Development of Clinical Decision Support Systems based on Mathematical Models of Physiological Systems

In the last years of research, I focused my studies on different physiological problems. Together with my supervisors, I developed/improved different mathematical models in order to create valid tools useful for a better understanding of important clinical issues. The aim of all this work is to develop tools for learning and understanding cardiac and cerebrovascular physiology as well as pathology, generating research questions and developing clinical decision support systems useful for intensive care unit patients. I. ICP-model Designed for Medical Education We developed a comprehensive cerebral blood flow and intracranial pressure model to simulate and study the complex interactions in cerebrovascular dynamics caused by multiple simultaneous alterations, including normal and abnormal functional states of auto-regulation of the brain. Individual published equations (derived from prior animal and human studies) were implemented into a comprehensive simulation program. Included in the normal physiological modelling was: intracranial pressure, cerebral blood flow, blood pressure, and carbon dioxide (CO2) partial pressure. We also added external and pathological perturbations, such as head up position and intracranial haemorrhage. The model performed clinically realistically given inputs of published traumatized patients, and cases encountered by clinicians. The pulsatile nature of the output graphics was easy for clinicians to interpret. The manoeuvres simulated include changes of basic physiological inputs (e.g. blood pressure, central venous pressure, CO2 tension, head up position, and respiratory effects on vascular pressures) as well as pathological inputs (e.g. acute intracranial bleeding, and obstruction of cerebrospinal outflow). Based on the results, we believe the model would be useful to teach complex relationships of brain haemodynamics and study clinical research questions such as the optimal head-up position, the effects of intracranial haemorrhage on cerebral haemodynamics, as well as the best CO2 concentration to reach the optimal compromise between intracranial pressure and perfusion. We believe this model would be useful for both beginners and advanced learners. It could be used by practicing clinicians to model individual patients (entering the effects of needed clinical manipulations, and then running the model to test for optimal combinations of therapeutic manoeuvres). II. A Heterogeneous Cerebrovascular Mathematical Model Cerebrovascular pathologies are extremely complex, due to the multitude of factors acting simultaneously on cerebral haemodynamics. In this work, the mathematical model of cerebral haemodynamics and intracranial pressure dynamics, described in the point I, is extended to account for heterogeneity in cerebral blood flow. The model includes the Circle of Willis, six regional districts independently regulated by autoregulation and CO2 reactivity, distal cortical anastomoses, venous circulation, the cerebrospinal fluid circulation, and the intracranial pressure-volume relationship. Results agree with data in the literature and highlight the existence of a monotonic relationship between transient hyperemic response and the autoregulation gain. During unilateral internal carotid artery stenosis, local blood flow regulation is progressively lost in the ipsilateral territory with the presence of a steal phenomenon, while the anterior communicating artery plays the major role to redistribute the available blood flow. Conversely, distal collateral circulation plays a major role during unilateral occlusion of the middle cerebral artery. In conclusion, the model is able to reproduce several different pathological conditions characterized by heterogeneity in cerebrovascular haemodynamics and can not only explain generalized results in terms of physiological mechanisms involved, but also, by individualizing parameters, may represent a valuable tool to help with difficult clinical decisions. III. Effect of Cushing Response on Systemic Arterial Pressure. During cerebral hypoxic conditions, the sympathetic system causes an increase in arterial pressure (Cushing response), creating a link between the cerebral and the systemic circulation. This work investigates the complex relationships among cerebrovascular dynamics, intracranial pressure, Cushing response, and short-term systemic regulation, during plateau waves, by means of an original mathematical model. The model incorporates the pulsating heart, the pulmonary circulation and the systemic circulation, with an accurate description of the cerebral circulation and the intracranial pressure dynamics (same model as in the first paragraph). Various regulatory mechanisms are included: cerebral autoregulation, local blood flow control by oxygen (O2) and/or CO2 changes, sympathetic and vagal regulation of cardiovascular parameters by several reflex mechanisms (chemoreceptors, lung-stretch receptors, baroreceptors). The Cushing response has been described assuming a dramatic increase in sympathetic activity to vessels during a fall in brain O2 delivery. With this assumption, the model is able to simulate the cardiovascular effects experimentally observed when intracranial pressure is artificially elevated and maintained at constant level (arterial pressure increase and bradicardia). According to the model, these effects arise from the interaction between the Cushing response and the baroreflex response (secondary to arterial pressure increase). Then, patients with severe head injury have been simulated by reducing intracranial compliance and cerebrospinal fluid reabsorption. With these changes, oscillations with plateau waves developed. In these conditions, model results indicate that the Cushing response may have both positive effects, reducing the duration of the plateau phase via an increase in cerebral perfusion pressure, and negative effects, increasing the intracranial pressure plateau level, with a risk of greater compression of the cerebral vessels. This model may be of value to assist clinicians in finding the balance between clinical benefits of the Cushing response and its shortcomings. IV. Comprehensive Cardiopulmonary Simulation Model for the Analysis of Hypercapnic Respiratory Failure We developed a new comprehensive cardiopulmonary model that takes into account the mutual interactions between the cardiovascular and the respiratory systems along with their short-term regulatory mechanisms. The model includes the heart, systemic and pulmonary circulations, lung mechanics, gas exchange and transport equations, and cardio-ventilatory control. Results show good agreement with published patient data in case of normoxic and hyperoxic hypercapnia simulations. In particular, simulations predict a moderate increase in mean systemic arterial pressure and heart rate, with almost no change in cardiac output, paralleled by a relevant increase in minute ventilation, tidal volume and respiratory rate. The model can represent a valid tool for clinical practice and medical research, providing an alternative way to experience-based clinical decisions. In conclusion, models are not only capable of summarizing current knowledge, but also identifying missing knowledge. In the former case they can serve as training aids for teaching the operation of complex systems, especially if the model can be used to demonstrate the outcome of experiments. In the latter case they generate experiments to be performed to gather the missing data.

Neuroleptic management of schizophrenia: A survey and commentary on Australian psychiatric practice

Objective: We seek to assess Australian psychiatrists' views and practices concerning provision of neuroleptic medication to patients with schizophrenia, and to determine whether such management strategies are likely to have changed over time and the extent to which they correspond to published treatment guidelines. Method: A sample of 139 psychiatrists based in three Australian capital cities was derived, with respondents completing a brief questionnaire by choosing from a limited-option answer set. Co-authors of this paper comment on the extent to which responses are in line with contemporary recommendations driven by experts or empirical studies. Results: Overall, survey findings indicate that there has been considerable change in clinical practice over the last decade and provide some estimate of the extent to which Australian management practices are congruent with contemporary recommendations. We identify a number of issues of concern (more in relation to dose levels of neuroleptic medication rather than treatment duration) revealed by survey data and make recommendations for addressing a number of practical clinical issues. Conclusions: As this report focuses on central issues involved in managing schizophrenia, and integrates a number of treatment guidelines, we suggest that it should be of assistance for practice review by clinicians.

Development and experimental validation of a finite element model of total ankle replacement.

Total ankle replacement remains a less satisfactory solution compared to other joint replacements. The goal of this study was to develop and validate a finite element model of total ankle replacement, for future testing of hypotheses related to clinical issues. To validate the finite element model, an experimental setup was specifically developed and applied on 8 cadaveric tibias. A non-cemented press fit tibial component of a mobile bearing prosthesis was inserted into the tibias. Two extreme anterior and posterior positions of the mobile bearing insert were considered, as well as a centered one. An axial force of 2kN was applied for each insert position. Strains were measured on the bone surface using digital image correlation. Tibias were CT scanned before implantation, after implantation, and after mechanical tests and removal of the prosthesis. The finite element model replicated the experimental setup. The first CT was used to build the geometry and evaluate the mechanical properties of the tibias. The second CT was used to set the implant position. The third CT was used to assess the bone-implant interface conditions. The coefficient of determination (R-squared) between the measured and predicted strains was 0.91. Predicted bone strains were maximal around the implant keel, especially at the anterior and posterior ends. The finite element model presented here is validated for future tests using more physiological loading conditions.

Understanding triadic and family group interactions during infancy and toddlerhood.

This paper outlines recent conceptual and methodological developments in the assessment of triadic and family group process during infancy and toddlerhood. Foundations of the emerging family group process are identified, and conditions specific to the assessment of the family during the early phases of family formation are summarized. Both microanalytic and global approaches to evaluating mother-father-child interactions are discussed. We highlight both similarities and differences in the strategies and methods employed by several different investigators who have been studying the group dynamics of families with infant and toddler children, and underscore several important family patterns and emerging themes that appear to be cutting across these different methods and measurement strategies. Preliminary evidence for the validity and clinical significance of family-level assessments is summarized, and directions currently being pursued by researchers engaged in studies of the family triad are outlined. We close by identifying several conceptual and clinical issues that remain to be addressed by subsequent work.

Drug adherence in chronic kidney diseases and dialysis.

Poor long-term adherence and persistence to drug therapy is universally recognized as one of the major clinical issues in the management of chronic diseases, and patients with renal diseases are also concerned by this important phenomenon. Chronic kidney disease (CKD) patients belong to the group of subjects with one of the highest burdens of daily pill intake with up to >20 pills per day depending on the severity of their disease. The purpose of the present review is to discuss the difficulties encountered by nephrologists in diagnosing and managing poor adherence and persistence in CKD patients including in patients receiving maintenance dialysis. Our review will also attempt to provide some clues and new perspectives on how drug adherence could actually be addressed and possibly improved. Working on drug adherence may look like a long and tedious path, but physicians and healthcare providers should always be aware that drug adherence is in general much lower than what they may think and that there are many ways to improve and support drug adherence and persistence so that renal patients obtain the full benefits of their treatments.

A randomized trial of spiritual assessment of outpatients with schizophrenia: Patients' and clinicians' experience

Objective: Recovery-oriented care for patients with schizophrenia involves consideration of cultural issues, such as religion and spirituality. However, there is evidence that psychiatrists rarely address such topics. This study examined acceptance of a spiritual assessment by patients and clinicians, suggestions for treatment that arose from the assessment, and patient outcomes-in terms of treatment compliance and satisfaction with care (as measured by treatment alliance). Methods: Outpatients with psychosis were randomly assigned to two groups: an intervention group that received traditional treatment and a religious and spiritual assessment (N=40) and a control group that received only traditional treatment (N=38). Eight psychiatrists were trained to administer the assessment to their established and stable patients. After each administration, the psychiatrist attended a supervision session with a psychiatrist and a psychologist of religion. Baseline and three-month data were collected. Results: The spiritual assessment was well accepted by patients. During supervision, psychiatrists reported potential clinical uses for the assessment information for 67% of patients. No between-group differences in medication adherence and satisfaction with care were found at three months, although patients in the in- tervention group had significantly better appointment attendance dur- ing the follow-up period. Their interest in discussing religion and spirituality with their psychiatrists remained high. The process was not as well accepted by psychiatrists. Conclusions: Spiritual assessment can raise important clinical issues in the treatment of patients with chronic schizophrenia. Cultural factors, such as religion and spirituality, should be considered early in clinical training, because many clinicians are not at ease addressing such topics with patients.

Mécanismes de plasticité synaptique dans l’amygdale lors de la réactivation de la mémoire de peur auditive chez le rat : interaction dynamique des récepteurs NMDA et AMPA

La plasticité synaptique est une propriété indispensable à l’acquisition de la mémoire chez toutes les espèces étudiées, des invertébrés aux primates. La formation d’une mémoire débute par une phase de plasticité qui inclut une restructuration synaptique ; ensuite elle se poursuit par la consolidation de ces modifications, contribuant à la mémoire à long terme. Certaines mémoires redeviennent malléables lorsqu’elles sont rappelées. La trace mnésique entre alors dans une nouvelle de phase de plasticité, au cours de laquelle certaines composantes de la mémoire peuvent être mises à jour, puis reconsolidées. L’objectif de la présente thèse est d’étudier les mécanismes cellulaires et moléculaires qui sont activés lors du rappel d’une mémoire. Nous avons utilisé un modèle de conditionnement Pavlovien, combiné à l’administration d’agents pharmacologiques et à l’analyse quantitative de marqueurs de plasticité synaptique, afin d’étudier la dynamique de la mémoire de peur auditive chez des rats Sprague Dawley. La circuiterie neuronale et les mécanismes associatifs impliqués dans la neurobiologie de cette mémoire sont bien caractérisés, en particulier le rôle des récepteurs glutamatergiques de type NMDA et AMPA dans la plasticité synaptique et la consolidation. Nos résultats démontrent que le retour de la trace mnésique à un état de labilité nécessite l’activation des récepteurs NMDA dans l’amygdale baso-latérale à l’instant même du rappel, alors que les récepteurs AMPA sont requis pour l’expression comportementale de la réponse de peur conditionnée. D’autre part, les résultats identifient le rappel comme une phase bien plus dynamique que présumée, et suggèrent que l’expression de la peur conditionnée mette en jeu la régulation du trafic des récepteurs AMPA par les récepteurs NMDA. Le présent travail espère contribuer à la compréhension de la neurobiologie fondamentale de la mémoire. De plus, il propose une intégration des résultats aux modèles animaux d’étude des troubles psychologiques conséquents aux mémoires traumatiques chez l’humain, tels que les phobies et les syndromes de stress post-traumatiques.

Polymeric micelles as versatile carriers for drugs and nucleic acids

Le cancer est la principale cause de mortalité au Canada. Les taxanes (e.g. le paclitaxel et le docétaxel (DCTX)) constituent des remèdes efficaces contre une série de tumeurs solides telles que les cancers du sein, du poumon et de l’ovaire. Par ailleurs, des acides nucléiques (e.g. les oligonucléotides antisens (AON) ou les petits ARN interférents (siRNAs)), capables de supprimer sélectivement certains oncogènes impliqués dans la carcinogénèse, sont actuellement étudiés pour traiter une large gamme de cancers. Bien que l’activité des taxanes et des acides nucléiques soit bien établie sur des modèles humains et/ou animaux, plusieurs aspects physico-chimiques et cliniques restent encore à améliorer. Leur solubilité limitée (pour les taxanes), leur dégradation rapide dans le sang (pour les acides nucléiques), leur élimination précoce, leur absence de sélectivité et leur toxicité envers les tissus sains sont les principaux facteurs limitant leur efficacité. C’est pourquoi de nombreux efforts ont porté sur l’élaboration de systèmes de vectorisation ciblés à base de polymères, dans le but de surmonter les problèmes associés aux thérapies actuelles. Dans cette thèse, deux types de micelles polymères ont été développés pour la vectorisation de DCTX et d’acides nucléiques. D’une part, des micelles de poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(oxyde de butylène/styrène) ont été étudiées pour la première fois pour solubiliser le DCTX et le protéger de l’hydrolyse. Ces polymères se sont révélés moins toxiques que le surfactant utilisé commercialement pour solubiliser le DCTX (i.e. polysorbate 80) et ont permis une libération prolongée du principe actif. D’autre part, deux systèmes différents de micelles polyioniques (PICM) ont été mis au point pour la vectorisation d’acides nucléiques. De nouveaux conjugués de poly(éthylène glycol) (PEG)-oligonucléotide ont été proposés pour la protection et la libération contrôlée d’AON. Lorsque ces conjugués ont été formulés avec des dendrimères de poly(amidoamine) (PAMAM), des complexes de taille homogène ont été obtenus. Ces PICM ont permis de prolonger la libération de l’AON et de le protéger efficacement contre la dégradation enzymatique. De plus, des polymères de poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(méthacrylate de propyle-co-acide méthacrylique) ont été incorporés afin de conférer des propriétés acido-sensibles aux PICM. Dans ces micelles, formées de ce dernier polymère formulé avec le dendrimère PAMAM, des oligonucléotides (AON et siRNA) ciblant l’oncogène Bcl-2 ont été encapsulés. L’internalisation cellulaire fut assurée par un fragment d’anticorps monoclonal (Fab’) situé à l’extrémité de la couronne de PEG. Après l’internalisation cellulaire et la protonation des unités d’acide méthacrylique sous l’effet de l’acidification des endosomes, les micelles se sont affranchies de leur couronne. Elles ont ainsi exposé leur cœur composé d’acide nucléique et de dendrimère PAMAM, qui possède une charge positive et des propriétés endosomolytiques. En effet, ces PICM acido-sensibles ciblées ont permis d’augmenter la biodisponibilité des acides nucléiques vectorisés et se sont avérées plus efficaces pour silencer l’oncoprotéine Bcl-2 que les micelles non ciblées ou que le dendrimère de PAMAM commercial seul. Finalement, les nanovecteurs polymères présentés dans cette thèse se révèlent être des systèmes prometteurs pour la vectorisation des anticancéreux et des acides nucléiques.

Le visage de la douleur : informations efficientes pour la reconnaissance et impacts sur l’observateur.

L’expression faciale de la douleur occupe un rôle central dans la communication de la douleur et dans l’estimation de l’intensité de la douleur vécue par autrui. Les propriétés du visage d’une personne en souffrance ont été investiguées principalement à l’aide de méthodes descriptives (e.g. FACS). L’introduction fait le point sur les connaissances de l’expression faciale de douleur et de la communication de cette expérience sur les plans comportemental et cérébral et souligne que les mécanismes et stratégies visuels utilisés par l’observateur pour parvenir à détecter la douleur dans le visage d’autrui demeurent très peu connus. L’étude des processus impliqués dans la reconnaissance de l’expression de la douleur est essentielle pour comprendre la communication de la douleur et éventuellement expliquer des phénomènes ayant des impacts cliniques considérables, tel que l’effet classique de sous-estimation de la douleur d’autrui. L’article 1 vise à établir à l’aide d’une méthode directe (Bubbles) les informations visuelles utilisées efficacement par l’observateur lorsqu’il doit catégoriser la douleur parmi les émotions de base. Les résultats montrent que parmi l’ensemble des caractéristiques du visage typique de la douleur, peu d’informations sont vraiment efficaces pour parvenir à cette discrimination et que celles qui le sont encodent la partie affective- motivationnelle de l’expérience d’autrui. L’article 2 investigue le pouvoir de ces régions privilégiées du visage de la douleur dans la modulation d’une expérience nociceptive chez l’observateur afin de mieux comprendre les mécanismes impliqués dans une telle modulation. En effet, s’il est connu que des stimuli ayant une valence émotionnelle négative, y compris des expressions faciales de douleur, peuvent augmenter les réponses spinales (réflexes) et supra-spinales (ex.: perceptives) de la douleur, l’information visuelle suffisante pour permettre l’activation des voies modulatrices demeure inconnue. Les résultats montrent qu’en voyant les régions diagnostiques pour la reconnaissance de l’expression faciale de douleur, la douleur perçue par l’observateur suite à une stimulation nociceptive est plus grande que lorsqu’il voit les régions les moins corrélées avec une bonne reconnaissance de la douleur. L’exploration post-expérimentale des caractéristiques de nos stimuli suggère que cette modulation n’est pas explicable par l’induction d’un état émotionnel négatif, appuyant ainsi un rôle prépondérant de la communication de la douleur dans la modulation vicariante de l’expérience douloureuse de l’observateur. Les mesures spinales ne sont toutefois pas modulées par ces manipulations et suggèrent ainsi que ce ne sont pas des voies cérébro-spinale qui sont impliquées dans ce phénomène.

Prise en charge clinique en physiothérapie oncologique: promotion d’une décision partagée dans le contexte des soins palliatifs

Article

Étude préliminaire d'une nouvelle méthode de cotation du dessin de la famille chez les enfants d'âge préscolaire agressés sexuellement

Essai doctoral présenté à la Faculté des arts et des sciences en vue de l'obtention du grade de Doctorat (D.Psy) en psychologie option psychologie clinique

Enalapril versus nifedipino para el manejo de la hipertensión arterial postparto

Introducción: Los desórdenes hipertensivos en el embarazo son la mayor causa de morbimortalidad materna en el mundo, su tratamiento habitualmente se realiza con nifedipino o enalapril durante el postparto indistintamente, pero no hay estudios que los comparen. Metodología: Se realizó un estudio de corte transversal con fines analíticos en el cual se incluyeron las historias clínicas de pacientes con trastorno hipertensivo durante el postparto que recibieron alguno de estos dos medicamentos y se evaluó el control de tensión arterial, necesidad de otros antihipertensivos, efectos adversos, presencia de complicaciones en ambos grupos. Resultados: Se estudió una muestra representativa, homogénea de 139 pacientes (p 0,43). Todas controlaron las cifras tensionales con el medicamento recibido. El 45% (n=62) recibió enalapril 20 mg cada 12 horas, el 40% (n=56) recibió nifedipino 30 mg cada 8 horas, el 15% (n=21) recibió nifedipino 30 mg cada 12 horas. No se presentaron efectos adversos, complicaciones o mortalidad en ninguno de los grupos. Las pacientes con enalapril requirieron más antihipertensivos comparado con las pacientes que recibieron nifedipino con diferencia estadísticamente significativa (p 0,001). Discusión La escogencia de un antihipertensivo durante el postparto debe estar encaminada al tipo de trastorno antihipertensivo: aquellos que se presentan por primera vez durante el embarazo se les administra nifedipino con excelentes resultados; aquellos con antecedente de hipertensión previa se les administra enalapril con buenos resultados. Ambos medicamentos controlaron la presión arterial adecuadamente sin complicaciones ni mortalidad.

Manejo de las crisis familiares ante la hospitalización de uno de sus miembros en una unidad de cuidado intensivo

En las Unidades de Cuidado Intensivo se proporcionan cuidados altamente especializados al paciente. Sin embargo en la práctica, en la mayoría de los casos se olvida y no se tiene en cuenta, la posibilidad de afrontamiento de crisis

Factores asociados a complicaciones post quirúrgicas en pacientes adultos con obstrucción intestinal mecánica en Bogotá, Colombia, período 2008 - 2014

Introducción: La obstrucción intestinal es una patología de alta prevalencia e impacto en los servicios de cirugía general a nivel mundial. El manejo de esta entidad puede ser médico o quirúrgico. Cuando se requiere intervención quirúrgica, se busca evitar el desarrollo de isquemia intestinal y resecciones intestinales; durante el postoperatorio, pueden existir complicaciones. El objetivo de este estudio es identificar los factores asociados al desarrollo de complicaciones post operatorias en un grupo de pacientes con obstrucción intestinal mecánica llevados a manejo quirúrgico. Metodología: Estudio analítico tipo casos y controles en un grupo de pacientes con diagnóstico de obstrucción intestinal mecánica llevados a manejo quirúrgico de su patología. Los casos corresponden a los pacientes con complicaciones postoperatorias y los controles aquellos que no presentaron complicaciones. Se identificaron factores asociados a complicación post operatoria mediante modelos estadísticos bivariados y multivariados de regresión logística para factores como edad, sexo, antecedente quirúrgico, presentación clínica, paraclínica y diagnóstico postoperatorio de malignidad, entre otras. Resultados: Se identificaron un total de 138 pacientes (54 casos y 129 controles). Los rangos de edad entre 55-66 años y mayor de 66 años fueron asociados con complicaciones postoperatorias (OR 3,87 IC95% 1,58-9,50 y OR 3,62 IC95% 1,45-9,08 respectivamente). El déficit de base inferior a 5 mEq/litro se relaciona con complicaciones postoperatorias (OR 2,64 IC95% 1.33-5,25) Otras pruebas de laboratorio, características radiológicas, hallazgos de malignidad en el postoperatorio y la evolución de los pacientes no fueron asociados con complicaciones. Conclusiones: Las disminución de las complicaciones durante el manejo quirúrgico de obstrucción intestinal mecánica continúa siendo un reto para la cirugía general. Factores no modificables como edad avanzada y modificables como el equilibrio ácido base deben ser tenidos en cuenta dada su correlación en el desarrollo de complicaciones postoperatorias.