Large scale multiphysics modeling of neurites

Situado en el límite entre Ingeniería, Informática y Biología, la mecánica computacional de las neuronas aparece como un nuevo campo interdisciplinar que potencialmente puede ser capaz de abordar problemas clínicos desde una perspectiva diferente. Este campo es multiescala por naturaleza, yendo desde la nanoescala (como, por ejemplo, los dímeros de tubulina) a la macroescala (como, por ejemplo, el tejido cerebral), y tiene como objetivo abordar problemas que son complejos, y algunas veces imposibles, de estudiar con medios experimentales. La modelización computacional ha sido ampliamente empleada en aplicaciones Neurocientíficas tan diversas como el crecimiento neuronal o la propagación de los potenciales de acción compuestos. Sin embargo, en la mayoría de los enfoques de modelización hechos hasta ahora, la interacción entre la célula y el medio/estímulo que la rodea ha sido muy poco explorada. A pesar de la tremenda importancia de esa relación en algunos desafíos médicos—como, por ejemplo, lesiones traumáticas en el cerebro, cáncer, la enfermedad del Alzheimer—un puente que relacione las propiedades electrofisiológicas-químicas y mecánicas desde la escala molecular al nivel celular todavía no existe. Con ese objetivo, esta investigación propone un marco computacional multiescala particularizado para dos escenarios respresentativos: el crecimiento del axón y el acomplamiento electrofisiológicomecánico de las neuritas. En el primer caso, se explora la relación entre los constituyentes moleculares del axón durante su crecimiento y sus propiedades mecánicas resultantes, mientras que en el último, un estímulo mecánico provoca deficiencias funcionales a nivel celular como consecuencia de sus alteraciones electrofisiológicas-químicas. La modelización computacional empleada en este trabajo es el método de las diferencias finitas, y es implementada en un nuevo programa llamado Neurite. Aunque el método de los elementos finitos es también explorado en parte de esta investigación, el método de las diferencias finitas tiene la flexibilidad y versatilidad necesaria para implementar mode los biológicos, así como la simplicidad matemática para extenderlos a simulaciones a gran escala con un coste computacional bajo. Centrándose primero en el efecto de las propiedades electrofisiológicas-químicas sobre las propiedades mecánicas, una versión adaptada de Neurite es desarrollada para simular la polimerización de los microtúbulos en el crecimiento del axón y proporcionar las propiedades mecánicas como función de la ocupación de los microtúbulos. Después de calibrar el modelo de crecimiento del axón frente a resultados experimentales disponibles en la literatura, las características mecánicas pueden ser evaluadas durante la simulación. Las propiedades mecánicas del axón muestran variaciones dramáticas en la punta de éste, donde el cono de crecimiento soporta las señales químicas y mecánicas. Bansándose en el conocimiento ganado con el modelo de diferencias finitas, y con el objetivo de ir de 1D a 3D, este esquema preliminar pero de una naturaleza innovadora allana el camino a futuros estudios con el método de los elementos finitos. Centrándose finalmente en el efecto de las propiedades mecánicas sobre las propiedades electrofisiológicas- químicas, Neurite es empleado para relacionar las cargas mecánicas macroscópicas con las deformaciones y velocidades de deformación a escala microscópica, y simular la propagación de la señal eléctrica en las neuritas bajo carga mecánica. Las simulaciones fueron calibradas con resultados experimentales publicados en la literatura, proporcionando, por tanto, un modelo capaz de predecir las alteraciones de las funciones electrofisiológicas neuronales bajo cargas externas dañinas, y uniendo lesiones mecánicas con las correspondientes deficiencias funcionales. Para abordar simulaciones a gran escala, aunque otras arquitecturas avanzadas basadas en muchos núcleos integrados (MICs) fueron consideradas, los solvers explícito e implícito se implementaron en unidades de procesamiento central (CPU) y unidades de procesamiento gráfico (GPUs). Estudios de escalabilidad fueron llevados acabo para ambas implementaciones mostrando resultados prometedores para casos de simulaciones extremadamente grandes con GPUs. Esta tesis abre la vía para futuros modelos mecánicos con el objetivo de unir las propiedades electrofisiológicas-químicas con las propiedades mecánicas. El objetivo general es mejorar el conocimiento de las comunidades médicas y de bioingeniería sobre la mecánica de las neuronas y las deficiencias funcionales que aparecen de los daños producidos por traumatismos mecánicos, como lesiones traumáticas en el cerebro, o enfermedades neurodegenerativas como la enfermedad del Alzheimer. ABSTRACT Sitting at the interface between Engineering, Computer Science and Biology, Computational Neuron Mechanics appears as a new interdisciplinary field potentially able to tackle clinical problems from a new perspective. This field is multiscale by nature, ranging from the nanoscale (e.g., tubulin dimers) to the macroscale (e.g., brain tissue), and aims at tackling problems that are complex, and sometime impossible, to study through experimental means. Computational modeling has been widely used in different Neuroscience applications as diverse as neuronal growth or compound action potential propagation. However, in the majority of the modeling approaches done in this field to date, the interactions between the cell and its surrounding media/stimulus have been rarely explored. Despite of the tremendous importance of such relationship in several medical challenges—e.g., traumatic brain injury (TBI), cancer, Alzheimer’s disease (AD)—a bridge between electrophysiological-chemical and mechanical properties of neurons from the molecular scale to the cell level is still lacking. To this end, this research proposes a multiscale computational framework particularized for two representative scenarios: axon growth and electrophysiological-mechanical coupling of neurites. In the former case, the relation between the molecular constituents of the axon during its growth and its resulting mechanical properties is explored, whereas in the latter, a mechanical stimulus provokes functional deficits at cell level as a consequence of its electrophysiological-chemical alterations. The computational modeling approach chosen in this work is the finite difference method (FDM), and was implemented in a new program called Neurite. Although the finite element method (FEM) is also explored as part of this research, the FDM provides the necessary flexibility and versatility to implement biological models, as well as the mathematical simplicity to extend them to large scale simulations with a low computational cost. Focusing first on the effect of electrophysiological-chemical properties on the mechanical proper ties, an adaptation of Neurite was developed to simulate microtubule polymerization in axonal growth and provide the axon mechanical properties as a function of microtubule occupancy. After calibrating the axon growth model against experimental results available in the literature, the mechanical characteristics can be tracked during the simulation. The axon mechanical properties show dramatic variations at the tip of the axon, where the growth cone supports the chemical and mechanical signaling. Based on the knowledge gained from the FDM scheme, and in order to go from 1D to 3D, this preliminary yet novel scheme paves the road for future studies with FEM. Focusing then on the effect of mechanical properties on the electrophysiological-chemical properties, Neurite was used to relate macroscopic mechanical loading to microscopic strains and strain rates, and simulate the electrical signal propagation along neurites under mechanical loading. The simulations were calibrated against experimental results published in the literature, thus providing a model able to predict the alteration of neuronal electrophysiological function under external damaging load, and linking mechanical injuries to subsequent acute functional deficits. To undertake large scale simulations, although other state-of-the-art architectures based on many integrated cores (MICs) were considered, the explicit and implicit solvers were implemented for central processing units (CPUs) and graphics processing units (GPUs). Scalability studies were done for both implementations showing promising results for extremely large scale simulations with GPUs. This thesis opens the avenue for future mechanical modeling approaches aimed at linking electrophysiological- chemical properties to mechanical properties. Its overarching goal is to enhance the bioengineering and medical communities knowledge on neuronal mechanics and functional deficits arising from damages produced by direct mechanical insults, such as TBI, or neurodegenerative evolving illness, such as AD.

CFD modelling of the interaction between the Surface Boundary Layer and rotor wake. Comparison of results obtained with different turbulence models and mesh strategies

A simplified CFD wake model based on the actuator disk concept is used to simulate the wind turbine, represented by a disk upon which a distribution of forces, defined as axial momentum sources, are applied on the incoming non-uniform flow. The rotor is supposed to be uniformly loaded, with the exerted forces function of the incident wind speed, the thrust coefficient and the rotor diameter. The model is tested under different parameterizations of turbulence models and validated through experimental measurements downwind of a wind turbine in terms of wind speed deficit and turbulence intensity.

On nonlinearity in neural encoding models applied to the primary visual cortex

Within the regression framework, we show how different levels of nonlinearity influence the instantaneous firing rate prediction of single neurons. Nonlinearity can be achieved in several ways. In particular, we can enrich the predictor set with basis expansions of the input variables (enlarging the number of inputs) or train a simple but different model for each area of the data domain. Spline-based models are popular within the first category. Kernel smoothing methods fall into the second category. Whereas the first choice is useful for globally characterizing complex functions, the second is very handy for temporal data and is able to include inner-state subject variations. Also, interactions among stimuli are considered. We compare state-of-the-art firing rate prediction methods with some more sophisticated spline-based nonlinear methods: multivariate adaptive regression splines and sparse additive models. We also study the impact of kernel smoothing. Finally, we explore the combination of various local models in an incremental learning procedure. Our goal is to demonstrate that appropriate nonlinearity treatment can greatly improve the results. We test our hypothesis on both synthetic data and real neuronal recordings in cat primary visual cortex, giving a plausible explanation of the results from a biological perspective.

Interactions between roughness and topography in hydraulic models

Analysis of river flow using hydraulic modelling and its implications in derived environ-mental applications are inextricably connected with the way in which the river boundary shape is represented. This relationship is scale-dependent upon the modelling resolution which in turn determines the importance of a subscale performance of the model and the way subscale (surface and flow) processes are parameterised. Commonly, the subscale behaviour of the model relies upon a roughness parameterisation whose meaning depends on the dimensionality of the hydraulic model and the resolution of the topographic represen¬tation scale. This latter is, in turn, dependent on the resolution of the computational mesh as well as on the detail of measured topographic data. Flow results are affected by this interactions between scale and subscale parameterisation according to the dimensionality approach. The aim of this dissertation is the evaluation of these interactions upon hy¬draulic modelling results. Current high resolution topographic source availability induce this research which is tackled using a suitable roughness approach according to each di¬mensionality with the purpose of the interaction assessment. A 1D HEC-RAS model, a 2D raster-based diffusion-wave model with a scale-dependent distributed roughness parame-terisation and a 3D finite volume scheme with a porosity algorithm approach to incorporate complex topography have been used. Different topographic sources are assessed using a 1D scheme. LiDAR data are used to isolate the mesh resolution from the topographic content of the DEM effects upon 2D and 3D flow results. A distributed roughness parameterisation, using a roughness height approach dependent upon both mesh resolution and topographic content is developed and evaluated for the 2D scheme. Grain-size data and fractal methods are used for the reconstruction of topography with microscale information, required for some applications but not easily available. Sensitivity of hydraulic parameters to this topographic parameterisation is evaluated in a 3D scheme at different mesh resolu¬tions. Finally, the structural variability of simulated flow is analysed and related to scale interactions. Model simulations demonstrate (i) the importance of the topographic source in a 1D models; (ii) the mesh resolution approach is dominant in 2D and 3D simulations whereas in a 1D model the topographic source and even the roughness parameterisation impacts are more critical; (iii) the increment of the sensitivity to roughness parameterisa-tion in 1D and 2D schemes with detailed topographic sources and finer mesh resolutions; and (iv) the topographic content and microtopography impact throughout the vertical profile of computed 3D velocity in a depth-dependent way, whereas 2D results are not affected by topographic content variations. Finally, the spatial analysis shows that the mesh resolution controls high resolution model scale results, roughness parameterisation control 2D simulation results for a constant mesh resolution; and topographic content and micro-topography variations impacts upon the organisation of flow results depth-dependently in a 3D scheme. Resumen La topografía juega un papel fundamental en la distribución del agua y la energía en los paisajes naturales (Beven and Kirkby 1979; Wood et al. 1997). La simulación hidráulica combinada con métodos de medición del terreno por teledetección constituyen una poderosa herramienta de investigación en la comprensión del comportamiento de los flujos de agua debido a la variabilidad de la superficie sobre la que fluye. La representación e incorporación de la topografía en el esquema hidráulico tiene una importancia crucial en los resultados y determinan el desarrollo de sus aplicaciones al campo medioambiental. Cualquier simulación es una simplificación de un proceso del mundo real, y por tanto el grado de simplificación determinará el significado de los resultados simulados. Este razonamiento es particularmente difícil de trasladar a la simulación hidráulica donde aspectos de la escala tan diferentes como la escala de los procesos de flujo y de representación del contorno son considerados conjuntamente incluso en fases de parametrización (e.g. parametrización de la rugosidad). Por una parte, esto es debido a que las decisiones de escala vienen condicionadas entre ellas (e.g. la dimensionalidad del modelo condiciona la escala de representación del contorno) y por tanto interaccionan en sus resultados estrechamente. Y por otra parte, debido a los altos requerimientos numéricos y computacionales de una representación explícita de alta resolución de los procesos de flujo y discretización de la malla. Además, previo a la modelización hidráulica, la superficie del terreno sobre la que el agua fluye debe ser modelizada y por tanto presenta su propia escala de representación, que a su vez dependerá de la escala de los datos topográficos medidos con que se elabora el modelo. En última instancia, esta topografía es la que determina el comportamiento espacial del flujo. Por tanto, la escala de la topografía en sus fases de medición y modelización (resolución de los datos y representación topográfica) previas a su incorporación en el modelo hidráulico producirá a su vez un impacto que se acumulará al impacto global resultante debido a la escala computacional del modelo hidráulico y su dimensión. La comprensión de las interacciones entre las complejas geometrías del contorno y la estructura del flujo utilizando la modelización hidráulica depende de las escalas consideradas en la simplificación de los procesos hidráulicos y del terreno (dimensión del modelo, tamaño de escala computacional y escala de los datos topográficos). La naturaleza de la aplicación del modelo hidráulico (e.g. habitat físico, análisis de riesgo de inundaciones, transporte de sedimentos) determina en primer lugar la escala del estudio y por tanto el detalle de los procesos a simular en el modelo (i.e. la dimensionalidad) y, en consecuencia, la escala computacional a la que se realizarán los cálculos (i.e. resolución computacional). Esta última a su vez determina, el detalle geográfico con que deberá representarse el contorno acorde con la resolución de la malla computacional. La parametrización persigue incorporar en el modelo hidráulico la cuantificación de los procesos y condiciones físicas del sistema natural y por tanto debe incluir no solo aquellos procesos que tienen lugar a la escala de modelización, sino también aquellos que tienen lugar a un nivel subescalar y que deben ser definidos mediante relaciones de escalado con las variables modeladas explícitamente. Dicha parametrización se implementa en la práctica mediante la provisión de datos al modelo, por tanto la escala de los datos geográficos utilizados para parametrizar el modelo no sólo influirá en los resultados, sino también determinará la importancia del comportamiento subescalar del modelo y el modo en que estos procesos deban ser parametrizados (e.g. la variabilidad natural del terreno dentro de la celda de discretización o el flujo en las direcciones laterales y verticales en un modelo unidimensional). En esta tesis, se han utilizado el modelo unidimensional HEC-RAS, (HEC 1998b), un modelo ráster bidimensional de propagación de onda, (Yu 2005) y un esquema tridimensional de volúmenes finitos con un algoritmo de porosidad para incorporar la topografía, (Lane et al. 2004; Hardy et al. 2005). La geometría del contorno viene definida por la escala de representación topográfica (resolución de malla y contenido topográfico), la cual a su vez depende de la escala de la fuente cartográfica. Todos estos factores de escala interaccionan en la respuesta del modelo hidráulico a la topografía. En los últimos años, métodos como el análisis fractal y las técnicas geoestadísticas utilizadas para representar y analizar elementos geográficos (e.g. en la caracterización de superficies (Herzfeld and Overbeck 1999; Butler et al. 2001)), están promoviendo nuevos enfoques en la cuantificación de los efectos de escala (Lam et al. 2004; Atkinson and Tate 2000; Lam et al. 2006) por medio del análisis de la estructura espacial de la variable (e.g. Bishop et al. 2006; Ju et al. 2005; Myint et al. 2004; Weng 2002; Bian and Xie 2004; Southworth et al. 2006; Pozd-nyakova et al. 2005; Kyriakidis and Goodchild 2006). Estos métodos cuantifican tanto el rango de valores de la variable presentes a diferentes escalas como la homogeneidad o heterogeneidad de la variable espacialmente distribuida (Lam et al. 2004). En esta tesis, estas técnicas se han utilizado para analizar el impacto de la topografía sobre la estructura de los resultados hidráulicos simulados. Los datos de teledetección de alta resolución y técnicas GIS también están siendo utilizados para la mejor compresión de los efectos de escala en modelos medioambientales (Marceau 1999; Skidmore 2002; Goodchild 2003) y se utilizan en esta tesis. Esta tesis como corpus de investigación aborda las interacciones de esas escalas en la modelización hidráulica desde un punto de vista global e interrelacionado. Sin embargo, la estructura y el foco principal de los experimentos están relacionados con las nociones espaciales de la escala de representación en relación con una visión global de las interacciones entre escalas. En teoría, la representación topográfica debe caracterizar la superficie sobre la que corre el agua a una adecuada (conforme a la finalidad y dimensión del modelo) escala de discretización, de modo que refleje los procesos de interés. La parametrización de la rugosidad debe de reflejar los efectos de la variabilidad de la superficie a escalas de más detalle que aquellas representadas explícitamente en la malla topográfica (i.e. escala de discretización). Claramente, ambos conceptos están físicamente relacionados por un

Assembling models of embryo development: Image analysis and the construction of digital atlases

Digital atlases of animal development provide a quantitative description of morphogenesis, opening the path toward processes modeling. Prototypic atlases offer a data integration framework where to gather information from cohorts of individuals with phenotypic variability. Relevant information for further theoretical reconstruction includes measurements in time and space for cell behaviors and gene expression. The latter as well as data integration in a prototypic model, rely on image processing strategies. Developing the tools to integrate and analyze biological multidimensional data are highly relevant for assessing chemical toxicity or performing drugs preclinical testing. This article surveys some of the most prominent efforts to assemble these prototypes, categorizes them according to salient criteria and discusses the key questions in the field and the future challenges toward the reconstruction of multiscale dynamics in model organisms.

Brain injury MRI simulator based on theoretical models of neuroanatomic damage

In order to improve the body of knowledge about brain injury impairment is essential to develop image database with different types of injuries. This paper proposes a new methodology to model three types of brain injury: stroke, tumor and traumatic brain injury; and implements a system to navigate among simulated MRI studies. These studies can be used on research studies, to validate new processing methods and as an educational tool, to show different types of brain injury and how they affect to neuroanatomic structures.

Interpretation of the pressuremeter test using numerical models based on deformation tensor equations

The pressuremeter test in boreholes has proven itself as a useful tool in geotechnical explorations, especially comparing its results with those obtained from a mathematical model ruled by a soil representative constitutive equation. The numerical model shown in this paper is aimed to be the reference framework for the interpretation of this test. The model analyses variables such as: the type of response, the initial state, the drainage regime and the constitutive equations. It is a model of finite elements able to work with a mesh without deformation or one adapted to it.

An Architecture forRepresenting Biological Processes based on Networks of Bio-inspired Processors

n this paper we propose the use of Networks of Bio-inspired Processors (NBP) to model some biological phenomena within a computational framework. In particular, we propose the use of an extension of NBP named Network Evolutionary Processors Transducers to simulate chemical transformations of substances. Within a biological process, chemical transformations of substances are basic operations in the change of the state of the cell. Previously, it has been proved that NBP are computationally complete, that is, they are able to solve NP complete problems in linear time, using massively parallel computations. In addition, we propose a multilayer architecture that will allow us to design models of biological processes related to cellular communication as well as their implications in the metabolic pathways. Subsequently, these models can be applied not only to biological-cellular instances but, possibly, also to configure instances of interactive processes in many other fields like population interactions, ecological trophic networks, in dustrial ecosystems, etc.

Generación de modelos físicos personalizados y segmentación de la pared arterial y el trombo intraluminal en imágenes de aneurismas aórticos abdominales

Esta tesis doctoral está encuadrada dentro del marco general de la ingeniería biomédica aplicada al tratamiento de las enfermedades cardiovasculares, enfermedades que provocan alrededor de 1.9 millones (40%) de muertes al año en la Unión Europea. En este contexto surge el proyecto europeo SCATh-Smart Catheterization, cuyo objetivo principal es mejorar los procedimientos de cateterismo aórtico introduciendo nuevas tecnologías de planificación y navegación quirúrgica y minimizando el uso de fluoroscopía. En particular, esta tesis aborda el modelado y diagnóstico de aneurismas aórticos abdominales (AAA) y del trombo intraluminal (TIL), allí donde esté presente, así como la segmentación de estas estructuras en imágenes preoperatorias de RM. Los modelos físicos específicos del paciente, construidos a partir de imágenes médicas preoperatorias, tienen múltiples usos, que van desde la evaluación preoperatoria de estructuras anatómicas a la planificación quirúrgica para el guiado de catéteres. En el diagnóstico y tratamiento de AAA, los modelos físicos son útiles a la hora de evaluar diversas variables biomecánicas y fisiológicas de las estructuras vasculares. Existen múltiples técnicas que requieren de la generación de modelos físicos que representen la anatomía vascular. Una de las principales aplicaciones de los modelos físicos es el análisis de elementos finitos (FE). Las simulaciones de FE para AAA pueden ser específicas para el paciente y permiten modelar estados de estrés complejos, incluyendo los efectos provocados por el TIL. La aplicación de métodos numéricos de análisis tiene como requisito previo la generación de una malla computacional que representa la geometría de interés mediante un conjunto de elementos poliédricos, siendo los hexaédricos los que presentan mejores resultados. En las estructuras vasculares, generar mallas hexaédricas es un proceso especialmente exigente debido a la compleja anatomía 3D ramificada. La mayoría de los AAA se encuentran situados en la bifurcación de la arteria aorta en las arterias iliacas y es necesario modelar de manera fiel dicha bifurcación. En el caso de que la sangre se estanque en el aneurisma provocando un TIL, éste forma una estructura adyacente a la pared aórtica. De este modo, el contorno externo del TIL es el mismo que el contorno interno de la pared, por lo que las mallas resultantes deben reflejar esta particularidad, lo que se denomina como "mallas conformadas". El fin último de este trabajo es modelar las estructuras vasculares de modo que proporcionen nuevas herramientas para un mejor diagnóstico clínico, facilitando medidas de riesgo de rotura de la arteria, presión sistólica o diastólica, etc. Por tanto, el primer objetivo de esta tesis es diseñar un método novedoso y robusto para generar mallas hexaédricas tanto de la pared aórtica como del trombo. Para la identificación de estas estructuras se utilizan imágenes de resonancia magnética (RM). Deben mantenerse sus propiedades de adyacencia utilizando elementos de alta calidad, prestando especial atención al modelado de la bifurcación y a que sean adecuadas para el análisis de FE. El método tiene en cuenta la evolución de la línea central del vaso en el espacio tridimensional y genera la malla directamente a partir de las imágenes segmentadas, sin necesidad de reconstruir superficies triangulares. Con el fin de reducir la intervención del usuario en el proceso de generación de las mallas, es también objetivo de esta tesis desarrollar un método de segmentación semiautomática de las distintas estructuras de interés. Las principales contribuciones de esta tesis doctoral son: 1. El diseño, implementación y evaluación de un algoritmo de generación de mallas hexaédricas conformadas de la pared y el TIL a partir de los contornos segmentados en imágenes de RM. Se ha llevado a cabo una evaluación de calidad que determine su aplicabilidad a métodos de FE. Los resultados demuestran que el algoritmo desarrollado genera mallas conformadas de alta calidad incluso en la región de la bifurcación, que son adecuadas para su uso en métodos de análisis de FE. 2. El diseño, implementación y evaluación de un método de segmentación automático de las estructuras de interés. La luz arterial se segmenta de manera semiautomática utilizando un software disponible a partir de imágenes de RM con contraste. Los resultados de este proceso sirven de inicialización para la segmentación automática de las caras interna y externa de la pared aórtica utilizando métodos basado en modelos de textura y forma a partir de imágenes de RM sin contraste. Los resultados demuestran que el algoritmo desarrollado proporciona segmentaciones fieles de las distintas estructuras de interés. En conclusión, el trabajo realizado en esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas, y pretende servir como aportación para futuros avances en la generación de modelos físicos de geometrías biológicas. ABSTRACT The frame of this PhD Thesis is the biomedical engineering applied to the treatment of cardiovascular diseases, which cause around 1.9 million deaths per year in the European Union and suppose about 40% of deaths per year. In this context appears the European project SCATh-Smart Catheterization. The main objective of this project is creating a platform which improves the navigation of catheters in aortic catheterization minimizing the use of fluoroscopy. In the framework of this project, the specific field of this PhD Thesis is the diagnosis and modeling of abdominal aortic aneurysm (AAAs) and the intraluminal thrombus (ILT) whenever it is present. Patient-specific physical models built from preoperative imaging are becoming increasingly important in the area of minimally invasive surgery. These models can be employed for different purposes, such as the preoperatory evaluation of anatomic structures or the surgical planning for catheter guidance. In the specific case of AAA diagnosis and treatment, physical models are especially useful for evaluating pressures over vascular structures. There are multiple techniques that require the generation of physical models which represent the target anatomy. Finite element (FE) analysis is one the principal applications for physical models. FE simulations for AAA may be patient-specific and allow modeling biomechanical and physiological variables including those produced by ILT, and also the segmentation of those anatomical structures in preoperative MR images. Applying numeric methods requires the generation of a proper computational mesh. These meshes represent the patient anatomy using a set of polyhedral elements, with hexahedral elements providing better results. In the specific case of vascular structures, generating hexahedral meshes is a challenging task due to the complex 3D branching anatomy. Each patient’s aneurysm is unique, characterized by its location and shape, and must be accurately represented for subsequent analyses to be meaningful. Most AAAs are located in the region where the aorta bifurcates into the iliac arteries and it is necessary to model this bifurcation precisely and reliably. If blood stagnates in the aneurysm and forms an ILT, it exists as a conforming structure with the aortic wall, i.e. the ILT’s outer contour is the same as the wall’s inner contour. Therefore, resulting meshes must also be conforming. The main objective of this PhD Thesis is designing a novel and robust method for generating conforming hexahedral meshes for the aortic wall and the thrombus. These meshes are built using largely high-quality elements, especially at the bifurcation, that are suitable for FE analysis of tissue stresses. The method accounts for the evolution of the vessel’s centerline which may develop outside a single plane, and generates the mesh directly from segmented images without the requirement to reconstruct triangular surfaces. In order to reduce the user intervention in the mesh generation process is also a goal of this PhD. Thesis to develop a semiautomatic segmentation method for the structures of interest. The segmentation is performed from magnetic resonance image (MRI) sequences that have tuned to provide high contrast for the arterial tissue against the surrounding soft tissue, so that we determine the required information reliably. The main contributions of this PhD Thesis are: 1. The design, implementation and evaluation of an algorithm for generating hexahedral conforming meshes of the arterial wall and the ILT from the segmented contours. A quality inspection has been applied to the meshes in order to determine their suitability for FE methods. Results show that the developed algorithm generates high quality conforming hexahedral meshes even at the bifurcation region. Thus, these meshes are suitable for FE analysis. 2. The design, implementation and evaluation of a semiautomatic segmentation method for the structures of interest. The lumen is segmented in a semiautomatic way from contrast filled MRI using an available software. The results obtained from this process are used to initialize the automatic segmentation of the internal and external faces of the aortic wall. These segmentations are performed by methods based on texture and shape models from MRI with no contrast. The results show that the algorithm provides faithful segmentations of the structures of interest requiring minimal user intervention. In conclusion, the work undertaken in this PhD. Thesis verifies the investigation hypotheses. It intends to serve as basis for future physical model generation of proper biological anatomies used by numerical methods.

Integration of physical, chemical and biological tactics against insect pests and virus diseases in horticultural crops

Actualmente, la gestión de sistemas de Manejo Integrado de Plagas (MIP) en cultivos hortícolas tiene por objetivo priorizar los métodos de control no químicos en detrimento del consumo de plaguicidas, según recoge la directiva europea 2009/128/CE ‘Uso Sostenible de Plaguicidas’ (OJEC, 2009). El uso de agentes de biocontrol como alternativa a la aplicación de insecticidas es un elemento clave de los sistemas MIP por sus innegables ventajas ambientales que se utiliza ampliamente en nuestro país (Jacas y Urbaneja, 2008). En la región de Almería, donde se concentra el 65% de cultivo en invernadero de nuestro país (47.367 ha), MIP es la principal estrategia en pimiento (MAGRAMA, 2014), y comienza a serlo en otros cultivos como tomate o pepino. El cultivo de pepino, con 8.902 ha (MAGRAMA, 2013), tiene un protocolo semejante al pimiento (Robledo et al., 2009), donde la única especie de pulgón importante es Aphis gossypii Glover. Sin embargo, pese al continuo incremento de la superficie de cultivo agrícola bajo sistemas MIP, los daños originados por virosis siguen siendo notables. Algunos de los insectos presentes en los cultivos de hortícolas son importantes vectores de virus, como los pulgones, las moscas blancas o los trips, cuyo control resulta problemático debido a su elevada capacidad para transmitir virus vegetales incluso a una baja densidad de plaga (Holt et al., 2008; Jacas y Urbaneja, 2008). Las relaciones que se establecen entre los distintos agentes de un ecosistema son complejas y muy específicas. Se ha comprobado que, pese a que los enemigos naturales reducen de manera beneficiosa los niveles de plaga, su incorporación en los sistemas planta-insecto-virus puede desencadenar complicadas interacciones con efectos no deseables (Dicke y van Loon, 2000; Jeger et al., 2011). Así, los agentes de biocontrol también pueden inducir a que los insectos vectores modifiquen su comportamiento como respuesta al ataque y, con ello, el grado de dispersión y los patrones de distribución de las virosis que transmiten (Bailey et al., 1995; Weber et al., 1996; Hodge y Powell, 2008a; Hodge et al., 2011). Además, en ocasiones el control biológico por sí solo no es suficiente para controlar determinadas plagas (Medina et al., 2008). Entre los métodos que se pueden aplicar bajo sistemas MIP están las barreras físicas que limitan la entrada de plagas al interior de los invernaderos o interfieren con su movimiento, como pueden ser las mallas anti-insecto (Álvarez et al., 2014), las mallas fotoselectivas (Raviv y Antignus, 2004; Weintraub y Berlinger, 2004; Díaz y Fereres, 2007) y las mallas impregnadas en insecticida (Licciardi et al., 2008; Martin et al., 2014). Las mallas fotoselectivas reducen o bloquean casi por completo la transmisión de radiación UV, lo que interfiere con la visión de los insectos y dificulta o impide la localización del cultivo y su establecimiento en el mismo (Raviv y Antignus, 2004; Weintraub, 2009). Se ha comprobado cómo su uso puede controlar los pulgones y las virosis en cultivo de lechuga (Díaz et al., 2006; Legarrea et al., 2012a), así como la mosca blanca, los trips y los ácaros, y los virus que estos transmiten en otros cultivos (Costa y Robb, 1999; Antignus et al., 2001; Kumar y Poehling, 2006; Doukas y Payne, 2007a; Legarrea et al., 2010). Sin embargo, no se conoce perfectamente el modo de acción de estas barreras, puesto que existe un efecto directo sobre la plaga y otro indirecto mediado por la planta, cuya fisiología cambia al desarrollarse en ambientes con falta de radiación UV, y que podría afectar al ciclo biológico de los insectos fitófagos (Vänninen et al., 2010; Johansen et al., 2011). Del mismo modo, es necesario estudiar la compatibilidad de esta estrategia con los enemigos naturales de las plagas. Hasta la fecha, los estudios han evidenciado que los agentes de biocontrol pueden realizar su actividad bajo ambientes pobres en radiación UV (Chyzik et al., 2003; Chiel et al., 2006; Doukas y Payne, 2007b; Legarrea et al., 2012c). Otro método basado en barreras físicas son las mallas impregnadas con insecticidas, que se han usado tradicionalmente en la prevención de enfermedades humanas transmitidas por mosquitos (Martin et al., 2006). Su aplicación se ha ensayado en agricultura en ciertos cultivos al aire libre (Martin et al., 2010; Díaz et al., 2004), pero su utilidad en cultivos protegidos para prevenir la entrada de insectos vectores en invernadero todavía no ha sido investigada. Los aditivos se incorporan al tejido durante el proceso de extrusión de la fibra y se liberan lentamente actuando por contacto en el momento en que el insecto aterriza sobre la malla, con lo cual el riesgo medioambiental y para la salud humana es muy limitado. Los plaguicidas que se emplean habitualmente suelen ser piretroides (deltametrina o bifentrín), aunque también se ha ensayado dicofol (Martin et al., 2010) y alfa-cipermetrina (Martin et al., 2014). Un factor que resulta de vital importancia en este tipo de mallas es el tamaño del poro para facilitar una buena ventilación del cultivo, al tiempo que se evita la entrada de insectos de pequeño tamaño como las moscas blancas (Bethke y Paine, 1991; Muñoz et al., 1999). Asimismo, se plantea la necesidad de estudiar la compatibilidad de estas mallas con los enemigos naturales. Es por ello que en esta Tesis Doctoral se plantea la necesidad de evaluar nuevas mallas impregnadas que impidan el paso de insectos de pequeño tamaño al interior de los invernaderos, pero que a su vez mantengan un buen intercambio y circulación de aire a través del poro de la malla. Así, en la presente Tesis Doctoral, se han planteado los siguientes objetivos generales a desarrollar: 1. Estudiar el impacto de la presencia de parasitoides sobre el grado de dispersión y los patrones de distribución de pulgones y las virosis que éstos transmiten. 2. Conocer el efecto directo de ambientes pobres en radiación UV sobre el comportamiento de vuelo de plagas clave de hortícolas y sus enemigos naturales. 3. Evaluar el efecto directo de la radiación UV-A sobre el crecimiento poblacional de pulgones y mosca blanca, y sobre la fisiología de sus plantas hospederas, así como el efecto indirecto de la radiación UV-A en ambas plagas mediado por el crecimiento de dichas planta hospederas. 4. Caracterización de diversas mallas impregnadas en deltametrina y bifentrín con diferentes propiedades y selección de las óptimas para el control de pulgones, mosca blanca y sus virosis asociadas en condiciones de campo. Estudio de su compatibilidad con parasitoides. ABSTRACT Insect vectors of plant viruses are the main agents causing major economic losses in vegetable crops grown under protected environments. This Thesis focuses on the implementation of new alternatives to chemical control of insect vectors under Integrated Pest Management programs. In Spain, biological control is the main pest control strategy used in a large part of greenhouses where horticultural crops are grown. The first study aimed to increase our knowledge on how the presence of natural enemies such as Aphidius colemani Viereck may alter the dispersal of the aphid vector Aphis gossypii Glover (Chapter 4). In addition, it was investigated if the presence of this parasitoid affected the spread of aphid-transmitted viruses Cucumber mosaic virus (CMV, Cucumovirus) and Cucurbit aphid-borne yellows virus (CABYV, Polerovirus) infecting cucumber (Cucumis sativus L). SADIE methodology was used to study the distribution patterns of both the virus and its vector, and their degree of association. Results suggested that parasitoids promoted aphid dispersal in the short term, which enhanced CMV spread, though consequences of parasitism suggested potential benefits for disease control in the long term. Furthermore, A. colemani significantly limited the spread and incidence of the persistent virus CABYV in the long term. The flight activity of pests Myzus persicae (Sulzer), Bemisia tabaci (Gennadius) and Tuta absoluta (Meyrick), and natural enemies A. colemani and Sphaerophoria rueppellii (Weidemann) under UV-deficient environments was studied under field conditions (Chapter 5). One-chamber tunnels were covered with cladding materials with different UV transmittance properties. Inside each tunnel, insects were released from tubes placed in a platform suspended from the ceiling. Specific targets were located at different distances from the platform. The ability of aphids and whiteflies to reach their targets was diminished under UV-absorbing barriers, suggesting a reduction of vector activity under this type of nets. Fewer aphids reached distant traps under UV-absorbing nets, and significantly more aphids could fly to the end of the tunnels covered with non-UV blocking materials. Unlike aphids, differences in B. tabaci captures were mainly found in the closest targets. The oviposition of lepidopteran T. absoluta was also negatively affected by a UV-absorbing cover. The photoselective barriers were compatible with parasitism and oviposition of biocontrol agents. Apart from the direct response of insects to UV radiation, plant-mediated effects influencing insect performance were investigated (Chapter 6). The impact of UV-A radiation on the performance of aphid M. persicae and whitefly B. tabaci, and growth and leaf physiology of host plants pepper and eggplant was studied under glasshouse conditions. Plants were grown inside cages covered by transparent and UV-A-opaque plastic films. Plant growth and insect fitness were monitored. Leaves were harvested for chemical analysis. Pepper plants responded directly to UV-A by producing shorter stems whilst UV-A did not affect the leaf area of either species. UV-A-treated peppers had higher content of secondary metabolites, soluble carbohydrates, free amino acids and proteins. Such changes in tissue chemistry indirectly promoted aphid performance. For eggplants, chlorophyll and carotenoid levels decreased with supplemental UVA but phenolics were not affected. Exposure to supplemental UV-A had a detrimental effect on whitefly development, fecundity and fertility presumably not mediated by plant cues, as compounds implied in pest nutrition were unaltered. Lastly, the efficacy of a wide range of Long Lasting Insecticide Treated Nets (LLITNs) was studied under laboratory and field conditions. This strategy aimed to prevent aphids and whiteflies to enter the greenhouse by determining the optimum mesh size (Chapter 7). This new approach is based on slow release deltamethrin- and bifenthrin-treated nets with large hole sizes that allow improved ventilation of greenhouses. All LLITNs produced high mortality of M. persicae and A. gossypii although their efficacy decreased over time with sun exposure. It was necessary a net with hole size of 0.29 mm2 to exclude B. tabaci under laboratory conditions. The feasibility of two selected nets was studied in the field under a high insect infestation pressure in the presence of CMV- and CABYV-infected cucumber plants. Besides, the compatibility of parasitoid A. colemani with bifenthrin-treated nets was studied in parallel field experiments. Both nets effectively blocked the invasion of aphids and reduced the incidence of both viruses, however they failed to exclude whiteflies. We found that our LLITNs were compatible with parasitoid A. colemani. As shown, the role of natural enemies has to be taken into account regarding the dispersal of insect vectors and subsequent spread of plant viruses. The additional benefits of novel physicochemical barriers, such as photoselective and insecticide-impregnated nets, need to be considered in Integrated Pest Management programs of vegetable crops grown under protected environments.

A methodology to calibrate structural finite element models for reinforced concrete structures subject to blast loads

Civil buildings are not specifically designed to support blast loads, but it is important to take into account these potential scenarios because of their catastrophic effects, on persons and structures. A practical way to consider explosions on reinforced concrete structures is necessary. With this objective we propose a methodology to evaluate blast loads on large concrete buildings, using LS-DYNA code for calculation, with Lagrangian finite elements and explicit time integration. The methodology has three steps. First, individual structural elements of the building like columns and slabs are studied, using continuum 3D elements models subjected to blast loads. In these models reinforced concrete is represented with high precision, using advanced material models such as CSCM_CONCRETE model, and segregated rebars constrained within the continuum mesh. Regrettably this approach cannot be used for large structures because of its excessive computational cost. Second, models based on structural elements are developed, using shells and beam elements. In these models concrete is represented using CONCRETE_EC2 model and segregated rebars with offset formulation, being calibrated with continuum elements models from step one to obtain the same structural response: displacement, velocity, acceleration, damage and erosion. Third, models basedon structural elements are used to develop large models of complete buildings. They are used to study the global response of buildings subjected to blast loads and progressive collapse. This article carries out different techniques needed to calibrate properly the models based on structural elements, using shells and beam elements, in order to provide results of sufficient accuracy that can be used with moderate computational cost.

Two-dimensional direct rainfall hydraulic models applied to direct calculation of hydrologic events in dams to prevent overtopping

One of the main concerns when conducting a dam test is the acute determination of the hydrograph for a specific flood event. The use of 2D direct rainfall hydraulic mathematical models on a finite elements mesh, combined with the efficiency of vector calculus that provides CUDA (Compute Unified Device Architecture) technology, enables nowadays the simulation of complex hydrological models without the need for terrain subbasin and transit splitting (as in HEC-HMS). Both the Spanish PNOA (National Plan of Aereal Orthophotography) Digital Terrain Model GRID with a 5 x 5 m accuracy and the CORINE GIS Land Cover (Coordination of INformation of the Environment) that allows assessment of the ground roughness, provide enough data to easily build these kind of models

NDT to identify biological damage in wood

Nondestructive techniques are widely used to assess existing timber structures. The models proposed for these methods are usually performed in the laboratory using small clear wood specimens. But in real situations many anomalies, defects and biological damage are found in wood. In these cases the existing models only indicate that the values are outside normality without providing any other information. To solve this problem, a study of non-destructive probing methods for wood was performed, testing the behaviour of four different techniques (penetration resistance, pullout resistance, drill resistance and chip drill extraction) on wood samples with different biological damage, simulating an in-situ test. The wood samples were obtained from existing Spanish timber structures with biotic damage caused by borer insects, termites, brown rot and white rot. The study concludes that all of the methods offer more or less detailed information about the degree of deterioration of wood, but that the first two methods (penetration and pullout resistance) cannot distinguish between pathologies. On the other hand, drill resistance and chip drill extraction make it possible to differentiate pathologies and even to identify species or damage location. Finally, the techniques used were compared to characterize their advantages and disadvantages.

A study of the mechanical behaviour of the human aortic artery by means of non-linear finite element models

En la presente tesis desarrollamos una estrategia para la simulación numérica del comportamiento mecánico de la aorta humana usando modelos de elementos finitos no lineales. Prestamos especial atención a tres aspectos claves relacionados con la biomecánica de los tejidos blandos. Primero, el análisis del comportamiento anisótropo característico de los tejidos blandos debido a las familias de fibras de colágeno. Segundo, el análisis del ablandamiento presentado por los vasos sanguíneos cuando estos soportan cargas fuera del rango de funcionamiento fisiológico. Y finalmente, la inclusión de las tensiones residuales en las simulaciones en concordancia con el experimento de apertura de ángulo. El análisis del daño se aborda mediante dos aproximaciones diferentes. En la primera aproximación se presenta una formulación de daño local con regularización. Esta formulación tiene dos ingredientes principales. Por una parte, usa los principios de la teoría de la fisura difusa para garantizar la objetividad de los resultados con diferentes mallas. Por otra parte, usa el modelo bidimensional de Hodge-Petruska para describir el comportamiento mesoscópico de los fibriles. Partiendo de este modelo mesoscópico, las propiedades macroscópicas de las fibras de colágeno son obtenidas a través de un proceso de homogenización. En la segunda aproximación se presenta un modelo de daño no-local enriquecido con el gradiente de la variable de daño. El modelo se construye a partir del enriquecimiento de la función de energía con un término que contiene el gradiente material de la variable de daño no-local. La inclusión de este término asegura una regularización implícita de la implementación por elementos finitos, dando lugar a resultados de las simulaciones que no dependen de la malla. La aplicabilidad de este último modelo a problemas de biomecánica se estudia por medio de una simulación de un procedimiento quirúrgico típico conocido como angioplastia de balón. In the present thesis we develop a framework for the numerical simulation of the mechanical behaviour of the human aorta using non-linear finite element models. Special attention is paid to three key aspects related to the biomechanics of soft tissues. First, the modelling of the characteristic anisotropic behaviour of the softue due to the collagen fibre families. Secondly, the modelling of damage-related softening that blood vessels exhibit when subjected to loads beyond their physiological range. And finally, the inclusion of the residual stresses in the simulations in accordance with the opening-angle experiment The modelling of damage is addressed with two major and different approaches. In the first approach a continuum local damage formulation with regularisation is presented. This formulation has two principal ingredients. On the one hand, it makes use of the principles of the smeared crack theory to avoid the mesh size dependence of the structural response in softening. On the other hand, it uses a Hodge-Petruska bidimensional model to describe the fibrils as staggered arrays of tropocollagen molecules, and from this mesoscopic model the macroscopic material properties of the collagen fibres are obtained using an homogenisation process. In the second approach a non-local gradient-enhanced damage formulation is introduced. The model is built around the enhancement of the free energy function by means of a term that contains the referential gradient of the non-local damage variable. The inclusion of this term ensures an implicit regularisation of the finite element implementation, yielding mesh-objective results of the simulations. The applicability of the later model to biomechanically-related problems is studied by means of the simulation of a typical surgical procedure, namely, the balloon angioplasty.

Prospectives of monitoring biological activity in a red-legged partridge incubator with a carbon dioxide probe

This study focuses on the relationship between CO2 production and the ultimate hatchability of the incubation. A total amount of 43316 eggs of red-legged partridge (Alectoris rufa) were supervised during five actual incubations: three in 2012 and two in 2013. The CO2 concentration inside the incubator was monitored over a 20-day period, showing sigmoidal growth from ambient level (428 ppm) up to 1700 ppm in the incubation with the highest hatchability. Two sigmoid growth models (logistic and Gompertz) were used to describe the CO2 production by the eggs, with the result that the logistic model was a slightly better fit (r2=0.976 compared to r2=0.9746 for Gompertz). A coefficient of determination of 0.997 between the final CO2 estimation (ppm) using the logistic model and hatchability (%) was found.