Orthotropic active strain models for the numerical simulation of cardiac biomechanics

An active strain formulation for orthotropic constitutive laws arising in cardiac mechanics modeling is introduced and studied. The passive mechanical properties of the tissue are described by the Holzapfel-Ogden relation. In the active strain formulation, the Euler-Lagrange equations for minimizing the total energy are written in terms of active and passive deformation factors, where the active part is assumed to depend, at the cell level, on the electrodynamics and on the specific orientation of the cardiac cells. The well-posedness of the linear system derived from a generic Newton iteration of the original problem is analyzed and different mechanical activation functions are considered. In addition, the active strain formulation is compared with the classical active stress formulation from both numerical and modeling perspectives. Taylor-Hood and MINI finite elements are employed to discretize the mechanical problem. The results of several numerical experiments show that the proposed formulation is mathematically consistent and is able to represent the main key features of the phenomenon, while allowing savings in computational costs.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

An active strain electromechanical model for cardiac tissue

We propose a finite element approximation of a system of partial differential equations describing the coupling between the propagation of electrical potential and large deformations of the cardiac tissue. The underlying mathematical model is based on the active strain assumption, in which it is assumed that a multiplicative decomposition of the deformation tensor into a passive and active part holds, the latter carrying the information of the electrical potential propagation and anisotropy of the cardiac tissue into the equations of either incompressible or compressible nonlinear elasticity, governing the mechanical response of the biological material. In addition, by changing from an Eulerian to a Lagrangian configuration, the bidomain or monodomain equations modeling the evolution of the electrical propagation exhibit a nonlinear diffusion term. Piecewise quadratic finite elements are employed to approximate the displacements field, whereas for pressure, electrical potentials and ionic variables are approximated by piecewise linear elements. Various numerical tests performed with a parallel finite element code illustrate that the proposed model can capture some important features of the electromechanical coupling, and show that our numerical scheme is efficient and accurate.

The Hydrophobic interaction: modeling hydrophobic interactions and aggregation of non-polar particles in aqueous solutions

Malgré son importance dans notre vie de tous les jours, certaines propriétés de l?eau restent inexpliquées. L'étude des interactions entre l'eau et les particules organiques occupe des groupes de recherche dans le monde entier et est loin d'être finie. Dans mon travail j'ai essayé de comprendre, au niveau moléculaire, ces interactions importantes pour la vie. J'ai utilisé pour cela un modèle simple de l'eau pour décrire des solutions aqueuses de différentes particules. Récemment, l?eau liquide a été décrite comme une structure formée d?un réseau aléatoire de liaisons hydrogènes. En introduisant une particule hydrophobe dans cette structure à basse température, certaines liaisons hydrogènes sont détruites ce qui est énergétiquement défavorable. Les molécules d?eau s?arrangent alors autour de cette particule en formant une cage qui permet de récupérer des liaisons hydrogènes (entre molécules d?eau) encore plus fortes : les particules sont alors solubles dans l?eau. A des températures plus élevées, l?agitation thermique des molécules devient importante et brise les liaisons hydrogènes. Maintenant, la dissolution des particules devient énergétiquement défavorable, et les particules se séparent de l?eau en formant des agrégats qui minimisent leur surface exposée à l?eau. Pourtant, à très haute température, les effets entropiques deviennent tellement forts que les particules se mélangent de nouveau avec les molécules d?eau. En utilisant un modèle basé sur ces changements de structure formée par des liaisons hydrogènes j?ai pu reproduire les phénomènes principaux liés à l?hydrophobicité. J?ai trouvé une région de coexistence de deux phases entre les températures critiques inférieure et supérieure de solubilité, dans laquelle les particules hydrophobes s?agrègent. En dehors de cette région, les particules sont dissoutes dans l?eau. J?ai démontré que l?interaction hydrophobe est décrite par un modèle qui prend uniquement en compte les changements de structure de l?eau liquide en présence d?une particule hydrophobe, plutôt que les interactions directes entre les particules. Encouragée par ces résultats prometteurs, j?ai étudié des solutions aqueuses de particules hydrophobes en présence de co-solvants cosmotropiques et chaotropiques. Ce sont des substances qui stabilisent ou déstabilisent les agrégats de particules hydrophobes. La présence de ces substances peut être incluse dans le modèle en décrivant leur effet sur la structure de l?eau. J?ai pu reproduire la concentration élevée de co-solvants chaotropiques dans le voisinage immédiat de la particule, et l?effet inverse dans le cas de co-solvants cosmotropiques. Ce changement de concentration du co-solvant à proximité de particules hydrophobes est la cause principale de son effet sur la solubilité des particules hydrophobes. J?ai démontré que le modèle adapté prédit correctement les effets implicites des co-solvants sur les interactions de plusieurs corps entre les particules hydrophobes. En outre, j?ai étendu le modèle à la description de particules amphiphiles comme des lipides. J?ai trouvé la formation de différents types de micelles en fonction de la distribution des regions hydrophobes à la surface des particules. L?hydrophobicité reste également un sujet controversé en science des protéines. J?ai défini une nouvelle échelle d?hydrophobicité pour les acides aminés qui forment des protéines, basée sur leurs surfaces exposées à l?eau dans des protéines natives. Cette échelle permet une comparaison meilleure entre les expériences et les résultats théoriques. Ainsi, le modèle développé dans mon travail contribue à mieux comprendre les solutions aqueuses de particules hydrophobes. Je pense que les résultats analytiques et numériques obtenus éclaircissent en partie les processus physiques qui sont à la base de l?interaction hydrophobe.<br/><br/>Despite the importance of water in our daily lives, some of its properties remain unexplained. Indeed, the interactions of water with organic particles are investigated in research groups all over the world, but controversy still surrounds many aspects of their description. In my work I have tried to understand these interactions on a molecular level using both analytical and numerical methods. Recent investigations describe liquid water as random network formed by hydrogen bonds. The insertion of a hydrophobic particle at low temperature breaks some of the hydrogen bonds, which is energetically unfavorable. The water molecules, however, rearrange in a cage-like structure around the solute particle. Even stronger hydrogen bonds are formed between water molecules, and thus the solute particles are soluble. At higher temperatures, this strict ordering is disrupted by thermal movements, and the solution of particles becomes unfavorable. They minimize their exposed surface to water by aggregating. At even higher temperatures, entropy effects become dominant and water and solute particles mix again. Using a model based on these changes in water structure I have reproduced the essential phenomena connected to hydrophobicity. These include an upper and a lower critical solution temperature, which define temperature and density ranges in which aggregation occurs. Outside of this region the solute particles are soluble in water. Because I was able to demonstrate that the simple mixture model contains implicitly many-body interactions between the solute molecules, I feel that the study contributes to an important advance in the qualitative understanding of the hydrophobic effect. I have also studied the aggregation of hydrophobic particles in aqueous solutions in the presence of cosolvents. Here I have demonstrated that the important features of the destabilizing effect of chaotropic cosolvents on hydrophobic aggregates may be described within the same two-state model, with adaptations to focus on the ability of such substances to alter the structure of water. The relevant phenomena include a significant enhancement of the solubility of non-polar solute particles and preferential binding of chaotropic substances to solute molecules. In a similar fashion, I have analyzed the stabilizing effect of kosmotropic cosolvents in these solutions. Including the ability of kosmotropic substances to enhance the structure of liquid water, leads to reduced solubility, larger aggregation regime and the preferential exclusion of the cosolvent from the hydration shell of hydrophobic solute particles. I have further adapted the MLG model to include the solvation of amphiphilic solute particles in water, by allowing different distributions of hydrophobic regions at the molecular surface, I have found aggregation of the amphiphiles, and formation of various types of micelle as a function of the hydrophobicity pattern. I have demonstrated that certain features of micelle formation may be reproduced by the adapted model to describe alterations of water structure near different surface regions of the dissolved amphiphiles. Hydrophobicity remains a controversial quantity also in protein science. Based on the surface exposure of the 20 amino-acids in native proteins I have defined the a new hydrophobicity scale, which may lead to an improvement in the comparison of experimental data with the results from theoretical HP models. Overall, I have shown that the primary features of the hydrophobic interaction in aqueous solutions may be captured within a model which focuses on alterations in water structure around non-polar solute particles. The results obtained within this model may illuminate the processes underlying the hydrophobic interaction.<br/><br/>La vie sur notre planète a commencé dans l'eau et ne pourrait pas exister en son absence : les cellules des animaux et des plantes contiennent jusqu'à 95% d'eau. Malgré son importance dans notre vie de tous les jours, certaines propriétés de l?eau restent inexpliquées. En particulier, l'étude des interactions entre l'eau et les particules organiques occupe des groupes de recherche dans le monde entier et est loin d'être finie. Dans mon travail j'ai essayé de comprendre, au niveau moléculaire, ces interactions importantes pour la vie. J'ai utilisé pour cela un modèle simple de l'eau pour décrire des solutions aqueuses de différentes particules. Bien que l?eau soit généralement un bon solvant, un grand groupe de molécules, appelées molécules hydrophobes (du grecque "hydro"="eau" et "phobia"="peur"), n'est pas facilement soluble dans l'eau. Ces particules hydrophobes essayent d'éviter le contact avec l'eau, et forment donc un agrégat pour minimiser leur surface exposée à l'eau. Cette force entre les particules est appelée interaction hydrophobe, et les mécanismes physiques qui conduisent à ces interactions ne sont pas bien compris à l'heure actuelle. Dans mon étude j'ai décrit l'effet des particules hydrophobes sur l'eau liquide. L'objectif était d'éclaircir le mécanisme de l'interaction hydrophobe qui est fondamentale pour la formation des membranes et le fonctionnement des processus biologiques dans notre corps. Récemment, l'eau liquide a été décrite comme un réseau aléatoire formé par des liaisons hydrogènes. En introduisant une particule hydrophobe dans cette structure, certaines liaisons hydrogènes sont détruites tandis que les molécules d'eau s'arrangent autour de cette particule en formant une cage qui permet de récupérer des liaisons hydrogènes (entre molécules d?eau) encore plus fortes : les particules sont alors solubles dans l'eau. A des températures plus élevées, l?agitation thermique des molécules devient importante et brise la structure de cage autour des particules hydrophobes. Maintenant, la dissolution des particules devient défavorable, et les particules se séparent de l'eau en formant deux phases. A très haute température, les mouvements thermiques dans le système deviennent tellement forts que les particules se mélangent de nouveau avec les molécules d'eau. A l'aide d'un modèle qui décrit le système en termes de restructuration dans l'eau liquide, j'ai réussi à reproduire les phénomènes physiques liés à l?hydrophobicité. J'ai démontré que les interactions hydrophobes entre plusieurs particules peuvent être exprimées dans un modèle qui prend uniquement en compte les liaisons hydrogènes entre les molécules d'eau. Encouragée par ces résultats prometteurs, j'ai inclus dans mon modèle des substances fréquemment utilisées pour stabiliser ou déstabiliser des solutions aqueuses de particules hydrophobes. J'ai réussi à reproduire les effets dûs à la présence de ces substances. De plus, j'ai pu décrire la formation de micelles par des particules amphiphiles comme des lipides dont la surface est partiellement hydrophobe et partiellement hydrophile ("hydro-phile"="aime l'eau"), ainsi que le repliement des protéines dû à l'hydrophobicité, qui garantit le fonctionnement correct des processus biologiques de notre corps. Dans mes études futures je poursuivrai l'étude des solutions aqueuses de différentes particules en utilisant les techniques acquises pendant mon travail de thèse, et en essayant de comprendre les propriétés physiques du liquide le plus important pour notre vie : l'eau.

Development of a harmonised method for the profiling of amphetamine

Résumé : Cette thèse de doctorat est le fruit d'un projet de recherche européen financé par le quatrième programme cadre de la Commission Européenne (DG XII, Standards, Measurement and Testing). Ce projet, dénommé SMT-CT98-2277, a été financé pour la partie suisse par l'Office Fédéral de l'Education et de la Science (OFES, Berne, Suisse). Le but de ce projet était de développer une méthode harmonisée et collaborativement testée pour le profilage des impuretés de l'amphétamine illicite par chromatographie capillaire en phase gazeuse. Le travail a été divisé en sept phases majeures qui concernaient la synthèse de l'amphétamine, l'identification d'impuretés, l'optimisation de la préparation de l'échantillon et du système chromatographique, la variabilité des résultats, l'investigation de méthodes mathématiques pour la classification et la comparaison de profils et finalement l'application de la méthode à des réels échantillons illicites. La méthode résultant de ce travail n'a pas seulement montré que les données étaient interchangeables entre laboratoires mais aussi qu'elle était supérieure en de nombreux points aux méthodes préalablement publiées dans la littérature scientifique. Abstract : This Ph.D. thesis was carried out in parallel to an European project funded by the fourth framework program of the European Commission (DG XII, Standards, Measurement and Testing). This project, named SMT-CT98-2277 was funded, for the Swiss part, by the Federal Office of Education and Science (OFES, Bern, Switzerland). The aim of the project was to develop a harmonised, collaboratively tested method for the impurity profiling of illicit amphetamine by capillary gas chromatography. The work was divided into seven main tasks which deal with the synthesis of amphetamine, identification of impurities, optimization of sample preparation and of the chromatographic system, variability of the results, investigation of numerical methods for the classification and comparison of profiles and finally application of the methodology to real illicit samples. The resulting method has not only shown to produce interchangeable data between different laboratories but was also found to be superior in many aspects to previously published methods.

A Modulated Closed Form solution for Quantitative Susceptibility Mapping - A thorough evaluation and comparison to iterative methods based on edge prior knowledge.

The aim of this study is to perform a thorough comparison of quantitative susceptibility mapping (QSM) techniques and their dependence on the assumptions made. The compared methodologies were: two iterative single orientation methodologies minimizing the l2, l1TV norm of the prior knowledge of the edges of the object, one over-determined multiple orientation method (COSMOS) and anewly proposed modulated closed-form solution (MCF). The performance of these methods was compared using a numerical phantom and in-vivo high resolution (0.65mm isotropic) brain data acquired at 7T using a new coil combination method. For all QSM methods, the relevant regularization and prior-knowledge parameters were systematically changed in order to evaluate the optimal reconstruction in the presence and absence of a ground truth. Additionally, the QSM contrast was compared to conventional gradient recalled echo (GRE) magnitude and R2* maps obtained from the same dataset. The QSM reconstruction results of the single orientation methods show comparable performance. The MCF method has the highest correlation (corrMCF=0.95, r(2)MCF =0.97) with the state of the art method (COSMOS) with additional advantage of extreme fast computation time. The l-curve method gave the visually most satisfactory balance between reduction of streaking artifacts and over-regularization with the latter being overemphasized when the using the COSMOS susceptibility maps as ground-truth. R2* and susceptibility maps, when calculated from the same datasets, although based on distinct features of the data, have a comparable ability to distinguish deep gray matter structures.

Fourth order pseudo maximum likelihood methods

We extend PML theory to account for information on the conditional moments up to order four, but without assuming a parametric model, to avoid a risk of misspecification of the conditional distribution. The key statistical tool is the quartic exponential family, which allows us to generalize the PML2 and QGPML1 methods proposed in Gourieroux et al. (1984) to PML4 and QGPML2 methods, respectively. An asymptotic theory is developed. The key numerical tool that we use is the Gauss-Freud integration scheme that solves a computational problem that has previously been raised in several fields. Simulation exercises demonstrate the feasibility and robustness of the methods [Authors]

Imputation in data fusion of heterogeneous data sets a model-based numerical experiment

Given the very large amount of data obtained everyday through population surveys, much of the new research again could use this information instead of collecting new samples. Unfortunately, relevant data are often disseminated into different files obtained through different sampling designs. Data fusion is a set of methods used to combine information from different sources into a single dataset. In this article, we are interested in a specific problem: the fusion of two data files, one of which being quite small. We propose a model-based procedure combining a logistic regression with an Expectation-Maximization algorithm. Results show that despite the lack of data, this procedure can perform better than standard matching procedures.

Segmentation and grid generation for numerical simulations of vad connections with patient-specific data

Objectives: We are interested in the numerical simulation of the anastomotic region comprised between outflow canula of LVAD and the aorta. Segmenta¬tion, geometry reconstruction and grid generation from patient-specific data remain an issue because of the variable quality of DICOM images, in particular CT-scan (e.g. metallic noise of the device, non-aortic contrast phase). We pro¬pose a general framework to overcome this problem and create suitable grids for numerical simulations.Methods: Preliminary treatment of images is performed by reducing the level window and enhancing the contrast of the greyscale image using contrast-limited adaptive histogram equalization. A gradient anisotropic diffusion filter is applied to reduce the noise. Then, watershed segmentation algorithms and mathematical morphology filters allow reconstructing the patient geometry. This is done using the InsightToolKit library (www.itk.org). Finally the Vascular Model¬ing ToolKit (www.vmtk.org) and gmsh (www.geuz.org/gmsh) are used to create the meshes for the fluid (blood) and structure (arterial wall, outflow canula) and to a priori identify the boundary layers. The method is tested on five different patients with left ventricular assistance and who underwent a CT-scan exam.Results: This method produced good results in four patients. The anastomosis area is recovered and the generated grids are suitable for numerical simulations. In one patient the method failed to produce a good segmentation because of the small dimension of the aortic arch with respect to the image resolution.Conclusions: The described framework allows the use of data that could not be otherwise segmented by standard automatic segmentation tools. In particular the computational grids that have been generated are suitable for simulations that take into account fluid-structure interactions. Finally the presented method features a good reproducibility and fast application.

Total knee arthroplasty - a clinical and numerical study of the micromovements of the tibial implant

Introduction The importance of the micromovements in the mechanism of aseptic loosening is clinically difficult to evaluate. To complete the analysis of a series of total knee arthroplasties (TKA), we used a tridimensional numerical model to study the micromovements of the tibial implant.Material and Methods Fifty one patients (with 57 cemented Porous Coated Anatomic TKAs) were reviewed (mean follow-up 4.5 year). Radiolucency at the tibial bone-cement interface was sought on the AP radiographs and divided in 7 areas. The distribution of the radiolucency was then correlated with the axis of the lower limb as measured on the orthoradiograms.The tridimensional numerical model is based on the finite element method. It allowed the measurement of the cemented prosthetic tibial implant's displacements and the microvements generated at bone-ciment interface. A total load (2000 Newton) was applied at first vertically and asymetrically on the tibial plateau, thereby simulating an axial deviation of the lower limbs. The vector's posterior inclination then permitted the addition of a tangential component to the axial load. This type of effort is generated by complex biomechanical phenomena such as knee flexion.Results 81 per cent of the 57 knees had a radiolucent line of at least 1 mm, at one or more of the tibial cement-epiphysis jonctional areas. The distribution of these lucent lines showed that they came out more frequently at the periphery of the implant. The lucent lines appeared most often under the unloaded margin of the tibial plateau, when axial deviation of lower limbs was present.Numerical simulations showed that asymetrical loading on the tibial plateau induced a subsidence of the loaded margin (0-100 microns) and lifting off at the opposite border (0-70 microns). The postero-anterior tangential component induced an anterior displacement of the tibial implant (160-220 microns), and horizontal micromovements with non homogenous distribution at the bone-ciment interface (28-54 microns).Discussion Comparison of clinical and numerical results showed a relation between the development of radiolucent lines and the unloading of the tibial implant's margin. The deleterious effect of lower limbs' axial deviation is thereby proven. The irregular distribution of lucent lines under the tibial plateau was similar of the micromovements' repartition at the bone-cement interface when tangential forces were present. A causative relation between the two phenomenaes could not however be established.Numerical simulation is a truly useful method of study; it permits to calculate micromovements which are relative, non homogenous and of very low amplitude. However, comparative clinical studies remain as essential to ensure the credibility of results.

Selection methods regulate evolution of cooperation in digital evolution.

A key, yet often neglected, component of digital evolution and evolutionary models is the 'selection method' which assigns fitness (number of offspring) to individuals based on their performance scores (efficiency in performing tasks). Here, we study with formal analysis and numerical experiments the evolution of cooperation under the five most common selection methods (proportionate, rank, truncation-proportionate, truncation-uniform and tournament). We consider related individuals engaging in a Prisoner's Dilemma game where individuals can either cooperate or defect. A cooperator pays a cost, whereas its partner receives a benefit, which affect their performance scores. These performance scores are translated into fitness by one of the five selection methods. We show that cooperation is positively associated with the relatedness between individuals under all selection methods. By contrast, the change in the performance benefit of cooperation affects the populations' average level of cooperation only under the proportionate methods. We also demonstrate that the truncation and tournament methods may introduce negative frequency-dependence and lead to the evolution of polymorphic populations. Using the example of the evolution of cooperation, we show that the choice of selection method, though it is often marginalized, can considerably affect the evolutionary dynamics.

Prothèses totales de genoux. Analyse clinique et numérique des micromouvements de l'implant tibial [Total knee prosthesis. Clinical and numerical study of micromovements of the tibial implant].

INTRODUCTION: The importance of the micromovements in the mechanism of aseptic loosening is clinically difficult to evaluate. To complete the analysis of a series of total knee arthroplasties (TKA), we used a tridimensional numerical model to study the micromovements of the tibial implant. MATERIAL AND METHODS: Fifty one patients (with 57 cemented Porous Coated Anatomic TKAs) were reviewed (mean follow-up 4.5 year). Radiolucency at the tibial bone-cement interface was sought on the AP radiographs and divided in 7 areas. The distribution of the radiolucency was then correlated with the axis of the lower limb as measured on the orthoradiograms. The tridimensional numerical model is based on the finite element method. It allowed the measurement of the cemented prosthetic tibial implant's displacements and the micromovements generated at bone-ciment interface. A total load (2000 Newton) was applied at first vertically and asymetrically on the tibial plateau, thereby simulating an axial deviation of the lower limbs. The vector's posterior inclination then permitted the addition of a tangential component to the axial load. This type of effort is generated by complex biomechanical phenomena such as knee flexion. RESULTS: 81 per cent of the 57 knees had a radiolucent line of at least 1 mm, at one or more of the tibial cement-epiphysis jonctional areas. The distribution of these lucent lines showed that they came out more frequently at the periphery of the implant. The lucent lines appeared most often under the unloaded margin of the tibial plateau, when axial deviation of lower limbs was present. Numerical simulations showed that asymetrical loading on the tibial plateau induced a subsidence of the loaded margin (0-100 microns) and lifting off at the opposite border (0-70 microns). The postero-anterior tangential component induced an anterior displacement of the tibial implant (160-220 microns), and horizontal micromovements with non homogenous distribution at the bone-ciment interface (28-54 microns). DISCUSSION: Comparison of clinical and numerical results showed a relation between the development of radiolucent lines and the unloading of the tibial implant's margin. The deleterious effect of lower limbs' axial deviation is thereby proven. The irregular distribution of lucent lines under the tibial plateau was similar of the micromovements' repartition at the bone-cement interface when tangential forces were present. A causative relation between the two phenomenaes could not however be established. Numerical simulation is a truly useful method of study; it permits to calculate micromovements which are relative, non homogenous and of very low amplitude. However, comparative clinical studies remain as essential to ensure the credibility of results.