Màster Oficial - Enginyeria Biomèdica

URI permanent per a aquesta col·leccióhttps://hdl.handle.net/2445/5161

Projectes de fi d'estudis del Màster Oficial d'Enginyeria Biomèdica de la UB en col·laboració amb la Universitat Politècnica de Catalunya.

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Mostrant 1 - 12 de 12

Development of a Predictive Model for Crutch-Assisted Gait using Optimal Control Theory
(2025-01) Quintana Bistriceanu, Diana; Febrer Nafría, Míriam; Aranda, Joan
Crutches are an assistive device used all over the world, and have been around for thousands of years. However, not a lot of studies have been conducted in order to study the effects of its use from a biomechanical point of view. This project is focused on the development of a predictive model for crutch-assisted gait by using a predictive simulation based on an Optimal Control Problem (OCP). The generation of predictive simulations can be used as a tool to further understand how the musculoskeletal system works during crutch-assisted walking. The project is divided in two main objectives: determining if a muscle-driven predictive simulation is able to reliably predict crutch-assisted gait and studying the possibilities of reconstructing different gait patterns by tracking experimental ground reaction forces (GRFs) in the crutches. In order to develop this project, the simulation framework PredSim was used. This framework, which proved reliable for non-assisted walking prediction, is modified to incorporate the use of crutches, and the settings are explored in order to obtain accurate predictions of crutch-assisted gait patterns. The use of different models, capable of moving in 2 or 3 dimensions, was also studied. OpenSim was used all throughout the project for the visualization and analysis of the resulting motions. For the tracking of GRFs, the OCP formulation was modified to add a tracking term, and experimental measures of the orientation and the forces applied to the tip of instrumentalized crutches were used as reference (GRFs) and as a way of validating results (orientations). In general, the results from 2D simulations did not lead to consistent results and a good percentage of them were not natural motions. However, 3D simulations succeeded in predicting crutch-assisted gait patterns with relative consistency that coincide with some of the patterns defined by physiotherapists and physicians for crutches use. The number of trials is limited and some limitations were identified during the development of the project, reason why it is complicated to give definitive proof or draw definitive conclusions based on the work done. However, it was observed that prediction of crutch-assisted gait patterns was possible, despite all the limitations, using the PredSim simulation framework. It could also be observed that the OCP’s cost function did not need to be modified from the original version, meaning that the choosing of an optimal crutch-assisted gait follows the same rules as non-assisted walking. Regarding the second objective of the project, GRFs were accurately tracked. Regardless of that, probably due to limitations of the project, the resulting gait patterns did not reliably reenact the experimentally measured patterns. In general, further exploration of the simulations’ configuration should be done. However, this project is a valuable introductory exploration into predictive simulations for crutch-assisted gait
A new kinematic and dynamic model for clinical evaluation of the upper extremity motion during an activity of daily living in subjects with neurological disorders
(2011-11-10) Lobo Prat, Joan; Font Llagunes, Josep Maria; Angulo Barroso, Rosa Maria; Medina Casanovas, Josep
Injuries of the nervous system have a considerable impact on the biopsycho-social aspects of patients because of their potential for resulting life-long disabilities and functional and cognitive deficits. Cervical Spinal Cord Injury and Acquired Brain Injury commonly imply a reduction of the upper extremity functionality which complicate or even preclude the performance of basic Activities of Daily Living. Neurological rehabilitation of patients in specialized hospitals is currently the only alternative for treating patients with neurological disorders such as Acquired Brain Injury and Spinal Cord Injury. The progression of the patients through the complex rehabilitation process has to be systematically evaluated. Unfortunately, clinical assessment of functional capacity in the upper extremities is less advanced than that of lower extremities, and currently too dependent on subjective, qualitative observational motion analysis, which is highly based on intuitive understanding of human motion. Objective quantification of rehabilitation progress is necessary for the improvement of clinical treatment methods and rehabilitation strategies, and to prevent injury. This dissertation presents a practical methodology for the objective and quantitative evaluation of the upper extremity motion in subjects with neurological disorders, with particular focus on tetraplegic subjects with complete or incomplete Spinal Cord Injury (SCI) at the C5-C6 cervical level and who have undergone tendon transfer surgery. The core of the dissertation is a new rigid body biomechanical model to carry out a kinematic and dynamic analysis of the upper extremity motion during an Activity of Daily Living through data acquired by an opto-electronic system. In addition to the model, this dissertation describes a new dedicated set-up for the acquisition of motion data of the upper extremity, and a new processing and analysis chain designed to present relevant summaries of biomechanical information to rehabilitation specialists. The upper extremity biomechanical model consists of 10 segments with 20 Degrees of Freedom. The marker set-up combines the advantages of joint and segment markers to determine the joint centers of rotation and the segments' motions. The model makes possible a comprehensive kinematic and dynamic analysis, improving the evaluation of the upper extremity motion. In contrast to previous upper extremity models, the presented model is able to analyze the grasp motion between the first phalange of the thumb and the first phalange of the index finger, a motion considered as crucial by clinicians. The resulting set of biomechanical measurements (joint and segment kinematics and dynamics, and trajectories of the joints and segment Centers of Mass), which are reported according to clinical standards, provides valuable information for clinicians to achieve a thorough understanding of the upper extremity motion of the patients. Furthermore, the Kinematic and Dynamic analyses of the elbow and shoulder flexionextensions carried out by means of Exploratory Graphical Analysis are suitable to highlight biomechanical differences between healthy and pathological subjects.
Anàlisi del problema del repartiment muscular en la marxa humana
(2011-09-22) Serrancolí Masferrer, Gil; Barjau Condomines, Ana; Font Llagunes, Josep Maria
Aquest projecte correspon a l'estudi cinemàtic i dinàmic de la marxa humana centrat en l'anàlisi de les forces musculars de les extremitats inferiors del cos humà. La determinació de les forces musculars és un dels problemes més importants de la biomecànica del moviment humà ja que el cos humà és un sistema sobreactuat, és a dir, hi ha més músculs que graus de llibertat del sistema musculo-esquelètic. Com a conseqüència, el nombre d'equacions del moviment del sistema biomecànic és inferior al nombre de forces musculars, el que implica que per un mateix moviment hi ha infinites combinacions de forces musculars que el poden generar. Aquest fet és conegut com el "problema del repartiment muscular" ja que hi ha indeterminació al càlcul de les forces musculars. En aquest estudi, s'investiga la solució d'aquest problema en l'anàlisi dinàmica inversa. En primer lloc, es presenten els conceptes bàsics de la interacció entre el Sistema Nerviós Central (SNC) i els músculs. Posteriorment, s'ha realitzat una cerca bibliogràfica en models musculo-esquelètics utilitzats en estudis biomecànics i s'ha identificat el model per a representar el cos humà al caminar. Les dades cinemàtiques s'han capturat mitjançant un sistema òptic i les dinàmiques, corresponents a les forces i moments de reacció amb el terra, mitjançant dues plaques de força. S'ha fet la captura al Laboratori de Biomecànica del Departament d'Enginyeria Mecànica de la UPC. Altres dades com són la longitud dels músculs o els braços de palanca d'aquests s'han obtingut del programa de biomecànica anomenat OpenSim. Mitjançant l'aplicació de la dinàmica inversa, s'han trobat les forces i els moments resultants a les articulacions. Partint d'aquestes dades, s'ha plantejat un problema d'optimització que resol el problema del repartiment muscular minimitzant unes certes funcions de cost. Aquestes funcions objectiu es basen en criteris fisiològics que es creu que el cos humà minimitza durant el moviment de marxa. Finalment, es presenten les conclusions del treball on es mencionen les fites aconseguides però també els aspectes a corregir o millorar. Es presenta també com a treball futur una sèrie de punts en els que es treballarà de cara a completar els estudis de doctorat.
Sample-specific computational fluid dynamics of vascular network functionality
(2011-08-23) Cardona Ochoa, Aura María; Lacroix, Damien
One of the main factors to control in the development of tissue engineering scaffolds is the growth of new blood vessels and the posterior formation of vascular networks, which is consider as a critical factor because of the transport of nutrients and oxygen to the surrounding cells. Nowadays, computational modeling is presented as a useful support tool to provide a better understanding of vascular networks functionality. Therefore, the analysis of large-scale computational fluid flow dynamics (CFD), allows us to obtain the local parameters associated to mechanical stimuli affecting the microenvironment (scaffolds) and tissue involved (vascular cells). This study has developed a robust methodology to perform a quantitative assessment of vascular networks functionality based on numerical simulations. The methodology to perform the CFD analyses presented in this study is based on two different samples. The vascular networks were obtained by Synchrotron and Micro-Computed Tomography provided by the Swiss Federal Institute of Technology Zurich in DICOM file format. The DICOM files were imported in Simpleware to obtain a three dimensional reconstruction, superficial and solid mesh of the vascular networks. Due to the complexity of the structure and the amount of data generated, an optimization scheme was defined to reduce computing time while maintaining the accuracy of the results. Once the mesh was obtained, the boundary conditions and the properties of the fluid were defined in Fluent and Tdyn to simulate blood movement from the superior to inferior position. The results allowed us to interpret the mechanical phenomenon involved in the angiogenesis process and the importance of cellular responses to mechanical stimuli in tissue engineering applications.
Characterization of intracranial aneurysms in middle cerebral artery (MCA)
(2011-01-20T07:41:54Z) Valencia Muñoz, Carolina; Falcón Falcón, Carles Maria; Frangi Caregnato, Alejandro; Villa Uriol, Mari Cruz
Intracranial aneurysms have been the aim of many researchers, but despite finding multiple correlations between aneurysm rupture and risk factors, their study still remains limited. Since cerebral aneurysms morphology has been considered as a potential surrogate of rupture, in this project the influence of morphological variables in the aneurysm's rupture have been studied. Among the proposed morphological characteristics, several indices have allowed to establish links between these descriptors and the risk of rupture for a specific lesion. These might lead to a better understanding of the cerebral aneurysm rupture mechanisms. This study presents a complete and efficient image-based methodology for the analysis of cerebral aneurysms on a patient-specific basis including the sac and the parent vessel. This methodology allows the modeling of a large number of aneurysms in a time-efficient manner to obtain a patient specific model of the aneurysm geometry. Our pipeline uses algorithms that starting from Three-Dimensional Rotational Angiography (3DRA) images create a mesh model that is morphologically processed producing a number of basic shape measurements as well as most sophisticated ones such as the Zernike Moments. These computations have been performed on a population of 95 ruptured and unruptured aneurysms (79 patients) located at the Middle Cerebral Artery (MCA). Among the set of computed indices, statistical studies show that the more tridimensional information the morphological descriptors contain, the more robust they are discriminating between ruptured and unruptured aneurysms. This is the case for volume-based Zernike moments, which provided the best prediction results compared to other descriptors such as the Non-Sphericity Index.
Fabricación de sondas de AFM específicas para medidas de impedancia eléctrica a la nanoescala
(2011-01-17T11:37:41Z) Rebolledo Ceballos, Liceth M.; Gomila Lluch, Gabriel
El objetivo de este proyecto es la fabricación de sondas para Microscopía de Fuerzas Atómicas específicas, para su uso en la medición de impedancia eléctrica a la nanoescala, aportando un mínimo de contribuciones parásitas a la medición. Para su consecución se plantea el desarrollo de dos metodologías diferentes: Simulación, diseño y fabricación de sondas específicas: se simula la contribución capacitiva la sonda; diseñando y fabricando las sondas específicas con base a los datos resultantes del cálculo. Modificación de sondas comerciales: Desarrollo de la prueba de concepto, por medio de generación de un aislamiento y apantallamiento, lo cual provoca la reducción de la capacitancia aportada por las sondas comerciales.
Influence of stents as flow diverters on the hemodynamic conditions of intracranial aneurysms: a CFC study
(2010-12-22T09:46:00Z) Aguilar Pérez, Martha Lucía; Ros Puig, Domènec; Larrabide, Ignacio; Frangi Caregnato, Alejandro
A pesar de la amplia disponibilidad de técnicas, tanto quirúrgicas como endovasculares, existen aneurismas intracraneales que son muy complejos para ser tratados con estos procedimientos. Recientemente, se han propuesto stents de baja porosidad como una alternativa terapéutica para dichos aneurismas. El propósito del presente estudio es valorar las condiciones hemodinámicas en aneurismas con diferente morfología antes y después de ser tratados con un stent de baja porosidad (también conocido como flow diverter), utilizando dinámica de fluidos computacional (CFD). Dos modelos vasculares, cada uno de ellos específico del paciente al que pertence y conteniendo sólo un aneurisma, se utilizaron para la evaluación del efecto del stent SILK (Balt Extrusion, Montmorency, Francia) sobre el flujo intra-aneurismático. Uno de los modelos presentaba un aneurisma de cuello ancho (RA = 1.07) localizado a nivel de la arteria coroidea anterior; el otro, uno de cuello angosto (RA = 2.45) a nivel la arteria comunicante posterior. Los modelos vasculares fueron reconstruidos a partir de las imágenes médicas disponibles. Utilizando el método Fast Virtual Stenting, el stent fue implantado virtualmente, de manera que su posición con respecto a la pared arterial fuera apropiada. Se generaron mallas volumétricas de acuerdo a los resultados de varias pruebas de independencia de malla sobre el tamaño de elemento alrededor del stent, propiedades de la capa límite y tamaño del stent implantado. Para resolver las ecuaciones de continuidad y momentum, se llevaron a cabo simulaciones de flujo sanguíneo transiente, considerando a la sangre como un fluido Newtoniano y a las paredes del modelo como rígidas, donde la velocidad es cero cerca de ellas. Siguiendo el protocolo de análisis de datos del proyecto @neurIST sobre las condiciones de borde, se impusieron flujo másico en la entrada y presión en las salidas. Las simulaciones se llevaron a cabo en ANSYS-CFX para estimar el esfuerzo de corte en la pared aneurismática y la cantidad de flujo entrando a través del cuello del aneurisma. Después del tratamiento, la reducción del flujo dentro del aneurisma con cuello ancho fue de 9.2% durante el pico sistólico y 58.1% a lo largo de todo el ciclo cardiaco. La reducción en el esfuerzo de corte promedio sobre la pared aneurismática fue de 57.6% y 83.3%, respectivamente. El aneurisma de cuello angosto presentó un incremento general en la reducción de cada parámetro; el flujo dentro del aneurisma fue reducido en 37.3%y 64.7%, respectivamente y el esfuerzo de corte en la pared, en 65.6% y 83.6%, respectivamente. A través de este estudio evidenciamos que las simulaciones de CFD pueden ser utilizadas para estimar la reducción del flow intra-aneurimático debido a la colocación de un flow diverter. Se observó que el flow diverter fue capaz de interrumpir el flujo de alta velocidad que entra al aneurisma y redireccionarlo hacia la circulación principal.
Garantía de calidad en TPS Plato V2.7 aplicación a fantoma antropomórfico de tórax
(2010-12-21T12:11:40Z) Ibarra Ramírez, Ernesto Antonio; Duch Guillén, Ma. Amor (María Amor); Álveo, Alexis
Los sistemas de planificación de tratamientos (TPS) son utilizados en el diseño y calculo de una parte significativa de los tratamientos de radioterapia. Estos equipos son componentes fundamentales dentro del proceso de tratamiento. Los errores tanto humanos como técnicos sobre estos equipos pueden llevar a comprometer la vida de los pacientes ya sea por sobredosificación o por subdosificación en la aplicación de las terapias con radiación ionizante. El Organismo International de Energía Atómica (OIEA), en su documento IAEATECDOC- 1151 [2], reconoce que un programa de Garantía de Calidad es el método más sencillo y eficaz de reducir accidentes en radioterapia. Accidentes como en el que se vió envuelto el Instituto Oncológico Nacional (ION) de Panamá en el año 2000 a causa de un error humano en los cálculos de dosis en el TPS y que causó la sobredosificación de 28 pacientes que se sometieron a tratamientos con bomba de cobalto. Justificándonos en estos hechos, hemos realizado pruebas al TPS PLATO V2.7 del Departamento de Radioterapia del ION para determinar que tan exacto es en el cálculo de dosis. Para ello hemos comparado las dosis calculadas obtenidas con el TPS con las dosis reales medidas, con una cámara de ionización, en el interior de un fantoma antropomórfico de tórax durante la implementación del tratamiento con acelerador lineal (LINAC), los sistemas de cobaltoterapia están en desuso en el ION. Las diferencias entre ambos valores serán analizados utilizando los valores de tolerancia recomendados por el ESTRO según tipo de región (ubicación con respecto al haz) y geometría (conformación del haz) utilizados en cada caso. De esta forma se podrá determinar que tan exacto es el TPS en la planificación de los tratamientos y se tendrán valores de referencia para comparar con los futuros resultados de otras pruebas para el control de calidad en el funcionamiento de dicho software.
Evaluación de la conectividad cerebral bajo fármacos mediante análisis no lineal del EEG
(2009-12-29T11:25:26Z) Martínez Vera, Naira Pilar; Alonso López, Joan Francesc; Mañanas Villanueva, Miguel Ángel
El análisis del EEG se ha convertido en una técnica de gran utilidad para la detección de interacciones funcionales entre diversas áreas corticales durante la terapia con fármacos. Se conoce el efecto de algunos fármacos sobre parámetros espectrales calculados en señales EEG univariable, pero su efecto en las interacciones entre las áreas cerebrales no es del todo conocido. Tradicionalmente, tanto la coherencia como la correlación han sido los métodos principales para el estudio del grado de conectividad funcional entre las áreas cerebrales y los cambios asociados a los efectos psicofisiológicos de fármacos, pero únicamente tienen en cuenta dependencias lineales entre señales EEG. En el presente proyecto se ha diseñado y aplicado algoritmos para el cálculo de la Entropía Condicional Cruzada Corregida en señales electroencefalográficas, con el objetivo principal de evaluar la idoneidad y el rendimiento de esta técnica para el análisis de la conectividad funcional en el cerebro en sujetos sometidos en terapia farmacológica. El principal objetivo del proyecto consiste en definir y obtener nuevos índices capaces de facilitar información relacionada con los cambios en el acoplamiento entre las regiones cerebrales durante la vigilia tras la administración de fármacos. El análisis de la conectividad mediante técnicas no lineales puede proporcionar información valiosa sobre sus efectos psicofarmacológicos sobre las áreas cerebrales. Esta memoria describe brevemente la fisiología básica necesaria para comprender el origen de la señal EEG, así como las raíces históricas y las características básicas de esta señal electrofisiológica, para a continuación revisar brevemente los antecedentes y el estado actual del análisis sobre conectividad cerebral, y presentar las hipótesis que sustentan su aplicación en el campo de los estudios farmacológicos. En el apartado de metodología se describe con detalle la base de datos utilizada y el cálculo y aplicación de la técnica no lineal seleccionada: la entropía condicional. A partir de las funciones obtenidas se extraen variables que caracterizan la conectividad o acoplamiento entre señales, y que finalmente, como se describe en el capítulo de resultados, han permitido diferenciar la actividad cerebral tras la administración de una única dosis de alprazolam, abriendo el camino para futuros estudios basados en esta metodología en el terreno de la conectividad cerebral.
Imaging and NanoManipulation with AFM of bacterial samples in air and liquid environment
(2009-08-03T09:58:39Z) Meta, Ijoni
Since the innovator speech of Nobel laureate Richard Feynman in the early 1959, the progress of nanotechnology has been a succession of inventions and developments. One of those is the invention in 1986 of the Atomic Force Microscope. The biological applications of AFM microscopy have had a bigger impact. For this that the mayor part of my work is dedicated to imaging/nanomanipulating bacterial samples with two mayor results: It was achieved imaging and mechanical characterization of biofilms in air. It was possible to image in liquid environment bacterial samples and biofilm connections. Instead in the field of nanomanipulations, an achievement was using the AFM as a nanomanipulating tool, able to modify the sample surface. The idea is using tip, in the lithography section for moving, grasping breaking bacteria membranes while forces exerted were calculated during manipulation. In conclusions we propose in which direction it should continue the study of manipulating, and is proposed another way in calibrating lateral forces.
Osteoclast responses to metal ions
(2009-08-03T07:46:14Z) Prehn Gallo, Ricardo
Central model of the study will be the osteoclast culture on dentin. Osteoclast development from monocytes will be followed biochemically and histologically. Resorptive activity and its changes will be assessed by use of the resorption pit assay. Monocytes will be treated with metal salts in vitro to mimic the situation of implant materials in vivo. Released cytokines are quantified with ELISA. Condition media from monocyte cultures will be used to treat osteoclasts to determine possible immunologically mediated effects on osteoclast resorption.
Diseño y optimización del aplicador de un acelerador tipo microtrón para radioterapia intraoperatoria
(2008-12-03T11:56:20Z) Martínez Rovira, Immaculada; Sempau Roma, Josep; Fernández Varea, José María
La primera parte del trabajo trata del diseño y optimización del aplicador de un acelerador tipo microtrón de pista dedicado a radioterapia intraoperatoria. Después de una pequeña introducción sobre los elementos a evaluar y las características dosimétricas que se deben cumplir, se ha realizado un estudio exhaustivo del tipo de blindaje y láminas dispersoras a usar. Finalmente, se ha llegado a la conclusión de que un tubo de lucita y un tubo deslizante externo de latón es la mejor opción para mantener la transparencia del aplicador, evitar la contaminación por radiación y cumplir todas las normativas. El objetivo de la segunda parte del trabajo es presentar una adaptación del programa de simulación Monte Carlo PENELOPE que permite la utilización de la base de datos del Organismo Internacional de la Energía Atómica (OIEA) sobre ficheros de espacios de fase de aceleradores lineales y unidades de cobaltoterapia. En primer lugar se describe la información contenida en dicha base de datos, su formato y el proceso de validación para su aceptación. En segundo lugar se detallan los pasos a seguir para que los usuarios de PENELOPE puedan generar y leer ficheros de espacios de fase en el formato del OIEA.

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