An investigation of the performance of a new Mechanical thrombectomy device using Bond Graph modelling: application to the extraction of blood clots in the middle cerebral artery

A number of thrombectomy devices using a variety of methods have now been developed to facilitate clot removal. We present research involving one such experimental device recently developed in the UK, called a ‘GP’ Thrombus Aspiration Device (GPTAD). This device has the potential to bring about the extraction of a thrombus. Although the device is at a relatively early stage of development, the results look encouraging. In this work, we present an analysis and modeling of the GPTAD by means of the bond graph technique; it seems to be a highly effective method of simulating the device under a variety of conditions. Such modeling is useful in optimizing the GPTAD and predicting the result of clot extraction. The aim of this simulation model is to obtain the minimum pressure necessary to extract the clot and to verify that both the pressure and the time required to complete the clot extraction are realistic for use in clinical situations, and are consistent with any experimentally obtained data. We therefore consider aspects of rheology and mechanics in our modeling.

Función estático-dinámica de la columna vertebral

La riqueza de propiedades y posibilidades de movimiento que se derivan de la columna vertebral tomadas en su conjunto son las causas que me han estimulado, para intentar buscar más respuestas, a todas mis actuales incógnitas, que en este presente trabajo pretendo contestar, con los medios de que dispongo, y en la medida que mejor pueda. La tarea, sé de antemano que no es fácil, y no menos corta, debida a la aparente complejidad, pero creo que apoyándome en una apropiada metodología, y centrándome, única y exclusivamente en los puntos que me interesan, puedo lograr los pasos que me lleven a los objetivos finales que persigo. Después de recopilar todos los datos posibles de anatomía, que hacían referencia al raquis, me llevó un cierto tiempo, hasta llegar al ordenamiento de todas las ideas que había adquirido. Esto me hizo llegar a la conclusión de que el planteamiento más adecuado, sería, por un lado un estudio anatómico desde un punto de vista descriptivo de las diferentes partes y elementos que constituyen el eje del cuerpo, para por otro lado y posteriormente, entender mejor las distintas propiedades y funciones mecánicas de este eje raquídeo. Para realizar este trabajo hemos consultado y estudiado numerosas publicaciones de autores, anatomistas prestigiosos tanto clásicos como modernos, tratando de condensar sus teorías o sus exposiciones, que hacen referencia al tema elegido. Todo cuanto queda resumido creemos que contiene interés para cualquier profesor de Educación Física y Deportes. Mi intención no ha sido nunca sacar unas conclusiones prácticas nuevas no descubiertas; y si el de haber empleado un medio o camino a seguir que yo creo conveniente aplicarlo para obtener los datos que persigo, de este raquis tomado en conjunto. Precisamente por este enfoque de abordar el tema en conjunto, he tenido que hacer continuas citas entre los diferentes puntos del sumario,puesto que es muy difícil separar los diferentes aspectos o puntos tomados en cada apartado debido a su constante interrelación. El principal aspecto de la columna vertebral que estudiaremos es su increíble y contradictoria, doble función estótico-dinámica. Intentaremos pues en el contenido de este trabajo, adentrarnos lo más posible en el estudio de esta doble función para su mejor comprensión. Con el deseo de exponer el tema de una manera lo más racional posible, he dividido el estudio en seis capítulos. El primero en el que nos encontramos, es una breve introducción y visión en conjunto del tema. En el segundo hago una síntesis de la formación y del desarrollo de la columna vertebral, que creo de sumo interés debido a su tardío y largo proceso de osificación y formación. En el tercer capítulo realizo una descripción anatómica de todo el raquis que creo de absoluta necesidad para la comprensión de los siguientes apartados. Posteriormente se describe el raquis en conjunto, , funciones, curvaturas, movilidad, así como un breve análisis de movimientos. El quinto capítulo estudia la postura muy atrayente a mi modo de ver, derivada de la evolución de la estación bípeda, asi como algunas consideraciones muy generales de las lesiones de columna debido a su numerosa, cuantía, y por último, hago una síntesis general asi como unas conclusiones finales. Para finalizar quiero manifestar mi profundo agradecimiento al Profesor de Anatomía Dr. Anitua Solano por su entera ayuda, sin su dirección no hubiera sido posible la realización de este trabajo.

Coronary Artery Tracking in 3D Cardiac CT Images Using Local Morphological Reconstruction Operators

Automatic segmentation and tracking of the coronary artery tree from Cardiac Multislice-CT images is an important goal to improve the diagnosis and treatment of coronary artery disease. This paper presents a semi-automatic algorithm (one input point per vessel) based on morphological grayscale local reconstructions in 3D images devoted to the extraction of the coronary artery tree. The algorithm has been evaluated in the framework of the Coronary Artery Tracking Challenge 2008 [1], obtaining consistent results in overlapping measurements (a mean of 70% of the vessel well tracked). Poor results in accuracy measurements suggest that future work should refine the centerline extraction. The algorithm can be efficiently implemented and its general strategy can be easily extrapolated to a completely automated centerline extraction or to a user interactive vessel extraction

Pulmonary Artery-Vein Segmentation in Real and Synthetic CT Images = Segmentación Arteria-Vena Pulmonares en Imágenes de CT Reales y Sintéticas

La tomografía axial computerizada (TAC) es la modalidad de imagen médica preferente para el estudio de enfermedades pulmonares y el análisis de su vasculatura. La segmentación general de vasos en pulmón ha sido abordada en profundidad a lo largo de los últimos años por la comunidad científica que trabaja en el campo de procesamiento de imagen; sin embargo, la diferenciación entre irrigaciones arterial y venosa es aún un problema abierto. De hecho, la separación automática de arterias y venas está considerado como uno de los grandes retos futuros del procesamiento de imágenes biomédicas. La segmentación arteria-vena (AV) permitiría el estudio de ambas irrigaciones por separado, lo cual tendría importantes consecuencias en diferentes escenarios médicos y múltiples enfermedades pulmonares o estados patológicos. Características como la densidad, geometría, topología y tamaño de los vasos sanguíneos podrían ser analizados en enfermedades que conllevan remodelación de la vasculatura pulmonar, haciendo incluso posible el descubrimiento de nuevos biomarcadores específicos que aún hoy en dípermanecen ocultos. Esta diferenciación entre arterias y venas también podría ayudar a la mejora y el desarrollo de métodos de procesamiento de las distintas estructuras pulmonares. Sin embargo, el estudio del efecto de las enfermedades en los árboles arterial y venoso ha sido inviable hasta ahora a pesar de su indudable utilidad. La extrema complejidad de los árboles vasculares del pulmón hace inabordable una separación manual de ambas estructuras en un tiempo realista, fomentando aún más la necesidad de diseñar herramientas automáticas o semiautomáticas para tal objetivo. Pero la ausencia de casos correctamente segmentados y etiquetados conlleva múltiples limitaciones en el desarrollo de sistemas de separación AV, en los cuales son necesarias imágenes de referencia tanto para entrenar como para validar los algoritmos. Por ello, el diseño de imágenes sintéticas de TAC pulmonar podría superar estas dificultades ofreciendo la posibilidad de acceso a una base de datos de casos pseudoreales bajo un entorno restringido y controlado donde cada parte de la imagen (incluyendo arterias y venas) está unívocamente diferenciada. En esta Tesis Doctoral abordamos ambos problemas, los cuales están fuertemente interrelacionados. Primero se describe el diseño de una estrategia para generar, automáticamente, fantomas computacionales de TAC de pulmón en humanos. Partiendo de conocimientos a priori, tanto biológicos como de características de imagen de CT, acerca de la topología y relación entre las distintas estructuras pulmonares, el sistema desarrollado es capaz de generar vías aéreas, arterias y venas pulmonares sintéticas usando métodos de crecimiento iterativo, que posteriormente se unen para formar un pulmón simulado con características realistas. Estos casos sintéticos, junto a imágenes reales de TAC sin contraste, han sido usados en el desarrollo de un método completamente automático de segmentación/separación AV. La estrategia comprende una primera extracción genérica de vasos pulmonares usando partículas espacio-escala, y una posterior clasificación AV de tales partículas mediante el uso de Graph-Cuts (GC) basados en la similitud con arteria o vena (obtenida con algoritmos de aprendizaje automático) y la inclusión de información de conectividad entre partículas. La validación de los fantomas pulmonares se ha llevado a cabo mediante inspección visual y medidas cuantitativas relacionadas con las distribuciones de intensidad, dispersión de estructuras y relación entre arterias y vías aéreas, los cuales muestran una buena correspondencia entre los pulmones reales y los generados sintéticamente. La evaluación del algoritmo de segmentación AV está basada en distintas estrategias de comprobación de la exactitud en la clasificación de vasos, las cuales revelan una adecuada diferenciación entre arterias y venas tanto en los casos reales como en los sintéticos, abriendo así un amplio abanico de posibilidades en el estudio clínico de enfermedades cardiopulmonares y en el desarrollo de metodologías y nuevos algoritmos para el análisis de imágenes pulmonares. ABSTRACT Computed tomography (CT) is the reference image modality for the study of lung diseases and pulmonary vasculature. Lung vessel segmentation has been widely explored by the biomedical image processing community, however, differentiation of arterial from venous irrigations is still an open problem. Indeed, automatic separation of arterial and venous trees has been considered during last years as one of the main future challenges in the field. Artery-Vein (AV) segmentation would be useful in different medical scenarios and multiple pulmonary diseases or pathological states, allowing the study of arterial and venous irrigations separately. Features such as density, geometry, topology and size of vessels could be analyzed in diseases that imply vasculature remodeling, making even possible the discovery of new specific biomarkers that remain hidden nowadays. Differentiation between arteries and veins could also enhance or improve methods processing pulmonary structures. Nevertheless, AV segmentation has been unfeasible until now in clinical routine despite its objective usefulness. The huge complexity of pulmonary vascular trees makes a manual segmentation of both structures unfeasible in realistic time, encouraging the design of automatic or semiautomatic tools to perform the task. However, this lack of proper labeled cases seriously limits in the development of AV segmentation systems, where reference standards are necessary in both algorithm training and validation stages. For that reason, the design of synthetic CT images of the lung could overcome these difficulties by providing a database of pseudorealistic cases in a constrained and controlled scenario where each part of the image (including arteries and veins) is differentiated unequivocally. In this Ph.D. Thesis we address both interrelated problems. First, the design of a complete framework to automatically generate computational CT phantoms of the human lung is described. Starting from biological and imagebased knowledge about the topology and relationships between structures, the system is able to generate synthetic pulmonary arteries, veins, and airways using iterative growth methods that can be merged into a final simulated lung with realistic features. These synthetic cases, together with labeled real CT datasets, have been used as reference for the development of a fully automatic pulmonary AV segmentation/separation method. The approach comprises a vessel extraction stage using scale-space particles and their posterior artery-vein classification using Graph-Cuts (GC) based on arterial/venous similarity scores obtained with a Machine Learning (ML) pre-classification step and particle connectivity information. Validation of pulmonary phantoms from visual examination and quantitative measurements of intensity distributions, dispersion of structures and relationships between pulmonary air and blood flow systems, show good correspondence between real and synthetic lungs. The evaluation of the Artery-Vein (AV) segmentation algorithm, based on different strategies to assess the accuracy of vessel particles classification, reveal accurate differentiation between arteries and vein in both real and synthetic cases that open a huge range of possibilities in the clinical study of cardiopulmonary diseases and the development of methodological approaches for the analysis of pulmonary images.

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.

Prevención de patologías de la columna vertebral

En esta revisión bibliográfica, llevada a cabo a través de una búsqueda en distintas bases de datos (PubMed, SportDiscus, Scielo) así como en revistas tales como Elsevier y buscadores como Google, se busca la evidencia referente a las patologías de la columna vertebral en la infancia así como programas educativos de prevención y tratamiento y el papel que puede desempeñar la educación física en las patologías de la columna vertebral en general y de la hiperlordosis específicamente. La literatura existente debía estar comprendida entre los años 2005g2015. Como visión global de esta revisión, podríamos decir que los problemas de espalda en la niñez son muy habituales pese a producirse en menor número que en poblaciones adultas y que, actualmente, siguen considerándose como un desafío clínico debido a que, en la mayoría de las veces, vienen acompañadas de patologías más complejas. Dentro de los problemas más prevalentes se encuentran algunos como la hiperlordosis, el genu valgum, el desequilibrio entre los hombros, la inclinación pélvica lateral, la escoliosis, la rotación del tronco y la hipercifosis torácica, entre otros. Se exponen, además de los problemas más habituales de columna vertebral en la niñez, las posibles causas, diversos programas de prevención e intervención y, finalmente, se exponen la importancia que tienen la educación postural, el papel del profesor de educación física en la prevención, detección y tratamiento de dichas patologías así como el papel vital que puede desarrollar la educación física en dichos niños. ABSTRACT This literature review was carried out through a search in different databases (PubMed, SportDiscus, Scielo) as well as in magazines such as Elsevier and, finally, in Google. Evidences related to the pathologies of the spine in children as well as educational programs for the prevention and treatment were searched. The role that educational programs can play in the prevention of the spine pathologies in general and specifically in the hyperlordosis was also analyzed. Literature review period was from 2005 till 2015. Results showed that back problems in childhood are very common although the prevalence is lower than in adults. The fact that these pathologies come normally associated with other more important problems, makes spine diseases a medical challenge. Within the most prevalent problems we can find hyperlordosis, genu valgum, lateral pelvic tilt, scoliosis, trunk rotation, uneven shoulders and chest’s hipercifosis, among others. Most common problems of vertebral column in the childhood, the possible causes, different programs of prevention and intervention were also reviewed. Importance of postural education in schools as well as the figure of the physical education teacher in the prevention, detection and treatment were analyzed.

Breakers of advanced glycation end products restore large artery properties in experimental diabetes

Glucose and other reducing sugars react with proteins by a nonenzymatic, posttranslational modification process called nonenzymatic glycation. The formation of advanced glycation end products (AGEs) on connective tissue and matrix components accounts largely for the increase in collagen crosslinking that accompanies normal aging and which occurs at an accelerated rate in diabetes, leading to an increase in arterial stiffness. A new class of AGE crosslink “breakers” reacts with and cleaves these covalent, AGE-derived protein crosslinks. Treatment of rats with streptozotocin-induced diabetes with the AGE-breaker ALT-711 for 1–3 weeks reversed the diabetes-induced increase of large artery stiffness as measured by systemic arterial compliance, aortic impedance, and carotid artery compliance and distensibility. These findings will have considerable implications for the treatment of patients with diabetes-related complications and aging.

Potential roles of osteopontin and αVβ3 integrin in the development of coronary artery restenosis after angioplasty

Angioplasty procedures are increasingly used to reestablish blood flow in blocked atherosclerotic coronary arteries. A serious complication of these procedures is reocclusion (restenosis), which occurs in 30–50% of patients. Migration of coronary artery smooth muscle cells (CASMCs) to the site of injury caused by angioplasty and subsequent proliferation are suggested mechanisms of reocclusion. Using both cultured human CASMCs and coronary atherectomy tissues, we studied the roles of osteopontin (OPN) and one of its receptors, αvβ3 integrin, in the pathogenesis of coronary restenosis. We also measured the plasma levels of OPN before and after angioplasty and determined the effect of exogenous OPN on CASMC migration, extracellular matrix invasion, and proliferation. We found that cultured CASMCs during log phase of growth and smooth muscle cell layer of the coronary atherosclerotic tissues of patients express both OPN mRNA and protein at a significantly elevated level compared with controls. Interestingly, whereas the baseline plasma OPN levels in control samples were virtually undetectable, those in patient plasma were remarkably high. We also found that interaction of OPN with αvβ3 integrin, expressed on CASMCs, causes migration, extracellular matrix invasion, and proliferation. These effects were abolished when OPN or αvβ3 integrin gene expression in CASMCs was inhibited by specific antisense S-oligonucleotide treatment or OPN-αvβ3 interaction was blocked by treatment of CASMCs with antibodies against OPN or αvβ3 integrin. Our results demonstrate that OPN and αvβ3 integrin play critical roles in regulating cellular functions deemed essential for restenosis. In addition, these results raise the possibility that transient inhibition of OPN gene expression or blocking of OPN-αvβ3 interaction may provide a therapeutic approach to preventing restenosis.

Cerebral cortical hyperactivation in response to mental stress in patients with coronary artery disease

The central nervous system (CNS) effects of mental stress in patients with coronary artery disease (CAD) are unexplored. The present study used positron emission tomography (PET) to measure brain correlates of mental stress induced by an arithmetic serial subtraction task in CAD and healthy subjects. Mental stress resulted in hyperactivation in CAD patients compared with healthy subjects in several brain areas including the left parietal cortex [angular gyrus/parallel sulcus (area 39)], left anterior cingulate (area 32), right visual association cortex (area 18), left fusiform gyrus, and cerebellum. These same regions were activated within the CAD patient group during mental stress versus control conditions. In the group of healthy subjects, activation was significant only in the left inferior frontal gyrus during mental stress compared with counting control. Decreases in blood flow also were produced by mental stress in CAD versus healthy subjects in right thalamus (lateral dorsal, lateral posterior), right superior frontal gyrus (areas 32, 24, and 10), and right middle temporal gyrus (area 21) (in the region of the auditory association cortex). Of particular interest, a subgroup of CAD patients that developed painless myocardial ischemia during mental stress had hyperactivation in the left hippocampus and inferior parietal lobule (area 40), left middle (area 10) and superior frontal gyrus (area 8), temporal pole, and visual association cortex (area 18), and a concomitant decrease in activation observed in the anterior cingulate bilaterally, right middle and superior frontal gyri, and right visual association cortex (area 18) compared with CAD patients without myocardial ischemia. These findings demonstrate an exaggerated cerebral cortical response and exaggerated asymmetry to mental stress in individuals with CAD.

Risk factors for coronary artery disease in non-insulin dependent diabetes mellitus: United Kingdom prospective diabetes study (UKPDS: 23)

Objective: To evaluate baseline risk factors for coronary artery disease in patients with type 2 diabetes mellitus.