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

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

Análisis del comportamiento mecánico de un rack de baterías frente a eventos de choque.

El trabajo fin de máster, titulado “ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE UN RACK DE BATERÍAS FRENTE A EVENTOS DE CHOQUE” fue desarrollado por el estudiante D. Javier Rivera Hoyos como proyecto final del Máster Universitario en Ingeniería Mecánica de la UPM y que estuvo bajo la tutoría del Dr. D. Luis Martínez, profesor y director de la Unidad de Biomecánica del INSIA-UPM. Este TFM se llevó a cabo en el desarrollo del proyecto europeo OPERA4FEV, el cual hace parte del 7º Programa Marco de la Comisión Europea realizado por diez entidades, de seis países diferentes, especializadas en diversos campos de la ingeniería, teniendo como objetivo, el proponer una solución alternativa que sea barata, ligera y versátil, que mejore la tecnología actual, la cual está basada en la utilización de racks metálicos para el empaquetamiento de las baterías de los vehículos eléctricos. Para cumplir con ese objetivo, se ha propuesto desarrollar un rack para baterías fabricado en un material termoplástico, además del rediseño de los componentes internos del mismo, con el cumpliendo de los requisitos normativos de seguridad exigidos para este tipo de dispositivos. El tema escogido para la elaboración del Trabajo Fin de Master, trata del análisis de la resistencia mecánica de un rack de baterías, el cual fue llevado a cabo mediante el uso de la técnica de los elementos finitos, empleando para ello la suite de HYPERWORWS, una serie de programas especializados en simulación que permite la creación de modelos de elementos finitos a partir de diseños CAD en 3D. Con el uso de estos programas fue posible la realización de ensayos virtuales los cuales permitieron la representación de las condiciones características de diferentes eventos de choque. Se siguió la metodología tradicional para el análisis por elementos finitos, que inicia con una geometría inicial creada en un programa CAD y la cual posteriormente es dividida en elementos finitos. A continuación, se procede a la asignación de cargas y condiciones de contorno completando el modelo y dejándolo preparado para el proceso de cálculo. Finalmente, los resultados fueron analizados y se tomaron las decisiones oportunas para llevar a cabo las modificaciones en el modelo que permitieran mejorar los resultados. Con este TFM se logró realizar la evaluación de una primera propuesta de diseño de un rack de baterías para un vehículo industrial tipo N2, determinando las áreas críticas de fallo y aportando soluciones para su mejoramiento.

Comportamiento dinámico de pasarelas peatonales

El objetivo del presente trabajo de fin de máster es realizar un breve repaso de algunos de los modelos matemáticos más prometedores que permiten predecir la respuesta dinámica de la estructura y su vulnerabilidad frente a vibraciones laterales excesivas, en función de sus características dinámicas y del número de peatones que transitan. En particular, se estudiaran los modelos de Arup (de base empírica), Strogatz et al. (basado en el modelo de Kuramoto) y Macdonald (modelo alternativo basado en la biomecánica). En todos ellos se llevaran a cabo simulaciones que permitan apreciar la adecuación del modelo matemático a la realidad física que pretende reproducir y se tratara de esclarecer sus posibles limitaciones y su validez general. Finalmente, se propondrá un modelo propio sencillo basado en una analogía con la fuerza de rozamiento que aparece entre un objeto y la superficie sobre la que se apoya cuando aquel es sometido a un movimiento armónico.

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

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

Sobre la forma de garantizar la trazabilidad metrológica en los sistemas hospitalarios

Dentro del equipamiento que existen en los hospitales, se realizan muy diversas actuaciones para el correcto funcionamiento de los equipos que se destinan, tanto a medir sobre el paciente o para tratamiento sobre estos mismos, el abanico de equipos que existen es muy grande, sin contar con los que directamente se instalan o, más correctamente, se implantan en el paciente. Los hospitales tienen establecidas pautas de mantenimiento tanto correctivo como preventivo, también de verificación relativa a seguridad y, en algunos casos, acciones que van destinadas a comprobar las magnitudes en los equipos. Esto último no es lo normal, de hecho, en muchos casos, la mayoría, se desconoce cómo poder comprobar que las magnitudes de un equipo se pueden trazar a un patrón de medida nacional. La investigación se ha desarrollado para determinar, siendo algo que esta patente hasta en la normalización ISO, que no existen para muchos equipos principios establecidos para garantizar la trazabilidad metrológica da las magnitudes físicas en las que trabaja durante su vida útil. Debido a la amplitud de este campo, el desarrollo de investigación se ha llevado en un formato piramidal, desde las necesidades para poder llegar a un estudio concreto de equipos concretos (Termómetros Clínicos, Tensiómetros, Ultrasonidos y Onda Corta). Para llegar a estos se ha realizado un estudio de cómo se encuentra la trazabilidad metrológica en todo el espectro, desde la gestión hasta llegar a casos particulares. Estudiando la gran cantidad de documentación existente y llegando a determinar el campo de trabajo en la metrología hospitalaria, clasificando los equipos y determinando como se encuentran definidos los métodos que llevan a realidad la trazabilidad metrológica, en la normalización. Un grupo no muy trabajado de los equipos electromédicos son los que se encuentran dentro de los tratamientos de Rehabilitación de traumatología, siendo equipos de uso muy habitual en los centros de salud para las lesiones musculares y óseas. A este asunto se ha dedicado un esfuerzo extra, con un reporte histórico de su origen y en qué punto se encuentran ahora. Se han estudiado dentro de estos equipos los de tratamiento de ultrasonidos, de diatermia y onda corta, que son los más representativos de los equipos destinados a electro terapia, pero hay que tener en cuenta que hay campos que se han mencionado globalmente de la rehabilitación, como son la terapia o la biomecánica, de forma similar a otras tecnologías sanitarias de otras especialidades (radiología o análisis clínico). Hay, también, dentro de la terapia, todos esos tratamientos propios de gimnasio, como son poleas, pesas, mesas de masajes, balones, etc… Que su metrología es sencilla, son equipos que existen medios de comprobación de las magnitudes que utilizan por la existencia en otras actividades de la industria (balanzas, pesas, etc). La investigación realizada ha pretendido evaluar todo el global y llegar a casos concretos para determinar cómo está la situación. Llegando a desarrollar una clasificación de equipos y de normas, que permiten vislumbrar las necesidades metrológicas y permitiría establecer una Gestión de la Trazabilidad Metrológica, concluyendo en el estudio para los equipos que se han mencionado. ABSTRACT Within the equipment that exist in the hospitals, there are very diverse performances for the correct operation of the equipment that is intended both to measure on the patient or for treatment on these same, the range of equipment available is very large, without which directly are installed or, more correctly, are implanted in the patient. The hospitals have established patterns of maintenance both corrective and preventive, also of verification of security and, in some cases, actions which are intended to check the magnitudes in the equipment. This last is not normal, in fact, in many cases, the majority, it is not known as to be able to check that the magnitudes of a computer can be traced to a pattern of national measure. The research has been developed to determine, is something that this patent up to the International Organization for Standardization (ISO), that do not exist for many teams established principles to ensure the metrological traceability gives the physical quantities in which they work during its useful life. Due to the breadth of this field, the development of research has been conducted in a pyramid format, from the needs to be able to reach a specific study of specific equipment (Clinical Thermometers, Tensiometers, Ultrasound, and Short Wave). To reach theme, has been carried out a study of how is the metrological traceability across the entire spectrum, from the management to individuals cases. Considering the large amount of existing documentation and arriving to determine the labor camp in the metrology hospital, sorting equipment and determining how are defined the methods that lead to reality the metrological traceability, in the standardization. A group not too worked for medical electrical equipment are found within the rehabilitation treatment of traumatology, being equipment of very common use in the health centers for muscle injuries and bone. In this matter has been dedicated an extra effort, with a report history of its origin and where they are now. We have studied within these teams about the treatment of ultrasound, diathermy, short wave, which are the most representative of the equipment that is destined to electro therapy, but it must be borne in mind that there are fields that have been mentioned globally of rehabilitation, as are the therapy or the biomechanics, similar to other health technologies from other specialties (radiology or clinical analysis). There is, also, within the therapy, all these treatments own gym, such as pulleys, weights, tables of massages, balls, etc… that its metrology is simple, are computers that there are means of verification of the magnitudes that used by the existence in other activities of the industry (scales, weights, etc). The research carried out has tried to assess the entire global and reach specific cases to determine the situation as it is. Arriving in the development of a classification of equipment and standards, which give us a glimpse of the metrological needs and establish a Management of the Metrological Traceability, concluding in the study for computers that have been mentioned.

Aplicación en el ámbito del rendimiento deportivo de un método de análisis biomecánico para valorar la ejecución técnica del salto zancada de gimnasia rítmica

La capacidad de ejecutar una buena técnica es un factor importante en deportes de alto componente estético como es la Gimnasia Rítmica. Los saltos específicos de este deporte son elementos que lo caracterizan, debido a la muestra de flexibilidad y belleza estética que aportan a la gimnasta. Pero el qué nos hace tener una técnica de ejecución óptima para lograr la máxima calidad de salto es algo que se puede descubrir mediante el estudio y el análisis de la técnica que nos proporcionan los diferentes métodos de la Biomecánica Deportiva. De este modo, el objetivo del siguiente trabajo es la aplicación en el ámbito del Alto Rendimiento Deportivo de un método de análisis, basado en la Biomecánica Deportiva, con el propósito de valorar el rendimiento en saltos específicos de Gimnasia Rítmica. Para su desarrollo, el estudio se concretó en observar y analizar el Salto Zancada (Split Jump o Grand jetté).

Análisis de las acciones técnico-tácticas de sable en competición

La esgrima es un deporte practicado por hombres y mujeres, que consta de 3 armas: Sable, florete y espada. Existe una gran cantidad de variables que influyen en el rendimiento del esgrimista: Psicología, fisiología o biomecánica, entre otras. En este trabajo nos hemos centrado en buscar, a través de la metodología observacional, las acciones más utilizadas y el lugar donde se producen en los asaltos de más alto nivel. Por lo general, no existe una gran cantidad de estudios sobre esgrima y menos aún de sable en particular. El objeto de estudio de este trabajo es por un lado encontrar un modelo de rendimiento técnico-táctico actual y por otro lado desarrollar una herramienta de observación que nos permita realizar esta observación sistematizada de asaltos en sable.

Pavimentos urbanos : criterios para su uso y diseño

La necesidad creciente del ciudadano por recuperar las relaciones con su entorno en busca de un cambio que mejore su calidad de vida, hace que nos replanteemos las ciudades y los elementos que la componen. La presente investigación se centra en los pavimentos urbanos como elemento principal de conexión entre el ciudadano y su entorno, de generación del paisaje urbano. El paisaje urbano nos ofrece el pavimento como parte exterior y visible de su piel, la epidermis, en la que se apoya y desarrolla toda la actividad de la ciudad, dando forma e influyendo en la calidad del espacio Los pavimentos urbanos deben permitir la utilización y el uso de la vía pública exterior con total seguridad y confort para el ciudadano. El objetivo principal de la presente investigación es poder establecer criterios de diseño y uso en los pavimentos urbanos, atendiendo a los parámetros funcionales (estudio de la marcha humana: normal y patológica, ergonomía, antropometría, biomecánica) y formales o de diseño (relacionados con la dimensión, la forma, el color, la textura o las juntas, la usabilidad, durabilidad, desgaste). Se añaden factores externos como contaminantes, lugar, usos, climatología. La normativa existente, tanto a nivel nacional como internacional, no establece un nivel de seguridad para los pavimentos exteriores. La situación se agrava con la existencia de una variedad de métodos de ensayos y de directivas europeas, no consiguiendo llegar a un consenso en la designación del método de ensayo más adecuado al tipo de material y uso. La tesis concluye que se deben tener en cuenta las necesidades del ciudadano. Seleccionar el material adecuado al lugar y buscar las características adecuadas del material en las condiciones de uso previstas. Conocer el lugar y el uso al que se destina de forma que definamos las características fundamentales que se mantienen inalterables durante un periodo de tiempo razonable ABSTRACT The increasing need for citizens to recover their relationship with their environment as they seek to improve quality of life has made us reconsider cities and the elements that constitute them. This piece of research is focused on urban pavements as an essential element of connection between the citizen and their environment in the urban area. The urban area offers pavements as an external and visible part of its skin, its epidermis, upon which all activity is supported and carried out, giving shape and influencing in the quality of space. Citizens should be allowed to use urban pavements on public roads with total safety and comfort. The main objective of this research is to be able to establish criteria for the design and use of urban pavements, according to both functional parameters (study of human walking – normal and pathological, ergonometric, anthropometric, and biomechanically) as well as formal or design parameters (related to size, shape, colour, texture, joinings, usability, durability and resilience). Further external considerations are taken into account such as pollution, location, use and climate. Current regulations, both national and internationally, do not establish a standard degree of safety for exterior pavements. The situation is complicated further by the existence of a number of test methods and European directives, that do not reach a consensus on the most appropriate test methods on usage and materials. The thesis concludes that the focus should be citizen-centric. Materials should be chosen according to how appropriate they are for the location and the designated kind of usage. Understanding and knowing the site and the proposed kind of use are of fundamental necessity when defining the characteristics that are unchanging over a reasonable period of time.

Análisis cinemático de algunos aspectos técnicos del triple salto

Las circunstancias me han decidido a realizar este trabajo, que tiene su origen en motivaciones personales. Así, por haber hecho la especialidad de atletismo y la gran afición que a ella tengo, más el enorme interés que tengo por la biomecánica, vino a mi mente la posibilidad de hacer la tesina sobre biomecánica de atletismo. Con este simple planteamiento concreté a quien orienta este trabajo. Después vino la revisión bibliográfica y las posibilidades en cada especialidad atlética. Quería analizar la técnica de algún movimiento en algunas de las especialidades atléticas, luego la técnica debía de ser determinante del resultado. Haciendo matizaciones sobre esto con el director de tesina determinamos que tenía que ser algún movimiento rápido. Empezó la eliminación de las especialidades, unas por estar ya estudiadas, otras por ser poco determinantes de la técnica, etc. Así hasta quedarme con la especialidad de t riple salto. No obstante en una de las clases de maestría de atletismo que dirige el profesor D. Carlos Álvarez del Villar, el triple salto había sido objeto de discusión biomecánica e hizo que me decidiera definitivamente a realizar el presente trabajo. Había diferentes formas de ejecutar el salto triple y con todas ellas se conseguían buenos resultados. Sobre el tema tenía material para trabajar y por la poca información bibliográfica que había sobre ello me daba la impresión de que era una mina sin explotar. Ahora y cuando el trabajo ya está terminado tengo la impresión de que estoy empezando a aprender la inmensa área que comprende la biomecánica y que el trabajo realizado no es más que la aportación de unos datos para, a partir de ahí. seguir trabajando. Es muy posible que continúe en este campo para futuras investigaciones, ya que como he dicho goza de grandes atractivos para mi. Antes de dar paso a la exposición del trabajo, quiero agradecer la gran ayuda prestada por todos los colaboradores, y muy especialmente al profesor D. Fernando Vizcaíno, quienes con su ánimo, ayuda y orientaciones en los momentos difíciles del trabajo, ha sido posible la culminación del mismo. Agradezco igualmente la colaboración especial de la Real Federación Española de Atletismo, sin cuya ayuda no hubiera siclo posible la realización de las películas.

Modelo numérico mecanobiológico para a obtenção da matriz de rigidez estrutural e da densidade mineral na remodelagem óssea

Neste trabalho é proposto um modelo mecanobiológico de remodelagem óssea para a estimativa de variações, provocadas por perturbações mecânicas ou biológicas, na matriz de rigidez estrutural da escala macroscópica e na densidade mineral em uma região do osso. Na cooperação entre as áreas da saúde e da engenharia, como nos estudos estruturais de biomecânica no sistema esquelético, as propriedades mecânicas dos materiais devem ser conhecidas, entretanto os ossos possuem uma constituição material altamente complexa, dinâmica e variante entre indivíduos. Sua dinâmica decorre dos ciclos de absorção e deposição de matriz óssea na remodelagem óssea, a qual ocorre para manter a integridade estrutural do esqueleto e adaptá-lo aos estímulos do ambiente, sejam eles biológicos, químicos ou mecânicos. Como a remodelagem óssea pode provocar alterações no material do osso, espera-se que suas propriedades mecânicas também sejam alteradas. Na literatura científica há modelos matemáticos que preveem a variação da matriz de rigidez estrutural a partir do estímulo mecânico, porém somente os modelos mais recentes incluíram explicitamente processos biológicos e químicos da remodelagem óssea. A densidade mineral óssea é um importante parâmetro utilizado no diagnóstico de doenças ósseas na área médica. Desse modo, para a obtenção da variação da rigidez estrutural e da densidade mineral óssea, propõe-se um modelo numérico mecanobiológico composto por cinco submodelos: da dinâmica da população de células ósseas, da resposta das células ao estímulo mecânico, da porosidade óssea, da densidade mineral óssea e, baseado na Lei de Voigt para materiais compósitos, da rigidez estrutural. Os valores das constantes das equações dos submodelos foram obtidos de literatura. Para a solução das equações do modelo, propõe-se uma implementação numérica e computacional escrita em linguagem C. O método de Runge-Kutta-Dorman-Prince, cuja vantagem consiste no uso de um passo de solução variável, é utilizado no modelo para controlar o erro numérico do resultado do sistema de equações diferenciais. Foi realizada uma avaliação comparativa entre os resultados obtidos com o modelo proposto e os da literatura dos modelos de remodelagem óssea recentes. Conclui-se que o modelo e a implementação propostos são capazes de obter variações da matriz de rigidez estrutural macroscópica e da densidade mineral óssea decorrentes da perturbação nos parâmetros mecânicos ou biológicos do processo de remodelagem óssea.

Fraturas do rádio distal : revisão bibliográfica

Trabalho Final do Curso de Mestrado Integrado em Medicina, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2014

Queratocone : impacto psico-social da doença na vida do doente

Trabalho Final do Curso de Mestrado Integrado em Medicina, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2014

Reabilitação biomimética na zona estética: a propósito de um caso clínico

Dissertação para obtenção do grau de Mestre no Instituto Superior de Ciências da Saúde Egas Moniz

Projeto de um dispositivo biomecânico para ciclismo adaptado em alta competição

Este projeto tem o seu enquadramento no âmbito da biomecânica desportiva, aplicada ao ciclismo adaptado. Numa linha de apoio a um ciclista amputado transtibial, atleta da Seleção Nacional de ciclismo adaptado, foi desenvolvido um dispositivo de apoio para a prática da modalidade na classe C2 da União Ciclista Internacional, que consiste em pedalar com uma só perna. O protótipo do dispositivo foi desenvolvido em material compósito, otimizado com vista à redução da sua massa, testado em ambiente laboratorial e experimentado em contexto real. A disponibilização deste dispositivo ao atleta será seguramente uma mais-valia e um passo importante com vista à sua representação de Portugal nos Jogos Para-Olímpicos de 2016.