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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Modelo mecanobiológico de una tibia humana para determinar su respuesta ante estímulos mecánicos externos / Mechanobiological model of a human tibia to determine its response to external mechanical stimuli

INTRODUCCIÓN: las nuevas herramientas informáticas cada vez más influyen en los avances científicos tecnológicos en la esfera de la salud. Una de las áreas de mayor implementación de estas nuevas herramientas de cómputo es sin dudas, la ortopedia, debido en lo fundamental, a la similitud que tiene el cuerpo humano y su estructura ósea con las propiedades de los materiales de ingeniería que permite modelar tejidos y órganos en correspondencia con teorías remodeladoras que predicen su posible comportamiento mecanobiológico. OBJETIVO: describir el comportamiento de una tibia humana ante estímulos externos de torsión. MÉTODOS: se utilizó el Método de los Elementos Finitos implementado en el software profesional ABAQUS/CAE para el cálculo de tensiones y deformaciones presentes en la tibia humana. RESULTADOS: se obtuvo el modelo específico del paciente con síndrome de torsión tibial, a partir de las imágenes médicas de un tomógrafo; las cuales fueron procesadas por ordenador, se utiliza el software de tratamiento de imágenes médicas MIMICS 10.01 para establecer una relación entre la escala de grises (unidades Hounsfield), la densidad ósea y el módulo de Young. CONCLUSIONES: se determinó que el valor correcto de momento torsor estático que debe ser aplicado a este paciente para iniciar el proceso remodelador es de 30 Nm.

INTRODUCTION: new information tools have a growing influence on technological and scientific advances in health care. Orthopedics is one of the areas where new computational tools have been largely implemented, mainly owing to the similarity of the human body and its bone structure to the properties of engineering materials, enabling the modeling of tissues and organs in accordance with remodeling theories predicting their potential mechanobiological behavior. OBJECTIVE: describe the response of a human tibia to external torsion stimuli. METHODS: estimation of tensions and deformities in the human tibia was based on the Finite Element Method incorporated into the professional software Abaqus / CAE. RESULTS: starting from medical tomographic images, a specific model was obtained for a patient with tibial torsion syndrome. The images were computer processed with the medical imaging treatment software MIMICS 10.01 to establish a relationship between the grayscale (Hounsfield units), bone density and Young's modulus. CONCLUSIONS: it was determined that 30 Nm is the correct static torsion moment value to be applied to this patient to start the remodeling process.

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

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

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

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

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

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

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