Comparison of implicit and explicit FSI coupling strategies in cardiovascular system = Comparación de las estrategias implícitas y explícitas de acoplamiento FSI en el sistema cardiovascular

Comparación de los esquemas de integración temporal explícito e implícito, en la simulación del flujo sanguíneo y su interacción con la pared arterial. There are two major strategies in FSI coupling techniques: implicit and explicit. The general difference between these methodologies is how many times the data is exchanged between the fluid and solid domains at each FSI time-step. In both coupling strategies, the pressure values coming from fluid domain calculations at each time-step are exported to the solid domain, and consequently, the solid domain is analyzed with these imported forces. In contrast to the explicit coupling, in the implicit approach the fluid and solid domain’s data is exchanged several times until the convergence is achieved. Although this method may boost the numerical stabilization, it increases the computational cost due to the extra data exchanges. In cardiovascular simulations, depending on the analysis objectives, one may choose an explicit or implicit approach. In the current work, the advantage of an explicit coupling strategy is highlighted when simulation of pulsatile blood flow in elastic arteries is desired.

Automatic physical activity pattern recognition and meal intake modelling in type 1 diabetes for their inclusion in artificial pancreas systems

La diabetes comprende un conjunto de enfermedades metabólicas que se caracterizan por concentraciones de glucosa en sangre anormalmente altas. En el caso de la diabetes tipo 1 (T1D, por sus siglas en inglés), esta situación es debida a una ausencia total de secreción endógena de insulina, lo que impide a la mayoría de tejidos usar la glucosa. En tales circunstancias, se hace necesario el suministro exógeno de insulina para preservar la vida del paciente; no obstante, siempre con la precaución de evitar caídas agudas de la glucemia por debajo de los niveles recomendados de seguridad. Además de la administración de insulina, las ingestas y la actividad física son factores fundamentales que influyen en la homeostasis de la glucosa. En consecuencia, una gestión apropiada de la T1D debería incorporar estos dos fenómenos fisiológicos, en base a una identificación y un modelado apropiado de los mismos y de sus sorrespondientes efectos en el balance glucosa-insulina. En particular, los sistemas de páncreas artificial –ideados para llevar a cabo un control automático de los niveles de glucemia del paciente– podrían beneficiarse de la integración de esta clase de información. La primera parte de esta tesis doctoral cubre la caracterización del efecto agudo de la actividad física en los perfiles de glucosa. Con este objetivo se ha llevado a cabo una revisión sistemática de la literatura y meta-análisis que determinen las respuestas ante varias modalidades de ejercicio para pacientes con T1D, abordando esta caracterización mediante unas magnitudes que cuantifican las tasas de cambio en la glucemia a lo largo del tiempo. Por otro lado, una identificación fiable de los periodos con actividad física es un requisito imprescindible para poder proveer de esa información a los sistemas de páncreas artificial en condiciones libres y ambulatorias. Por esta razón, la segunda parte de esta tesis está enfocada a la propuesta y evaluación de un sistema automático diseñado para reconocer periodos de actividad física, clasificando su nivel de intensidad (ligera, moderada o vigorosa); así como, en el caso de periodos vigorosos, identificando también la modalidad de ejercicio (aeróbica, mixta o de fuerza). En este sentido, ambos aspectos tienen una influencia específica en el mecanismo metabólico que suministra la energía para llevar a cabo el ejercicio y, por tanto, en las respuestas glucémicas en T1D. En este trabajo se aplican varias combinaciones de técnicas de aprendizaje máquina y reconocimiento de patrones sobre la fusión multimodal de señales de acelerometría y ritmo cardíaco, las cuales describen tanto aspectos mecánicos del movimiento como la respuesta fisiológica del sistema cardiovascular ante el ejercicio. Después del reconocimiento de patrones se incorpora también un módulo de filtrado temporal para sacar partido a la considerable coherencia temporal presente en los datos, una redundancia que se origina en el hecho de que en la práctica, las tendencias en cuanto a actividad física suelen mantenerse estables a lo largo de cierto tiempo, sin fluctuaciones rápidas y repetitivas. El tercer bloque de esta tesis doctoral aborda el tema de las ingestas en el ámbito de la T1D. En concreto, se propone una serie de modelos compartimentales y se evalúan éstos en función de su capacidad para describir matemáticamente el efecto remoto de las concetraciones plasmáticas de insulina exógena sobre las tasas de eleiminación de la glucosa atribuible a la ingesta; un aspecto hasta ahora no incorporado en los principales modelos de paciente para T1D existentes en la literatura. Los datos aquí utilizados se obtuvieron gracias a un experimento realizado por el Institute of Metabolic Science (Universidad de Cambridge, Reino Unido) con 16 pacientes jóvenes. En el experimento, de tipo ‘clamp’ con objetivo variable, se replicaron los perfiles individuales de glucosa, según lo observado durante una visita preliminar tras la ingesta de una cena con o bien alta carga glucémica, o bien baja. Los seis modelos mecanísticos evaluados constaban de: a) submodelos de doble compartimento para las masas de trazadores de glucosa, b) un submodelo de único compartimento para reflejar el efecto remoto de la insulina, c) dos tipos de activación de este mismo efecto remoto (bien lineal, bien con un punto de corte), y d) diversas condiciones iniciales. ABSTRACT Diabetes encompasses a series of metabolic diseases characterized by abnormally high blood glucose concentrations. In the case of type 1 diabetes (T1D), this situation is caused by a total absence of endogenous insulin secretion, which impedes the use of glucose by most tissues. In these circumstances, exogenous insulin supplies are necessary to maintain patient’s life; although caution is always needed to avoid acute decays in glycaemia below safe levels. In addition to insulin administrations, meal intakes and physical activity are fundamental factors influencing glucose homoeostasis. Consequently, a successful management of T1D should incorporate these two physiological phenomena, based on an appropriate identification and modelling of these events and their corresponding effect on the glucose-insulin balance. In particular, artificial pancreas systems –designed to perform an automated control of patient’s glycaemia levels– may benefit from the integration of this type of information. The first part of this PhD thesis covers the characterization of the acute effect of physical activity on glucose profiles. With this aim, a systematic review of literature and metaanalyses are conduced to determine responses to various exercise modalities in patients with T1D, assessed via rates-of-change magnitudes to quantify temporal variations in glycaemia. On the other hand, a reliable identification of physical activity periods is an essential prerequisite to feed artificial pancreas systems with information concerning exercise in ambulatory, free-living conditions. For this reason, the second part of this thesis focuses on the proposal and evaluation of an automatic system devised to recognize physical activity, classifying its intensity level (light, moderate or vigorous) and for vigorous periods, identifying also its exercise modality (aerobic, mixed or resistance); since both aspects have a distinctive influence on the predominant metabolic pathway involved in fuelling exercise, and therefore, in the glycaemic responses in T1D. Various combinations of machine learning and pattern recognition techniques are applied on the fusion of multi-modal signal sources, namely: accelerometry and heart rate measurements, which describe both mechanical aspects of movement and the physiological response of the cardiovascular system to exercise. An additional temporal filtering module is incorporated after recognition in order to exploit the considerable temporal coherence (i.e. redundancy) present in data, which stems from the fact that in practice, physical activity trends are often maintained stable along time, instead of fluctuating rapid and repeatedly. The third block of this PhD thesis addresses meal intakes in the context of T1D. In particular, a number of compartmental models are proposed and compared in terms of their ability to describe mathematically the remote effect of exogenous plasma insulin concentrations on the disposal rates of meal-attributable glucose, an aspect which had not yet been incorporated to the prevailing T1D patient models in literature. Data were acquired in an experiment conduced at the Institute of Metabolic Science (University of Cambridge, UK) on 16 young patients. A variable-target glucose clamp replicated their individual glucose profiles, observed during a preliminary visit after ingesting either a high glycaemic-load or a low glycaemic-load evening meal. The six mechanistic models under evaluation here comprised: a) two-compartmental submodels for glucose tracer masses, b) a single-compartmental submodel for insulin’s remote effect, c) two types of activations for this remote effect (either linear or with a ‘cut-off’ point), and d) diverse forms of initial conditions.

Modelado de sistemas de inteligencia ambiental para el entrenamiento de las cualidades físicas

En un ejercicio no extenuante la frecuencia cardíaca (FC) guarda una relación lineal con el consumo máximo de oxígeno (V O2max) y se suele usar como uno de los parámetros de referencia para cuantificar la capacidad del sistema cardiovascular. Normalmente la frecuencia cardíaca puede remplazar el porcentaje de V O2max en las prescripciones básicas de ejercicio para la mejora de la resistencia aeróbica. Para obtener los mejores resultados en la mejora de la resistencia aeróbica, el entrenamiento de los individuos se debe hacer a una frecuencia cardíaca suficientemente alta, para que el trabajo sea de predominio dinámico con la fosforilación oxidativa como fuente energética primaria, pero no tan elevada que pueda suponer un riesgo de infarto de miocardio para el sujeto que se está entrenando. Los programas de entrenamiento de base mínima y de base óptima, con ejercicios de estiramientos para prevenir lesiones, son algunos de los programas más adecuados para el entrenamiento de la resistencia aeróbica porque maximizan los beneficios y minimizan los riesgos para el sistema cardiovascular durante las sesiones de entrenamiento. En esta tesis, se ha definido un modelo funcional para sistemas de inteligencia ambiental capaz de monitorizar, evaluar y entrenar las cualidades físicas que ha sido validado cuando la cualidad física es la resistencia aeróbica. El modelo se ha implementado en una aplicación Android utilizando la camiseta inteligente “GOW running” de la empresa Weartech. El sistema se ha comparado en el Laboratorio de Fisiología del Esfuerzo (LFE) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) durante la realización de pruebas de esfuerzo. Además se ha evaluado un sistema de guiado con voz para los entrenamientos de base mínima y de base óptima. También el desarrollo del software ha sido validado. Con el uso de cuestionarios sobre las experiencias de los usuarios utilizando la aplicación se ha evaluado el atractivo de la misma. Por otro lado se ha definido una nueva metodología y nuevos tipos de cuestionarios diseñados para evaluar la utilidad que los usuarios asignan al uso de un sistema de guiado por voz. Los resultados obtenidos confirman la validez del modelo. Se ha obtenido una alta concordancia entre las medidas de FC hecha por la aplicación Android y el LFE. También ha resultado que los métodos de estimación del VO2max de los dos sistemas pueden ser intercambiables. Todos los usuarios que utilizaron el sistema de guiado por voz para entrenamientos de 10 base mínima y de base óptimas de la resistencia aeróbica consiguieron llevar a cabo las sesiones de entrenamientos con un 95% de éxito considerando unos márgenes de error de un 10% de la frecuencia cardíaca máxima teórica. La aplicación fue atractiva para los usuarios y hubo también una aceptación del sistema de guiado por voz. Se ha obtenido una evaluación psicológica positiva de la satisfacción de los usuarios que interactuaron con el sistema. En conclusión, se ha demostrado que es posible desarrollar sistemas de Inteligencia Ambiental en dispositivos móviles para la mejora de la salud. El modelo definido en la tesis es el primero modelo funcional teórico de referencia para el desarrollo de este tipo de aplicaciones. Posteriores estudios se realizarán con el objetivo de extender dicho modelo para las demás cualidades físicas que suponen modelos fisiológicos más complejos como por ejemplo la flexibilidad. Abstract In a non-strenuous exercise, the heart rate (HR) shows a linear relationship with the maximum volume of oxygen consumption (V O2max) and serves as an indicator of performance of the cardiovascular system. The heart rate replaces the %V O2max in exercise program prescription to improve aerobic endurance. In order to achieve an optimal effect during endurance training, the athlete needs to work out at a heart rate high enough to trigger the aerobic metabolism, while avoiding the high heart rates that bring along significant risks of myocardial infarction. The minimal and optimal base training programs, followed by stretching exercises to prevent injuries, are adequate programs to maximize benefits and minimize health risks for the cardiovascular system during single session training. In this thesis, we have defined an ambient intelligence system functional model that monitors, evaluates and trains physical qualities, and it has been validated for aerobic endurance. It is based on the Android System and the “GOW Running” smart shirt. The system has been evaluated during functional assessment stress testing of aerobic endurance in the Stress Physiology Laboratory (SPL) of the Technical University of Madrid (UPM). Furthermore, a voice system, designed to guide the user through minimal and optimal base training programs, has been evaluated. Also the software development has been evaluated. By means of user experience questionnaires, we have rated the attractiveness of the android application. Moreover, we have defined a methodology and a new kind of questionnaires in order to assess the user experience with the audio exercise guide system. The results obtained confirm the model. We have a high similarity between HR measurements made of our system and the one used by SPL. We have also a high correlation between the VO2max estimations of our system and the SPL system. All users, that tried the voice guidance system for minimal and optimal base training programs, were able to perform the 95% of the training session with an error lower than the 10% of theoretical maximum heart rate. The application appeared attractive to the users, and it has also been proven that the voice guidance system was useful. As result we obtained a positive evaluation of the users' satisfaction while they interacted with the system. In conclusion, it has been demonstrated that is possible to develop mobile Ambient Intelligence applications for the improvement of healthy lifestyle. AmIRTEM model is the first theoretical reference functional model for the design of this kind of applications. Further studies will be realized in order to extend the AmIRTEM model to other physical qualities whose physiological models are more complex than the aerobic endurance.

Pulsatile blood flow-split in aortic arch dissection

Abnormalities of the aortic arch, as the most proximal site of the cardiovascular system, are of great interest due to its major role in blood distribution to all downstream members. Wall dissection is one of the disorders that an aorta may suffer due to hypertension or degradation of aortic wall properties. A geometrical change of the aortic arch caused by the dissected wall, and consequently the blood flow path, makes the time-varying flow curves to be different in comparison to the healthy aortic arch. This phenomenon modifies wall shear stress (WSS) history during the cardiac cycle. In the current work, the pulsatile blood flow in a typical Stanford A (DeBakey II) dissected aorta is simulated by CFD technique, STAR-CCM+. The boundary conditions are calculated based on a combination of the impedance boundary condition and the auto-regulation concept in the cardiovascular system.

Adaptaciones cardiacas hemodinámicas, estructurales y funcionales a un programa de ejercicio físico supervisado durante el embarazo: ensayo clínico aleatorizado = Hemodynamic, structural and functional cardiac adaptations in a supervised physical exercise program during pregnancy: a randomized controlled trial

Introducción: Diversos cambios ocurren en el sistema cardiovascular materno durante el embarazo, lo que genera un gran estrés sobre este sistema especialmente durante el tercer trimestre, pudiendo acentuarse en presencia de determinados factores de riesgo. Los objetivos de este estudio fueron, valorar las adaptaciones cardiovasculares producidas por un programa específico de ejercicio físico; su seguridad sobre el sistema cardiovascular materno y los resultados del embarazo; y su eficacia en el control de los factores de riesgo cardiovascular. Material y métodos: El diseño del estudio fue un ensayo clínico aleatorizado. 151 gestantes sanas fueron evaluadas mediante un ecocardiograma y un electrocardiograma en la semana 20 y 34 de gestación. Un total de 89 gestantes participaron en un programa de ejercicio físico (GE) desde el primer hasta el tercer trimestre de embarazo, constituido principalmente por 25-30 minutos de trabajo aeróbico (55-60% de la frecuencia cardiaca de reserva), trabajo de fortalecimiento general y específico, y un trabajo de tonificación del suelo pélvico; desarrollado 3 días a la semana con una duración de 55-60 minutos cada sesión. Las gestantes aleatoriamente asignadas al grupo de control (GC; n=62) permanecieron sedentarias durante el embarazo. El estudio fue aprobado por el Comité Ético de investigación clínica del Hospital Universitario de Fuenlabrada. Resultados: Las características basales fueron similares entre ambos grupos. A diferencia del GC, las gestantes del GE evitaron el descenso significativo del gasto cardiaco indexado, entre el 2º y 3ºT de embarazo, y conservaron el patrón geométrico normal del ventrículo izquierdo; mientras que en el GC cambió hacia un patrón de remodelado concéntrico. En la semana 20, las gestantes del GE presentaron valores significativamente menores de frecuencia cardiaca (GC: 79,56±10,76 vs. GE: 76,05±9,34; p=0,04), tensión arterial sistólica (GC: 110,19±10,23 vs. GE: 106,04±12,06; p=0,03); tensión arterial diastólica (GC: 64,56±7,88 vs. GE: 61,81±7,15; p=0,03); tiempo de relajación isovolumétrica (GC: 72,94±14,71 vs. GE: 67,05±16,48; p=0,04); y un mayor tiempo de deceleración de la onda E (GC: 142,09±39,11 vs. GE: 162,10±48,59; p=0,01). En la semana 34, el GE presentó valores significativamente superiores de volumen sistólico (GC: 51,13±11,85 vs. GE: 56,21±12,79 p=0,04), de llenado temprano del ventrículo izquierdo (E) (GC: 78,38±14,07 vs. GE: 85,30±16,62; p=0,02) y de tiempo de deceleración de la onda E (GC: 130,35±37,11 vs. GE: 146,61±43,40; p=0,04). Conclusión: La práctica regular de ejercicio físico durante el embarazo puede producir adaptaciones positivas sobre el sistema cardiovascular materno durante el tercer trimestre de embarazo, además de ayudar en el control de sus factores de riesgo, sin alterar la salud materno-fetal. ABSTRACT Background: Several changes occur in the maternal cardiovascular system during pregnancy. These changes produce a considerable stress in this system, especially during the third trimester, which can be increased in presence of some risk factors. The aims of this study were, to assess the maternal cardiac adaptations in a specific exercise program; its safety on the maternal cardiovascular system and pregnancy outcomes; and its effectiveness in the control of cardiovascular risk factors. Material and methods: A randomized controlled trial was designed. 151 healthy pregnant women were assessed by an echocardiography and electrocardiography at 20 and 34 weeks of gestation. A total of 89 pregnant women participated in a physical exercise program (EG) from the first to the third trimester of pregnancy. It consisted of 25-30 minutes of aerobic conditioning (55-60% of their heart rate reserve), general and specific strength exercises, and a pelvic floor muscles training; 3 times per weeks during 55-60 minutes per session. Pregnant women randomized allocated to the control group (CG) remained sedentary during pregnancy. The study was approved by the Research Ethics Committee of Hospital Universitario de Fuenlabrada. Results: Baseline characteristics were similar between groups. Difference from the CG, pregnant women from the EG prevented the significant decrease of the cardiac output index, between the 2nd and 3rd trimester of pregnancy, and preserved the normal left ventricular pattern; whereas in the CG shifted to concentric remodeling pattern. At 20 weeks, women in the EG had significant lower heart rate (CG: 79,56±10,76 vs. EG: 76,05±9,34; p=0,04), systolic blood pressure (CG: 110,19±10,23 vs. EG: 106,04±12,06; p=0,03); diastolic blood pressure (CG: 64,56±7,88 vs. EG: 61,81±7,15; p=0,03); isovolumetric relaxation time (GC: 72,94±14,71 vs. GE: 67,05±16,48; p=0,04); and a higher deceleration time of E Wave (GC: 142,09±39,11 vs. GE: 162,10±48,59; p=0,01). At 34 weeks, the EG had a significant higher stroke volume (CG: 51,13±11,85 vs. EG: 56,21±12,79 p=0,04), early filling of left ventricular (E) (CG: 78,38±14,07 vs. EG: 85,30±16,62; p=0,02) and deceleration time of E wave (CG: 130,35±37,11 vs. EG:146,61±43,40; p=0,04). Conclusion: Physical regular exercise program during pregnancy may produce positive maternal cardiovascular adaptations during the third trimester of pregnancy. In addition, it helps to control the cardiovascular risk factors without altering maternal and fetus health.

Pulsatile blood flow interaction with arterial walls of aorta : autoregulation and impedance pressure boundary condition and its biomedical applications

Para las decisiones urgentes sobre intervenciones quirúrgicas en el sistema cardiovascular se necesitan simulaciones computacionales con resultados fiables y que consuman un tiempo de cálculo razonable. Durante años los investigadores han trabajado en diversos métodos numéricos de cálculo que resulten atractivos para los cirujanos. Estos métodos, precisos pero costosos desde el punto de vista del coste computacional, crean un desajuste entre la oferta de los ingenieros que realizan las simulaciones y los médicos que operan en el quirófano. Por otra parte, los métodos de cálculo más simplificados reducen el tiempo de cálculo pero pueden proporcionar resultados no realistas. El objetivo de esta tesis es combinar los conceptos de autorregulación e impedancia del sistema circulatorio, la interacción flujo sanguíneo-pared arterial y modelos geométricos idealizados tridimensionales de las arterias pero sin pérdida de realismo, con objeto de proponer una metodología de simulación que proporcione resultados correctos y completos, con tiempos de cálculo moderados. En las simulaciones numéricas, las condiciones de contorno basadas en historias de presión presentan inconvenientes por ser difícil conocerlas con detalle, y porque los resultados son muy sensibles ante pequeñas variaciones de dichas historias. La metodología propuesta se basa en los conceptos de autorregulación, para imponer la demanda de flujo aguas abajo del modelo en el ciclo cardiaco, y la impedancia, para representar el efecto que ejerce el flujo en el resto del sistema circulatorio sobre las arterias modeladas. De este modo las historias de presión en el contorno son resultados del cálculo, que se obtienen de manera iterativa. El método propuesto se aplica en una geometría idealizada del arco aórtico sin patologías y en otra geometría correspondiente a una disección Stanford de tipo A, considerando la interacción del flujo pulsátil con las paredes arteriales. El efecto de los tejidos circundantes también se incorpora en los modelos. También se hacen aplicaciones considerando la interacción en una geometría especifica de un paciente anciano que proviene de una tomografía computarizada. Finalmente se analiza una disección Stanford tipo B con tres modelos que incluyen la fenestración del saco. Clinicians demand fast and reliable numerical results of cardiovascular biomechanic simulations for their urgent pre-surgery decissions. Researchers during many years have work on different numerical methods in order to attract the clinicians' confidence to their colorful contours. Though precise but expensive and time-consuming methodologies create a gap between numerical biomechanics and hospital personnel. On the other hand, simulation simplifications with the aim of reduction in computational time may cause in production of unrealistic outcomes. The main objective of the current investigation is to combine ideas such as autoregulation, impedance, fluid-solid interaction and idealized geometries in order to propose a computationally cheap methodology without excessive or unrealistic simplifications. The pressure boundary conditions are critical and polemic in numerical simulations of cardiovascular system, in which a specific arterial site is of interest and the rest of the netwrok is neglected but represented by a boundary condition. The proposed methodology is a pressure boundary condition which takes advantage of numerical simplicity of application of an imposed pressure boundary condition on outlets, while it includes more sophisticated concepts such as autoregulation and impedance to gain more realistic results. Incorporation of autoregulation and impedance converts the pressure boundary conditions to an active and dynamic boundary conditions, receiving feedback from the results during the numerical calculations and comparing them with the physiological requirements. On the other hand, the impedance boundary condition defines the shapes of the pressure history curves applied at outlets. The applications of the proposed method are seen on idealized geometry of the healthy arotic arch as well as idealized Stanford type A dissection, considering the interaction of the arterial walls with the pulsatile blood flow. The effect of surrounding tissues is incorporated and studied in the models. The simulations continue with FSI analysis of a patient-specific CT scanned geometry of an old individual. Finally, inspiring of the statistic results of mortality rates in Stanford type B dissection, three models of fenestrated dissection sac is studied and discussed. Applying the developed boundary condition, an alternative hypothesis is proposed by the author with respect to the decrease in mortality rates in patients with fenestrations.