Influence of the implanted pulse generator as reference electrode in finite element model of monopolar deep brain stimulation.

Electrical deep brain stimulation (DBS) is an efficient method to treat movement disorders. Many models of DBS, based mostly on finite elements, have recently been proposed to better understand the interaction between the electrical stimulation and the brain tissues. In monopolar DBS, clinically widely used, the implanted pulse generator (IPG) is used as reference electrode (RE). In this paper, the influence of the RE model of monopolar DBS is investigated. For that purpose, a finite element model of the full electric loop including the head, the neck and the superior chest is used. Head, neck and superior chest are made of simple structures such as parallelepipeds and cylinders. The tissues surrounding the electrode are accurately modelled from data provided by the diffusion tensor magnetic resonance imaging (DT-MRI). Three different configurations of RE are compared with a commonly used model of reduced size. The electrical impedance seen by the DBS system and the potential distribution are computed for each model. Moreover, axons are modelled to compute the area of tissue activated by stimulation. Results show that these indicators are influenced by the surface and position of the RE. The use of a RE model corresponding to the implanted device rather than the usually simplified model leads to an increase of the system impedance (+48%) and a reduction of the area of activated tissue (-15%).

Analysis of a finite volume method for a cross-diffusion model in population dynamics

The main goal of this paper is to propose a convergent finite volume method for a reactionâeuro"diffusion system with cross-diffusion. First, we sketch an existence proof for a class of cross-diffusion systems. Then the standard two-point finite volume fluxes are used in combination with a nonlinear positivity-preserving approximation of the cross-diffusion coefficients. Existence and uniqueness of the approximate solution are addressed, and it is also shown that the scheme converges to the corresponding weak solution for the studied model. Furthermore, we provide a stability analysis to study pattern-formation phenomena, and we perform two-dimensional numerical examples which exhibit formation of nonuniform spatial patterns. From the simulations it is also found that experimental rates of convergence are slightly below second order. The convergence proof uses two ingredients of interest for various applications, namely the discrete Sobolev embedding inequalities with general boundary conditions and a space-time $L^1$ compactness argument that mimics the compactness lemma due to Kruzhkov. The proofs of these results are given in the Appendix.

Integral cohomology of finite postnikov towers

Depuis le séminaire H. Cartan de 1954-55, il est bien connu que l'on peut trouver des éléments de torsion arbitrairement grande dans l'homologie entière des espaces d'Eilenberg-MacLane K(G,n) où G est un groupe abélien non trivial et n>1. L'objectif majeur de ce travail est d'étendre ce résultat à des H-espaces possédant plus d'un groupe d'homotopie non trivial. Dans le but de contrôler précisément le résultat de H. Cartan, on commence par étudier la dualité entre l'homologie et la cohomologie des espaces d'Eilenberg-MacLane 2-locaux de type fini. On parvient ainsi à raffiner quelques résultats qui découlent des calculs de H. Cartan. Le résultat principal de ce travail peut être formulé comme suit. Soit X un H-espace ne possédant que deux groupes d'homotopie non triviaux, tous deux finis et de 2-torsion. Alors X n'admet pas d'exposant pour son groupe gradué d'homologie entière réduite. On construit une large classe d'espaces pour laquelle ce résultat n'est qu'une conséquence d'une caractéristique topologique, à savoir l'existence d'un rétract faible X K(G,n) pour un certain groupe abélien G et n>1. On généralise également notre résultat principal à des espaces plus compliqués en utilisant la suite spectrale d'Eilenberg-Moore ainsi que des méthodes analytiques faisant apparaître les nombres de Betti et leur comportement asymptotique. Finalement, on conjecture que les espaces qui ne possédent qu'un nombre fini de groupes d'homotopie non triviaux n'admettent pas d'exposant homologique. Ce travail contient par ailleurs la présentation de la « machine d'Eilenberg-MacLane », un programme C++ conçu pour calculer explicitement les groupes d'homologie entière des espaces d'Eilenberg-MacLane. <br/><br/>By the work of H. Cartan, it is well known that one can find elements of arbitrarilly high torsion in the integral (co)homology groups of an Eilenberg-MacLane space K(G,n), where G is a non-trivial abelian group and n>1. The main goal of this work is to extend this result to H-spaces having more than one non-trivial homotopy groups. In order to have an accurate hold on H. Cartan's result, we start by studying the duality between homology and cohomology of 2-local Eilenberg-MacLane spaces of finite type. This leads us to some improvements of H. Cartan's methods in this particular case. Our main result can be stated as follows. Let X be an H-space with two non-vanishing finite 2-torsion homotopy groups. Then X does not admit any exponent for its reduced integral graded (co)homology group. We construct a wide class of examples for which this result is a simple consequence of a topological feature, namely the existence of a weak retract X K(G,n) for some abelian group G and n>1. We also generalize our main result to more complicated stable two stage Postnikov systems, using the Eilenberg-Moore spectral sequence and analytic methods involving Betti numbers and their asymptotic behaviour. Finally, we investigate some guesses on the non-existence of homology exponents for finite Postnikov towers. We conjecture that Postnikov pieces do not admit any (co)homology exponent. This work also includes the presentation of the "Eilenberg-MacLane machine", a C++ program designed to compute explicitely all integral homology groups of Eilenberg-MacLane spaces. <br/><br/>Il est toujours difficile pour un mathématicien de parler de son travail. La difficulté réside dans le fait que les objets qu'il étudie sont abstraits. On rencontre assez rarement un espace vectoriel, une catégorie abélienne ou une transformée de Laplace au coin de la rue ! Cependant, même si les objets mathématiques sont difficiles à cerner pour un non-mathématicien, les méthodes pour les étudier sont essentiellement les mêmes que celles utilisées dans les autres disciplines scientifiques. On décortique les objets complexes en composantes plus simples à étudier. On dresse la liste des propriétés des objets mathématiques, puis on les classe en formant des familles d'objets partageant un caractère commun. On cherche des façons différentes, mais équivalentes, de formuler un problème. Etc. Mon travail concerne le domaine mathématique de la topologie algébrique. Le but ultime de cette discipline est de parvenir à classifier tous les espaces topologiques en faisant usage de l'algèbre. Cette activité est comparable à celle d'un ornithologue (topologue) qui étudierait les oiseaux (les espaces topologiques) par exemple à l'aide de jumelles (l'algèbre). S'il voit un oiseau de petite taille, arboricole, chanteur et bâtisseur de nids, pourvu de pattes à quatre doigts, dont trois en avant et un, muni d'une forte griffe, en arrière, alors il en déduira à coup sûr que c'est un passereau. Il lui restera encore à déterminer si c'est un moineau, un merle ou un rossignol. Considérons ci-dessous quelques exemples d'espaces topologiques: a) un cube creux, b) une sphère et c) un tore creux (c.-à-d. une chambre à air). a) b) c) Si toute personne normalement constituée perçoit ici trois figures différentes, le topologue, lui, n'en voit que deux ! De son point de vue, le cube et la sphère ne sont pas différents puisque ils sont homéomorphes: on peut transformer l'un en l'autre de façon continue (il suffirait de souffler dans le cube pour obtenir la sphère). Par contre, la sphère et le tore ne sont pas homéomorphes: triturez la sphère de toutes les façons (sans la déchirer), jamais vous n'obtiendrez le tore. Il existe un infinité d'espaces topologiques et, contrairement à ce que l'on serait naïvement tenté de croire, déterminer si deux d'entre eux sont homéomorphes est très difficile en général. Pour essayer de résoudre ce problème, les topologues ont eu l'idée de faire intervenir l'algèbre dans leurs raisonnements. Ce fut la naissance de la théorie de l'homotopie. Il s'agit, suivant une recette bien particulière, d'associer à tout espace topologique une infinité de ce que les algébristes appellent des groupes. Les groupes ainsi obtenus sont appelés groupes d'homotopie de l'espace topologique. Les mathématiciens ont commencé par montrer que deux espaces topologiques qui sont homéomorphes (par exemple le cube et la sphère) ont les même groupes d'homotopie. On parle alors d'invariants (les groupes d'homotopie sont bien invariants relativement à des espaces topologiques qui sont homéomorphes). Par conséquent, deux espaces topologiques qui n'ont pas les mêmes groupes d'homotopie ne peuvent en aucun cas être homéomorphes. C'est là un excellent moyen de classer les espaces topologiques (pensez à l'ornithologue qui observe les pattes des oiseaux pour déterminer s'il a affaire à un passereau ou non). Mon travail porte sur les espaces topologiques qui n'ont qu'un nombre fini de groupes d'homotopie non nuls. De tels espaces sont appelés des tours de Postnikov finies. On y étudie leurs groupes de cohomologie entière, une autre famille d'invariants, à l'instar des groupes d'homotopie. On mesure d'une certaine manière la taille d'un groupe de cohomologie à l'aide de la notion d'exposant; ainsi, un groupe de cohomologie possédant un exposant est relativement petit. L'un des résultats principaux de ce travail porte sur une étude de la taille des groupes de cohomologie des tours de Postnikov finies. Il s'agit du théorème suivant: un H-espace topologique 1-connexe 2-local et de type fini qui ne possède qu'un ou deux groupes d'homotopie non nuls n'a pas d'exposant pour son groupe gradué de cohomologie entière réduite. S'il fallait interpréter qualitativement ce résultat, on pourrait dire que plus un espace est petit du point de vue de la cohomologie (c.-à-d. s'il possède un exposant cohomologique), plus il est intéressant du point de vue de l'homotopie (c.-à-d. il aura plus de deux groupes d'homotopie non nuls). Il ressort de mon travail que de tels espaces sont très intéressants dans le sens où ils peuvent avoir une infinité de groupes d'homotopie non nuls. Jean-Pierre Serre, médaillé Fields en 1954, a montré que toutes les sphères de dimension >1 ont une infinité de groupes d'homotopie non nuls. Des espaces avec un exposant cohomologique aux sphères, il n'y a qu'un pas à franchir...

A prospective observational study comparing a non-operator dependent automatic PWV analyser to pulse pressure, in assessing arterial stiffness in hemodialysis.

BACKGROUND: Chronic kidney disease (CKD) accelerates vascular stiffening related to age. Arterial stiffness may be evaluated measuring the carotid-femoral pulse wave velocity (PWV) or more simply, as recommended by KDOQI, monitoring pulse pressure (PP). Both correlate to survival and incidence of cardiovascular disease. PWV can also be estimated on the brachial artery using a Mobil-O-Graph; a non-operator dependent automatic device. The aim was to analyse whether, in a dialysis population, PWV obtained by Mobil-O-Graph (MogPWV) is more sensitive for vascular aging than PP. METHODS: A cohort of 143 patients from 4 dialysis units has been followed measuring MogPWV and PP every 3 to 6 months and compared to a control group with the same risk factors but an eGFR > 30 ml/min. RESULTS: MogPWV contrarily to PP did discriminate the dialysis population from the control group. The mean difference translated in age between the two populations was 8.4 years. The increase in MogPWV, as a function of age, was more rapid in the dialysis group. 13.3% of the dialysis patients but only 3.0% of the control group were outliers for MogPWV. The mortality rate (16 out of 143) was similar in outliers and inliers (7.4 and 8.0%/year). Stratifying patients according to MogPWV, a significant difference in survival was seen. A high parathormone (PTH) and to be dialysed for a hypertensive nephropathy were associated to a higher baseline MogPWV. CONCLUSIONS: Assessing PWV on the brachial artery using a Mobil-O-Graph is a valid and simple alternative, which, in the dialysis population, is more sensitive for vascular aging than PP. As demonstrated in previous studies PWV correlates to mortality. Among specific CKD risk factors only PTH is associated with a higher baseline PWV. TRIAL REGISTRATION: ClinicalTrials.gov Identifier: NCT02327962.

Effect of partial-thickness tear on loading capacities of the supraspinatus tendon: a finite element analysis.

Partial-thickness tears of the supraspinatus tendon frequently occur at its insertion on the greater tubercule of the humerus, causing pain and reduced strength and range of motion. The goal of this work was to quantify the loss of loading capacity due to tendon tears at the insertion area. A finite element model of the supraspinatus tendon was developed using in vivo magnetic resonance images data. The tendon was represented by an anisotropic hyperelastic constitutive law identified with experimental measurements. A failure criterion was proposed and calibrated with experimental data. A partial-thickness tear was gradually increased, starting from the deep articular-sided fibres. For different values of tendon tear thickness, the tendon was mechanically loaded up to failure. The numerical model predicted a loss in loading capacity of the tendon as the tear thickness progressed. Tendon failure was more likely when the tendon tear exceeded 20%. The predictions of the model were consistent with experimental studies. Partial-thickness tears below 40% tear are sufficiently stable to persist physiotherapeutic exercises. Above 60% tear surgery should be considered to restore shoulder strength.

Impact of the Femoral Head Position on Moment Arms in Total Hip Arthroplasty: A Parametric Finite Element Study.

BACKGROUND: Although the importance of accurate femoral reconstruction to achieve a good functional outcome is well documented, quantitative data on the effects of a displacement of the femoral center of rotation on moment arms are scarce. The purpose of this study was to calculate moment arms after nonanatomical femoral reconstruction. METHODS: Finite element models of 15 patients including the pelvis, the femur, and the gluteal muscles were developed. Moment arms were calculated within the native anatomy and compared to distinct displacement of the femoral center of rotation (leg lengthening of 10 mm, loss of femoral offset of 20%, anteversion ±10°, and fixed anteversion at 15°). Calculations were performed within the range of motion observed during a normal gait cycle. RESULTS: Although with all evaluated displacements of the femoral center of rotation, the abductor moment arm remained positive, some fibers initially contributing to extension became antagonists (flexors) and vice versa. A loss of 20% of femoral offset led to an average decrease of 15% of abductor moment. Femoral lengthening and changes in femoral anteversion (±10°, fixed at 15°) led to minimal changes in abductor moment arms (maximum change of 5%). Native femoral anteversion correlated with the changes in moment arms induced by the 5 variations of reconstruction. CONCLUSION: Accurate reconstruction of offset is important to maintaining abductor moment arms, while changes of femoral rotation had minimal effects. Patients with larger native femoral anteversion appear to be more susceptible to femoral head displacements.