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/176007 / TESIS

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / O tratamento endodôntico associado à restauração direta com resina composta tem sido utilizado para restaurar molares severamente destruídos em pacientes jovens. O objetivo deste estudo foi avaliar o efeito de diferentes níveis de perda de estrutura dentária antes e após a realização de tratamento endodôntico e restauração com resina composta bulk fill na distribuição de tensões e magnitude da força de mordida. Foram selecionados três pacientes jovens (9, 10 and 12 anos de idade) com primeiros molares com cárie extensa e envolvimento pulpar com diferentes níveis de perdas de estrutura dentária: PI, manutenção das duas cristas marginais e de todas as cúspides; PII, manutenção de pelo menos uma crista marginal e perda mínima de uma cúspide; e PIII, perda de ambas as cristas marginais, mantendo apenas as cúspides vestibulares. Os molares foram tratados endodonticamente utilizando técnica de instrumentação rotatória e obturados com guta-percha e cimento AHPlus (Dentsply) e em seguida foram restaurados com Filtek Bulk Fill Posterior (3M ESPE). A força de mordida em Newtons (N) foi mensurada antes e após a intervenção endodôntica e restauradora na posição habitual de oclusal usando aparelho de força de mordida por meio de uma célula de carga (Kratos). Tomografias computadorizadas cone beam foram realizadas antes e após o procedimento endodôntico/restaurador, e arquivos DICOM (.dcm) foram exportados para o software Mimics, 3-Matic (Materialize) e Patran (MSC Software) para criação dos modelos específicos dos pacientes nos dois momentos experimentais. A aplicação de carga foi simulada por contato oclusal dos dentes antagonistas nas cargas mensuradas clinicamente em cada momento. Nos modelos que representam as condições iniciais foram aplicados tanto os valores de força de mordida (N) mensurados no momento inicial quanto após o procedimento reabilitador: PI. 30,1/136,6; PII. 34,3/133,4 e PIII. 47,9/124,1 e para os modelos que representam a condição final foram utilizados os valores obtidos após a intervenção endodôntica e restauradora: PI. 136,6; PII. 133,4 e PIII. 124,1. As restaurações foram avaliadas após 2 anos. Após intervenção endodôntica e restauradora a força de mordida aumentou em 260% (de 36,7±11,6 para 12 131,9±17,8). Antes da intervenção endodôntica e restauradora, as tensões se concentraram na estrutura coronal e, após a reabilitação foram transferidas de forma homogênea para a dentina radicular, independente do nível de perda de estrutura dentária. Quando a carga final foi aplicada nos modelos de condições iniciais, evidenciou-se elevada concentração de tensão em áreas enfraquecidas e na região de furca. As restaurações apresentaram desempenho adequado após 2 anos. A presença de cárie extensa com envolvimento pulpar afetou negativamente a carga de mordida e aumentou a concentração de tensão na estrutura frágil o que pode favorecer à ocorrência de fratura dental. O tratamento endodôntico associado à restauração direta em resina composta bulk fill demonstrou ser um método eficiente para restabelecer o desempenho mastigatório e a eficiência biomecânica dos molares jovens com comprometimento severo da estrutura coronária. / Endodontic treatment (ETT) followed by direct composite resin restoration has been used for rehabilitating the severely damage molar teeth in young patients. The aim of this study was to evaluate the effect of the molar teeth with different levels of the dental structure loss before and after the ETT and direct restoration with bulk fill resin composite on the stress distribution and the bite force magnitude. Three young patients (with 9, 10 and 12 years old), with the first mandibular molar teeth with deep occlusal caries with pulp involvement were selected attending with different levels of the dental structure loss: PI, both marginal ridge and all cusps; PII, maintenance of one marginal ridge and loss of one cusp; and PIII, loss of both marginal ridge, maintaining only buccal cusps. ETT was restored using Filtek Bulk Fill Posterior (3M ESPE). The bite forces in Newtons were measured initially and postoperatively for all teeth in habitual bite force using a miniload cell. Cone-beam tomography imaging was performed, and the Digital Imaging and Communication in Medice (.dcm) files were exported to Mimics, 3-Matic (Materialise) and Patran (MSC Software) software to create a patient-specific FEA models. Bite load was carry out using contact load applied by antagonist teeth in two moments: without ETT and restoration: PI. 30.1/136.6; PII. 34.3/133.4 and PIII. 47.9/124.1; and after restorative procedure: PI. 136.6; PII. 133.4 and PIII. 124.1 N. Performing ETT and bulk fill resin composite restoration the bite load increased 260% (36.7±11.6) to 131.9±17.8). The restorations were evaluated after 2 years. Before rehabilitation the stresses concentrated on weakened coronal dental structure and after rehabilitation they were homogeneously transferred to root dentin, irrespective of the level of the tooth structure loss. When the postoperatively bite load was applied on nontreated tooth models, high stress concentration on weakened areas was verified. The restorations performed perfectly after 2 years. The extensive caries with pulp involvement affected negatively the bite load and increased the stress concentration on weakened areas and at furcation favoring the tooth fracture. The ETT and bulk fill resin composite restoration showed to be an efficient method for rehabilitate the biomechanical performance of molar teeth of young patients severely compromised structurally. / Dissertação (Mestrado)