A method for incorporating residual stresses into patient-specific finite element simulations of arteries with an example on AAAs

Through progress in medical imaging, image analysis and finite element (FE) meshing tools it is now possible to extract patient-specific geometries from medical images of abdominal aortic aneurysms(AAAs), and thus to study clinically-relevant problems via FE simulations. Such simulations allow additional insight into human physiology in both healthy and diseased states. Medical imaging is most often performed in vivo, and hence the reconstructed model geometry in the problem of interest will represent the in vivo state, e.g., the AAA at physiological blood pressure. However, classical continuum mechanics and FE methods assume that constitutive models and the corresponding simulations begin from an unloaded, stress-free reference condition.

Quantitative evaluation of patient-specific conforming hexahedral meshes of abdominal aortic aneurysms and intraluminal thrombus generated from MRI

A novel method for generating patient-specific high quality conforming hexahedral meshes is presented. The meshes are directly obtained from the segmentation of patient magnetic resonance (MR) images of abdominal aortic aneu-rysms (AAA). The MRI permits distinguishing between struc-tures of interest in soft tissue. Being so, the contours of the lumen, the aortic wall and the intraluminal thrombus (ILT) are available and thus the meshes represent the actual anato-my of the patient?s aneurysm, including the layered morpholo-gies of these structures. Most AAAs are located in the lower part of the aorta and the upper section of the iliac arteries, where the inherent tortuosity of the anatomy and the presence of the ILT makes the generation of high-quality elements at the bifurcation is a challenging task. In this work we propose a novel approach for building quadrilateral meshes for each surface of the sectioned geometry, and generating conforming hexahedral meshes by combining the quadrilateral meshes. Conforming hexahedral meshes are created for the wall and the ILT. The resulting elements are evaluated on four patients? datasets using the Scaled Jacobian metric. Hexahedral meshes of 25,000 elements with 94.8% of elements well-suited for FE analysis are generated.

High-quality conforming hexahedral meshes of patient-specific abdominal aortic aneurysms including their intraluminal thrombi

In order to perform finite element (FE) analyses of patient-specific abdominal aortic aneurysms, geometries derived from medical images must be meshed with suitable elements. We propose a semi-automatic method for generating conforming hexahedral meshes directly from contours segmented from medical images. Magnetic resonance images are generated using a protocol developed to give the abdominal aorta high contrast against the surrounding soft tissue. These data allow us to distinguish between the different structures of interest. We build novel quadrilateral meshes for each surface of the sectioned geometry and generate conforming hexahedral meshes by combining the quadrilateral meshes. The three-layered morphology of both the arterial wall and thrombus is incorporated using parameters determined from experiments. We demonstrate the quality of our patient-specific meshes using the element Scaled Jacobian. The method efficiently generates high-quality elements suitable for FE analysis, even in the bifurcation region of the aorta into the iliac arteries. For example, hexahedral meshes of up to 125,000 elements are generated in less than 130 s, with 94.8 % of elements well suited for FE analysis. We provide novel input for simulations by independently meshing both the arterial wall and intraluminal thrombus of the aneurysm, and their respective layered morphologies.

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.

p-medicine: a medical informatics platform for integrated large scale heterogeneous patient data

Secure access to patient data is becoming of increasing importance, as medical informatics grows in significance, to both assist with population health studies, and patient specific medicine in support of treatment. However, assembling the many different types of data emanating from the clinic is in itself a difficulty, and doing so across national borders compounds the problem. In this paper we present our solution: an easy to use distributed informatics platform embedding a state of the art data warehouse incorporating a secure pseudonymisation system protecting access to personal healthcare data. Using this system, a whole range of patient derived data, from genomics to imaging to clinical records, can be assembled and linked, and then connected with analytics tools that help us to understand the data. Research performed in this environment will have immediate clinical impact for personalised patient healthcare.

Automatic generation of models for abdominal aortic aneurysms and intraluminal thrombus based on hexahedral meshes

To propose an automated patient-specific algorithm for the creation of accurate and smooth meshes of the aortic anatomy, to be used for evaluating rupture risk factors of abdominal aortic aneurysms (AAA). Finite element (FE) analyses and simulations require meshes to be smooth and anatomically accurate, capturing both the artery wall and the intraluminal thrombus (ILT). The two main difficulties are the modeling of the arterial bifurcations, and of the ILT, which has an arbitrary shape that is conforming to the aortic wall.

Finite elastic deformations of transversely isotropic circular cylindrical tubes

We consider the finite radially symmetric deformation of a circular cylindrical tube of a homogeneous transversely isotropic elastic material subject to axial stretch, radial deformation and torsion, supported by axial load, internal pressure and end moment. Two different directions of transverse isotropy are considered: the radial direction and an arbitrary direction in planes normal locally to the radial direction, the only directions for which the considered deformation is admissible in general. In the absence of body forces, formulas are obtained for the internal pressure, and the resultant axial load and torsional moment on the ends of the tube in respect of a general strain-energy function. For a specific material model of transversely isotropic elasticity, and material and geometrical parameters, numerical results are used to illustrate the dependence of the pressure, (reduced) axial load and moment on the radial stretch and a measure of the torsional deformation for a fixed value of the axial stretch.

Diseño metodológico para la creación y desarrollo de organizaciones innovadoras, basadas en un modelo de liderazgo que genere entornos facilitadores de la creatividad, implantación de procesos de innovación y creación de productos y servicios innovadores

La presente investigación tiene como objetivo el desarrollo de una metodología que favorezca la innovación en las empresas a través de la actividad directiva, analizando a su vez, su influencia a nivel macro, en los sistemas de innovación, en las políticas de innovación y en el capital intelectual y a nivel micro, en la innovación, en el desempeño y en el clima organizacional. Se estima importante realizar un estudio sobre este tema debido a que la innovación se considera un pilar crítico para el desarrollo social a través de la competitividad de las empresas, así como, una fuente importante de ventaja competitiva. Existe abundante literatura sobre la influencia de la innovación en la gestión empresarial y el papel que el liderazgo desempeña en términos generales. Sin embargo, la literatura presenta diversos estilos de liderazgo sin mostrar una línea consistente de interrelación entre ellos, por lo que finalmente no existe una relación sólida entre el liderazgo, la gestión empresarial y la innovación. Este hecho se debe, como se muestra en la tesis, a que la literatura analiza las organizaciones y el liderazgo desde una perspectiva sociológica u organizacional, y otra desde la perspectiva psicológica sin aportar una línea de articulación entre ambas. Es decir, la literatura analiza el comportamiento organizacional pero no su causa. A lo largo de la tesis se van desarrollando diferentes líneas de trabajo que se convierten en aportaciones empíricas y académicas. Así, una de las aportaciones de la tesis es la sustitución de la figura del líder como persona, por la de un directivo con una doble función; por un lado, la función de liderazgo cuyo objetivo es generar cambio y por el otro, la función de gestionar el día a día o desempeño. Sustituir la figura del líder por una doble funcionalidad directiva facilita la comprensión del concepto liderazgo, lo que permite a su vez, establecer estrategias para su desarrollo, haciendo una realidad el que el liderazgo puede ser aprendido. Este resultado constituye la primera aportación de la tesis. Así mismo, a través de un exhaustivo análisis de la literatura, se desarrolla una propuesta de liderazgo integrado de acuerdo con el modelo Stuart-Kotze, el cual se describe también ampliamente. Encontrar un modelo único de liderazgo supone la piedra angular para el desarrollo de la metodología. Esta propuesta de liderazgo integrado da lugar a la segunda aportación de la tesis. Del mismo modo, se realiza un estudio en profundidad de la perspectiva psicológica de las organizaciones desarrollando el constructo Miedo al Error (ME) que resulta ser un rasgo de la personalidad existente en todos los seres humanos y que presenta una influencia negativa tanto en el desempeño, como en la innovación empresarial. Este resultado permite identificar cuales son las verdaderas barreras para el ejercicio del liderazgo, señalando que la disminución del ME debe ser considerada como una competencia de la Inteligencia Emocional a ser desarrollada por los directivos. Este resultado constituye la tercera aportación de la tesis. Una vez desarrollado el modelo de gestión empresarial expuesto, se procede a su validación, analizando la relación entre los constructos que definen el modelo de gestión: el desempeño, la innovación y el ME. Para identificar las influencias o relaciones de causalidad que subyacen entre los constructos, se utilizó la técnica del modelo de ecuaciones estructurales (SEM). La población objeto de estudio estuvo constituida por 350 profesionales con responsabilidad directiva, procedentes de empresas del sector servicios repartidas por toda la geografía española. Como fuente primaria de recolección de información se utilizó el cuestionario desarrollado por Stuart-Kotze M-CPI (Momentum Continuous Performance Improvement). En primer lugar se procedió a evaluar las propiedades psicométricas del modelo de medida, llevándose a cabo un análisis factorial exploratorio (AFE) y un análisis factorial confirmatorio (AFC) de segundo orden. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto que el constructo desempeño (D) viene determinado por dos dimensiones, (DOP), desempeño orientado hacia la planificación y (DORT), desempeño orientado hacia la realización de la tarea. Es decir, la muestra de directivos no percibe que la planificación en el día a día y la realización de la tarea estén articuladas. Posteriormente se procede a realizar el contraste del modelo a través del método de ecuaciones estructurales. Los resultados muestran que la relación de influencia de la dimensión DOP no es significativa, por lo que el constructo D queda representado únicamente por la dimensión DORT. Los resultados de la investigación proporcionan conclusiones e hipótesis para futuras investigaciones. Si bien la muestra de directivos realiza un plan estratégico, éste no se tiene en cuenta en el día a día. Este hecho podría explicar el alto grado de administración por crisis tan frecuente en la empresa española. A su vez, el ME presenta una influencia negativa en la innovación, lo que concuerda con la literatura. Al respecto, considerar el ME como un rasgo de la personalidad, presente tanto en directivos como en colaboradores, facilita la comprensión de las barreras de la organización hacia la comunicación abierta a la vez, que una dirección de trabajo para la mejora de la capacidad innovadora de la organización. Por último, los resultados establecen la existencia de una relación causal entre el desempeño diario y la innovación. Con respecto a este segundo resultado y analizando los comportamientos que identifican el constructo D surgen también varias conclusiones e hipótesis para futuras investigaciones. Los resultados ponen de manifiesto que la muestra de directivos genera iniciativas de cambio con la finalidad de que el trabajo diario salga adelante según los estándares de calidad definidos. Sin embargo, estas iniciativas sólo proceden de los directivos, sin participación alguna de los colaboradores, los cuales son sólo responsables de la implementación produciéndose la consiguiente desmotivación y pérdida de oportunidades. Esta conclusión pone de manifiesto que la innovación de las empresas de la muestra sucede para garantizar la eficiencia de los procesos existentes, pero en ningún caso surge de la iniciativa de buscar una mejor eficacia empresarial. Este hecho plantea un origen doble de la innovación en los procesos. La innovación proactiva que buscaría la mejora de la eficacia de la organización y una innovación de carácter reactiva que buscaría la salvaguarda de la eficiencia. Quizás sea esta la causa del gap existente entre la innovación en España y la innovación de los países que ocupan los primeros puestos en el ranking de producción de innovación lo que constituye un importante punto de partida para una investigación futura. ABSTRACT This research aims to develop a methodology that supports innovation in companies through the managers’ activity, analysing in turn its influence at the macro level: innovation systems, innovation policies and Intellectual capital and at the micro level: innovation itself, performance and organizational climate. It is considered important to conduct a study on this subject due to the fact that innovation is considered a critical pillar for the development and future of the enterprise and an important source of competitive advantage. There is abundant literature about the influence of innovation in business management and the role that leadership plays in general terms. However, the literature presents various styles of leadership without showing a consistent relationship among them, so finally there is not a strong relationship among leadership, business management and innovation. As shown in the thesis, this is due to the fact that the literature analyses organizations and leadership from a sociological or organizational perspective and from a psychological perspective, without providing a hinge line between the two. That is, the existing literature discusses organizational behaviour but not its cause. Throughout the thesis, different lines of work that become empirical and academic contributions have been developed. Thus, one of the contributions of the thesis is replacing the figure of the leader as a person, by a manager with a dual function. Firstly, we have the leadership role which aims to generate change and, on the other hand, the function to manage the day-to-day task or performance. Replacing the figure of the leader by a dual managerial functionality facilitates the understanding of the leadership concept, allowing in turn, to establish development strategies and making true that leadership can be learned. This outcome is the first contribution of the thesis. Likewise, through a comprehensive literature review, an integrated leadership proposal is developed, according to the Kotze model, which is also described widely. Finding a specific leadership model represents the cornerstone for the development of the methodology. This integrated leadership proposal leads to the second contribution of the thesis. Similarly, an in-depth study was conducted about the psychological perspective of the organizations disclosing the construct Fear of Failure. This construct is a personality trait that exists in all human beings and has a negative influence on both performance and business innovation. This outcome allows identifying which are the real barriers to the exercise of leadership, noting that the decrease in fear of failure must be considered as an Emotional Intelligence competence to be developed by managers. This outcome represents the third contribution of the thesis. Once a business management model has been developed, we proceed to its validation by analysing the relationship among the model constructs: management, innovation and fear of failure. To identify the influence or causal relationships underlying the constructs, a structural equation model (SEM) technique was used. The study population consisted of 350 professionals with managerial responsibility, from companies in the services sector scattered throughout the Spanish geography. As a primary source for gathering information a questionnaire developed by Kotze M-CPI (Continuous Performance Improvement Momentum) was used. First we proceeded to evaluate the psychometric properties of the measurement model, carrying out an exploratory factorial analysis (EFA) and a confirmatory factorial analysis (CFA) of second order. The results show that the performance construct D is determined by two-dimensions (DOP: performance oriented to planning) and (DORT: aiming at the realization of the task). That is, the sample of managers does not perceive that planning and the daily task are articulated. Then, we proceeded to make the contrast of the model through a structural equation model SEM. The results show that the influence of the DOP dimension is not significant, so that only the DORT dimension finally represents the construct D. The research outcomes provide conclusions and hypotheses for future research. Although the managers in the sample develop a strategic plan, it seems that managers do not take it into account in their daily tasks. This could explain the high degree of crisis management so prevalent in the Spanish companies. In turn, the fear of failure has a negative influence on innovation, consistent with the literature. In this regard, the fear of failure is considered as a personality trait, present in both managers and employees, which enables the understanding of organizational barriers to open communication and provides a direction to improve the organization’s innovative capacity as well. Finally, the results establish a causal relationship between daily performance and innovation. Regarding this second outcome and analysing the behaviours that identify the construct D, several conclusions and hypotheses for future research arise as well. The results show that the managers in the sample show initiatives of change in order to make everyday work go ahead, according to defined quality standards. However, these initiatives only come from managers without any participation of coworkers, which are only responsible for the implementation, and this produces discouragement and loss of opportunities. This finding shows that the innovation by the companies in the sample happens to guarantee the efficiency of existing processes, but do not arise from an initiative that seeks better business efficacy. This raises two sources of innovation in processes. The first source would be a proactive innovation that would seek improved organizational efficacy. The second one is a reactive innovation that would seek to safeguard efficiency. Perhaps this is the cause of the existing gap between the innovation activity in Spain and the innovation activity in those countries that occupy the top positions in the ranking of innovation outcomes. The Spanish companies seek process efficiency and the top innovators business efficacy. This is an important starting point for future research.

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.

A model to develop a platform for personalised health applications

Antecedentes Europa vive una situación insostenible. Desde el 2008 se han reducido los recursos de los gobiernos a raíz de la crisis económica. El continente Europeo envejece con ritmo constante al punto que se prevé que en 2050 habrá sólo dos trabajadores por jubilado [54]. A esta situación se le añade el aumento de la incidencia de las enfermedades crónicas, relacionadas con el envejecimiento, cuyo coste puede alcanzar el 7% del PIB de un país [51]. Es necesario un cambio de paradigma. Una nueva manera de cuidar de la salud de las personas: sustentable, eficaz y preventiva más que curativa. Algunos estudios abogan por el cuidado personalizado de la salud (pHealth). En este modelo las prácticas médicas son adaptadas e individualizadas al paciente, desde la detección de los factores de riesgo hasta la personalización de los tratamientos basada en la respuesta del individuo [81]. El cuidado personalizado de la salud está asociado a menudo al uso de las tecnologías de la información y comunicación (TICs) que, con su desarrollo exponencial, ofrecen oportunidades interesantes para la mejora de la salud. El cambio de paradigma hacia el pHealth está lentamente ocurriendo, tanto en el ámbito de la investigación como en la industria, pero todavía no de manera significativa. Existen todavía muchas barreras relacionadas a la economía, a la política y la cultura. También existen barreras puramente tecnológicas, como la falta de sistemas de información interoperables [199]. A pesar de que los aspectos de interoperabilidad están evolucionando, todavía hace falta un diseño de referencia especialmente direccionado a la implementación y el despliegue en gran escala de sistemas basados en pHealth. La presente Tesis representa un intento de organizar la disciplina de la aplicación de las TICs al cuidado personalizado de la salud en un modelo de referencia, que permita la creación de plataformas de desarrollo de software para simplificar tareas comunes de desarrollo en este dominio. Preguntas de investigación RQ1 >Es posible definir un modelo, basado en técnicas de ingeniería del software, que represente el dominio del cuidado personalizado de la salud de una forma abstracta y representativa? RQ2 >Es posible construir una plataforma de desarrollo basada en este modelo? RQ3 >Esta plataforma ayuda a los desarrolladores a crear sistemas pHealth complejos e integrados? Métodos Para la descripción del modelo se adoptó el estándar ISO/IEC/IEEE 42010por ser lo suficientemente general y abstracto para el amplio enfoque de esta tesis [25]. El modelo está definido en varias partes: un modelo conceptual, expresado a través de mapas conceptuales que representan las partes interesadas (stakeholders), los artefactos y la información compartida; y escenarios y casos de uso para la descripción de sus funcionalidades. El modelo fue desarrollado de acuerdo a la información obtenida del análisis de la literatura, incluyendo 7 informes industriales y científicos, 9 estándares, 10 artículos en conferencias, 37 artículos en revistas, 25 páginas web y 5 libros. Basándose en el modelo se definieron los requisitos para la creación de la plataforma de desarrollo, enriquecidos por otros requisitos recolectados a través de una encuesta realizada a 11 ingenieros con experiencia en la rama. Para el desarrollo de la plataforma, se adoptó la metodología de integración continua [74] que permitió ejecutar tests automáticos en un servidor y también desplegar aplicaciones en una página web. En cuanto a la metodología utilizada para la validación se adoptó un marco para la formulación de teorías en la ingeniería del software [181]. Esto requiere el desarrollo de modelos y proposiciones que han de ser validados dentro de un ámbito de investigación definido, y que sirvan para guiar al investigador en la búsqueda de la evidencia necesaria para justificarla. La validación del modelo fue desarrollada mediante una encuesta online en tres rondas con un número creciente de invitados. El cuestionario fue enviado a 134 contactos y distribuido en algunos canales públicos como listas de correo y redes sociales. El objetivo era evaluar la legibilidad del modelo, su nivel de cobertura del dominio y su potencial utilidad en el diseño de sistemas derivados. El cuestionario incluía preguntas cuantitativas de tipo Likert y campos para recolección de comentarios. La plataforma de desarrollo fue validada en dos etapas. En la primera etapa se utilizó la plataforma en un experimento a pequeña escala, que consistió en una sesión de entrenamiento de 12 horas en la que 4 desarrolladores tuvieron que desarrollar algunos casos de uso y reunirse en un grupo focal para discutir su uso. La segunda etapa se realizó durante los tests de un proyecto en gran escala llamado HeartCycle [160]. En este proyecto un equipo de diseñadores y programadores desarrollaron tres aplicaciones en el campo de las enfermedades cardio-vasculares. Una de estas aplicaciones fue testeada en un ensayo clínico con pacientes reales. Al analizar el proyecto, el equipo de desarrollo se reunió en un grupo focal para identificar las ventajas y desventajas de la plataforma y su utilidad. Resultados Por lo que concierne el modelo que describe el dominio del pHealth, la parte conceptual incluye una descripción de los roles principales y las preocupaciones de los participantes, un modelo de los artefactos TIC que se usan comúnmente y un modelo para representar los datos típicos que son necesarios formalizar e intercambiar entre sistemas basados en pHealth. El modelo funcional incluye un conjunto de 18 escenarios, repartidos en: punto de vista de la persona asistida, punto de vista del cuidador, punto de vista del desarrollador, punto de vista de los proveedores de tecnologías y punto de vista de las autoridades; y un conjunto de 52 casos de uso repartidos en 6 categorías: actividades de la persona asistida, reacciones del sistema, actividades del cuidador, \engagement" del usuario, actividades del desarrollador y actividades de despliegue. Como resultado del cuestionario de validación del modelo, un total de 65 personas revisó el modelo proporcionando su nivel de acuerdo con las dimensiones evaluadas y un total de 248 comentarios sobre cómo mejorar el modelo. Los conocimientos de los participantes variaban desde la ingeniería del software (70%) hasta las especialidades médicas (15%), con declarado interés en eHealth (24%), mHealth (16%), Ambient Assisted Living (21%), medicina personalizada (5%), sistemas basados en pHealth (15%), informática médica (10%) e ingeniería biomédica (8%) con una media de 7.25_4.99 años de experiencia en estas áreas. Los resultados de la encuesta muestran que los expertos contactados consideran el modelo fácil de leer (media de 1.89_0.79 siendo 1 el valor más favorable y 5 el peor), suficientemente abstracto (1.99_0.88) y formal (2.13_0.77), con una cobertura suficiente del dominio (2.26_0.95), útil para describir el dominio (2.02_0.7) y para generar sistemas más específicos (2_0.75). Los expertos también reportan un interés parcial en utilizar el modelo en su trabajo (2.48_0.91). Gracias a sus comentarios, el modelo fue mejorado y enriquecido con conceptos que faltaban, aunque no se pudo demonstrar su mejora en las dimensiones evaluadas, dada la composición diferente de personas en las tres rondas de evaluación. Desde el modelo, se generó una plataforma de desarrollo llamada \pHealth Patient Platform (pHPP)". La plataforma desarrollada incluye librerías, herramientas de programación y desarrollo, un tutorial y una aplicación de ejemplo. Se definieron cuatro módulos principales de la arquitectura: el Data Collection Engine, que permite abstraer las fuentes de datos como sensores o servicios externos, mapeando los datos a bases de datos u ontologías, y permitiendo interacción basada en eventos; el GUI Engine, que abstrae la interfaz de usuario en un modelo de interacción basado en mensajes; y el Rule Engine, que proporciona a los desarrolladores un medio simple para programar la lógica de la aplicación en forma de reglas \if-then". Después de que la plataforma pHPP fue utilizada durante 5 años en el proyecto HeartCycle, 5 desarrolladores fueron reunidos en un grupo de discusión para analizar y evaluar la plataforma. De estas evaluaciones se concluye que la plataforma fue diseñada para encajar las necesidades de los ingenieros que trabajan en la rama, permitiendo la separación de problemas entre las distintas especialidades, y simplificando algunas tareas de desarrollo como el manejo de datos y la interacción asíncrona. A pesar de ello, se encontraron algunos defectos a causa de la inmadurez de algunas tecnologías empleadas, y la ausencia de algunas herramientas específicas para el dominio como el procesado de datos o algunos protocolos de comunicación relacionados con la salud. Dentro del proyecto HeartCycle la plataforma fue utilizada para el desarrollo de la aplicación \Guided Exercise", un sistema TIC para la rehabilitación de pacientes que han sufrido un infarto del miocardio. El sistema fue testeado en un ensayo clínico randomizado en el cual a 55 pacientes se les dio el sistema para su uso por 21 semanas. De los resultados técnicos del ensayo se puede concluir que, a pesar de algunos errores menores prontamente corregidos durante el estudio, la plataforma es estable y fiable. Conclusiones La investigación llevada a cabo en esta Tesis y los resultados obtenidos proporcionan las respuestas a las tres preguntas de investigación que motivaron este trabajo: RQ1 Se ha desarrollado un modelo para representar el dominio de los sistemas personalizados de salud. La evaluación hecha por los expertos de la rama concluye que el modelo representa el dominio con precisión y con un balance apropiado entre abstracción y detalle. RQ2 Se ha desarrollado, con éxito, una plataforma de desarrollo basada en el modelo. RQ3 Se ha demostrado que la plataforma es capaz de ayudar a los desarrolladores en la creación de software pHealth complejos. Las ventajas de la plataforma han sido demostradas en el ámbito de un proyecto de gran escala, aunque el enfoque genérico adoptado indica que la plataforma podría ofrecer beneficios también en otros contextos. Los resultados de estas evaluaciones ofrecen indicios de que, ambos, el modelo y la plataforma serán buenos candidatos para poderse convertir en una referencia para futuros desarrollos de sistemas pHealth. ABSTRACT Background Europe is living in an unsustainable situation. The economic crisis has been reducing governments' economic resources since 2008 and threatening social and health systems, while the proportion of older people in the European population continues to increase so that it is foreseen that in 2050 there will be only two workers per retiree [54]. To this situation it should be added the rise, strongly related to age, of chronic diseases the burden of which has been estimated to be up to the 7% of a country's gross domestic product [51]. There is a need for a paradigm shift, the need for a new way of caring for people's health, shifting the focus from curing conditions that have arisen to a sustainable and effective approach with the emphasis on prevention. Some advocate the adoption of personalised health care (pHealth), a model where medical practices are tailored to the patient's unique life, from the detection of risk factors to the customization of treatments based on each individual's response [81]. Personalised health is often associated to the use of Information and Communications Technology (ICT), that, with its exponential development, offers interesting opportunities for improving healthcare. The shift towards pHealth is slowly taking place, both in research and in industry, but the change is not significant yet. Many barriers still exist related to economy, politics and culture, while others are purely technological, like the lack of interoperable information systems [199]. Though interoperability aspects are evolving, there is still the need of a reference design, especially tackling implementation and large scale deployment of pHealth systems. This thesis contributes to organizing the subject of ICT systems for personalised health into a reference model that allows for the creation of software development platforms to ease common development issues in the domain. Research questions RQ1 Is it possible to define a model, based on software engineering techniques, for representing the personalised health domain in an abstract and representative way? RQ2 Is it possible to build a development platform based on this model? RQ3 Does the development platform help developers create complex integrated pHealth systems? Methods As method for describing the model, the ISO/IEC/IEEE 42010 framework [25] is adopted for its generality and high level of abstraction. The model is specified in different parts: a conceptual model, which makes use of concept maps, for representing stakeholders, artefacts and shared information, and in scenarios and use cases for the representation of the functionalities of pHealth systems. The model was derived from literature analysis, including 7 industrial and scientific reports, 9 electronic standards, 10 conference proceedings papers, 37 journal papers, 25 websites and 5 books. Based on the reference model, requirements were drawn for building the development platform enriched with a set of requirements gathered in a survey run among 11 experienced engineers. For developing the platform, the continuous integration methodology [74] was adopted which allowed to perform automatic tests on a server and also to deploy packaged releases on a web site. As a validation methodology, a theory building framework for SW engineering was adopted from [181]. The framework, chosen as a guide to find evidence for justifying the research questions, imposed the creation of theories based on models and propositions to be validated within a scope. The validation of the model was conducted as an on-line survey in three validation rounds, encompassing a growing number of participants. The survey was submitted to 134 experts of the field and on some public channels like relevant mailing lists and social networks. Its objective was to assess the model's readability, its level of coverage of the domain and its potential usefulness in the design of actual, derived systems. The questionnaires included quantitative Likert scale questions and free text inputs for comments. The development platform was validated in two scopes. As a small-scale experiment, the platform was used in a 12 hours training session where 4 developers had to perform an exercise consisting in developing a set of typical pHealth use cases At the end of the session, a focus group was held to identify benefits and drawbacks of the platform. The second validation was held as a test-case study in a large scale research project called HeartCycle the aim of which was to develop a closed-loop disease management system for heart failure and coronary heart disease patients [160]. During this project three applications were developed by a team of programmers and designers. One of these applications was tested in a clinical trial with actual patients. At the end of the project, the team was interviewed in a focus group to assess the role the platform had within the project. Results For what regards the model that describes the pHealth domain, its conceptual part includes a description of the main roles and concerns of pHealth stakeholders, a model of the ICT artefacts that are commonly adopted and a model representing the typical data that need to be formalized among pHealth systems. The functional model includes a set of 18 scenarios, divided into assisted person's view, caregiver's view, developer's view, technology and services providers' view and authority's view, and a set of 52 Use Cases grouped in 6 categories: assisted person's activities, system reactions, caregiver's activities, user engagement, developer's activities and deployer's activities. For what concerns the validation of the model, a total of 65 people participated in the online survey providing their level of agreement in all the assessed dimensions and a total of 248 comments on how to improve and complete the model. Participants' background spanned from engineering and software development (70%) to medical specialities (15%), with declared interest in the fields of eHealth (24%), mHealth (16%), Ambient Assisted Living (21%), Personalized Medicine (5%), Personal Health Systems (15%), Medical Informatics (10%) and Biomedical Engineering (8%) with an average of 7.25_4.99 years of experience in these fields. From the analysis of the answers it is possible to observe that the contacted experts considered the model easily readable (average of 1.89_0.79 being 1 the most favourable scoring and 5 the worst), sufficiently abstract (1.99_0.88) and formal (2.13_0.77) for its purpose, with a sufficient coverage of the domain (2.26_0.95), useful for describing the domain (2.02_0.7) and for generating more specific systems (2_0.75) and they reported a partial interest in using the model in their job (2.48_0.91). Thanks to their comments, the model was improved and enriched with concepts that were missing at the beginning, nonetheless it was not possible to prove an improvement among the iterations, due to the diversity of the participants in the three rounds. From the model, a development platform for the pHealth domain was generated called pHealth Patient Platform (pHPP). The platform includes a set of libraries, programming and deployment tools, a tutorial and a sample application. The main four modules of the architecture are: the Data Collection Engine, which allows abstracting sources of information like sensors or external services, mapping data to databases and ontologies, and allowing event-based interaction and filtering, the GUI Engine, which abstracts the user interface in a message-like interaction model, the Workow Engine, which allows programming the application's user interaction ows with graphical workows, and the Rule Engine, which gives developers a simple means for programming the application's logic in the form of \if-then" rules. After the 5 years experience of HeartCycle, partially programmed with pHPP, 5 developers were joined in a focus group to discuss the advantages and drawbacks of the platform. The view that emerged from the training course and the focus group was that the platform is well-suited to the needs of the engineers working in the field, it allowed the separation of concerns among the different specialities and it simplified some common development tasks like data management and asynchronous interaction. Nevertheless, some deficiencies were pointed out in terms of a lack of maturity of some technological choices, and for the absence of some domain-specific tools, e.g. for data processing or for health-related communication protocols. Within HeartCycle, the platform was used to develop part of the Guided Exercise system, a composition of ICT tools for the physical rehabilitation of patients who suffered from myocardial infarction. The system developed using the platform was tested in a randomized controlled clinical trial, in which 55 patients used the system for 21 weeks. The technical results of this trial showed that the system was stable and reliable. Some minor bugs were detected, but these were promptly corrected using the platform. This shows that the platform, as well as facilitating the development task, can be successfully used to produce reliable software. Conclusions The research work carried out in developing this thesis provides responses to the three three research questions that were the motivation for the work. RQ1 A model was developed representing the domain of personalised health systems, and the assessment of experts in the field was that it represents the domain accurately, with an appropriate balance between abstraction and detail. RQ2 A development platform based on the model was successfully developed. RQ3 The platform has been shown to assist developers create complex pHealth software. This was demonstrated within the scope of one large-scale project, but the generic approach adopted provides indications that it would offer benefits more widely. The results of these evaluations provide indications that both the model and the platform are good candidates for being a reference for future pHealth developments.