MODELADO OSTEOMUSCULAR
1- Identificación
Estudios: Grado de Ingeniería Biomédica
Curso: Tercer curso
Trimestre: Tercer trimestre
Número de créditos ECTS (European Credit Transfer System): En total, el curso
consistirá de 1.44 créditos ECTS (36 horas). La asistencia a las clases es obligatoria. El
curso se divide en los siguientes tipos de clases: i) 18 horas de clases teóricas, ii) 8
horas de seminarios y iii) 10 horas de prácticas.
Profesorado: Jérôme Noailly (DTIC, Universitat Pompeu Fabra)
2- Objetivos generales
El sistema osteomuscular (o musculoesquelético) comprende varios tejidos, típicamente
huesos, ligamentos, cartílagos, tendones y músculos, los cuales interactúan entre ellos
para proveer al cuerpo flexibilidad, resistencia, y estabilidad mecánica, mientras se
asegura motricidad. Cuando uno o varios tejidos de este sistema dejan de asumir
plenamente su función, todo el equilibrio funcional de sistema se ve alterado,
traduciéndose esta alteración en cambios de distribuciones de cargas mecánica entre los
diferentes tejidos. Debido a la mecano-sensitividad de las células que aseguran el buen
mantenimiento de los tejidos, describir estas distribuciones de carga es clave tanto para
el entendimiento como para el tratamiento de las patologías. El modelado teórico del
sistema musculoesquelético representa una herramienta única para anticipar el
equilibrio mecánico y por lo tanto biológico de los tejidos, el cual difícilmente puede ser
medido in situ.
La asignatura pretende dar una visión de conjunto de las necesidades tecnológicas que
intervienen en el uso de modelos musculoesqueléticos para el análisis y el tratamiento
de pacientes con enfermedades osteomusculares. La estructura sigue dicho proceso en
su orden lógico: desde el conocimiento de las características mecánicas y funcionales de
los tejidos del sistema musculoesquelético, a la modelización de dichas características
para integrarlas en modelos que representen un paciente, una enfermedad, o un
tratamiento. La integración de datos clínicos, el problema de calibración y de validación
de los modelos serán abordados, así como el uso practico de los modelos para el diseño
de implantes ortopédicos, y para la evaluación de resultados clínicos.
1 / 6 1. Estructura del curso
Clases teóricas
1- Introducción: sistema musculoesquelético y mecanobiologia (3h)
2-
Aproximaciones
de
modelización
(3h)
(Complemento información sobre herramientas de modelización: Seminario 1)
•
•
Modelos de agentes
Modelos de cuerpos rígidos y cuerpos deformables
(Complemento de información sobre modelos de cuerpo rígido: Seminario 2)
•
Concepto de modelización por elementos finitos del solido deformable en
biomecánica
3- Modelización de los tejidos de sistema musculoesquelético (4h)
• Hueso: elasticidad linear, poroelasticidad
• Ligamentos: grandes deformaciones, elasticidad no lineal, viscoelasticidad
• Tejidos cartilaginosos: hyperelasticidad, poro-hyperelasticidad, osmo-porohyperelasticidad
• Músculos: Modelo de Hill, y alternativas
(Complemento de información en modelización de la función muscular: Seminario 2)
•
Modelos avanzados con parámetros que dependen de la composición
4- Calibración y validación (3h)
• Concepto de validación de modelos de materiales vivos
• Ensayos para caracterización de tejidos: identificación de parámetros,
variabilidad, y optimizaciones numéricas
• Estudios de sensibilidad
• Interpretaciones: análisis comparativas e identificación de mecanismos
(diseño de estudios), márgenes de seguridad, regulación (FDA)
5- Integración de datos clínicos y protocolos (2h)
(Complemento de información sobre hueso y cartílago: Seminario 3)
•
•
•
CT y huesos
MRI y cartílago
EMG, motion capture, placa de fuerza y músculos
(Complemento de información sobre sinergia entre músculos: Seminario 2)
6- Casos
prácticos
en
ortopedia
(3h)
(Complemento de información sobre casos clínicos de interés: Seminario 4)
•
Ensayo virtual de implantes
•
•
Diseño de implantes
Plataformas de modelización para prognosis y predicción de fracturas
(Complemento de información meseta tibial: Seminario 1)
(Complemento de información sobre riego de fractura: Seminario 3)
2 / 6 Seminarios
Los seminarios consisten en ponencias invitadas de especialistas que tienen como
objetivo dar complementos de información e ilustrar de manera práctica las clases
teóricas. También pretenden servir de fuente de inspiración para los proyectos de
practica.
•
Seminario 1 – 30/04/2015, 10:30-12:30 – Gaëtan Chary, Ingeniero, Consultor
independiente y colaborador del grupo SIMBioSys – Especialista en
biomecánica computacional con programas de código abierto (1.5h + 0.5h de
discusión)
•
Seminario 2 – 05/05/2015, 15:30-17:30 – Josep Maria Font, Profesor agregado,
director del grupo de investigación BIOMEC en la Universitat Politècnica de
Catalunya – Especialista en análisis del movimiento humano y simulación de la
función muscular (1.5h + 0.5h de discusión)
•
Seminario 3 – 19/05/2015, 16:00-18:00 – Ludovic Humbert, Cofundador y
director de la Musculoskeletal Unit, a Galgo Medical S.L. - Especialista en
modelización personalizada de órganos de pacientes (1.5h + 0.5h de discusión)
•
Seminario 4 – 22/05/2015, 15:30-17:30 – Antoni Molina, Cirujano a l’Hospital
del Mar – Especialista en Cirugía Ortopédica y Traumatología (1.5h + 0.5h de
discusión)
Cada estudiante deberá entregar al profesor un resumen de cada seminario, con una
extensión de 200-250 palabras por resumen.
Trabajo de practicas
La asignatura incluye la realización de un trabajo grupal de 10 horas, durante las horas
en el aulario. Se tratará de:
1) Escoger una región específica (tejido o órgano) del sistema musculoesquelético
del cuerpo humano
2) Resaltar el interés del estudio computacional de esta región en relación a un
problema de salud específico (degeneración, trauma, malformación, …)
3) Diseñar del análisis numérico en términos de cálculo de interés, condiciones de
contorno, parámetros de modelos (asignación e identificación/calibración), y
otras aproximaciones relevantes
4) Proponer vías de implementación
5) Discutir la validez de la información potencialmente calculada con el modelo
Toda la información aportada deberá ser respaldada por datos de la literatura científica,
debidamente citados. El trabajo será validado por la redacción de un informe que se
entregará al profesor el día del examen escrito, para su posterior evaluación.
3 / 6 3. Evaluación
La evaluación se hará en base a los contenidos impartidos en las clases y al trabajo de
practicas. En particular:
- Examen escrito (no-recuperable): 50%
- Trabajo de prácticas (no-recuperable): 40%
- Resúmenes de seminario: 10%
4. Requisitos
La asistencia a las clases es obligatoria. En caso de no poder atender a alguna clase,
se deberá entregar un justificante de la razón de dicha ausencia.
5. Literatura recomendada
Cowin, S.C. (2001). Bone Mechanics Handbook, Second Edition. CRC Press. ISBN-13:
978-0849391170. ISBN-10: 0849391172
CRISFIELD, M.A. (2000). NON-LINEAR FINITE ELEMENT ANALYSIS OF
SOLIDS AND STRUCTURES VOLUME 1: ESSENTIALS. WILEY, 2000, ISBN:
9780470860205
Gasser, T. C., Ogden, R. W., & Holzapfel, G. a. (2006). Hyperelastic modelling of
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Interface / the Royal Society, 3(6), 15–35. doi:10.1098/rsif.2005.0073
Henak, C. R., Anderson, A. E., & Weiss, J. a. (2013). Subject-Specific Analysis of Joint
Contact Mechanics: Application to the Study of Osteoarthritis and Surgical Planning.
Journal of Biomechanical Engineering, 135(2), 021002. doi:10.1115/1.4023386
Henninger, H. B., Reese, S. P., Anderson, A. E., & Weiss, J. A. (2010). Validation of
computational models in biomechanics. Proceedings of the Institution of Mechanical
Engineers Part H Journal of Engineering in Medicine, 224(7), 801–812.
doi:10.1243/09544119JEIM649
Holcombe, M., Adra, S., Bicak, M., Chin, S., Coakley, S., Graham, A. I., … Worth, D.
(2012). Modelling complex biological systems using an agent-based approach.
Integrative Biology, 4(1), 53–64. doi:10.1039/c1ib00042j
Holzapfel, G.A. (2000). Nonlinear Solid Mechanics: A Continuum Approach for
Engineering. Wiley, 2000, ISBN-10: 0471823198, ISBN-13: 9780471823193
Holzapfel, G.A. (2001). Biomechanics of Soft Tissue. In: Handbook of Material
Behavior 1, Academic Press
4 / 6 Jones, A. C., & Wilcox, R. K. (2008). Finite element analysis of the spine: towards a
framework of verification, validation and sensitivity analysis. Medical Engineering &
Physics, 30(10), 1287–304. doi:10.1016/j.medengphy.2008.09.006
Julkunen, P., Wilson, W., Isaksson, H., Jurvelin, J. S., Herzog, W., & Korhonen, R. K.
(2013). A review of the combination of experimental measurements and fibrilreinforced modeling for investigation of articular cartilage and chondrocyte response to
loading. Computational and Mathematical Methods in Medicine, 2013, 326150.
doi:10.1155/2013/326150
Machado, D., Costa, R. S., Rocha, M., Ferreira, E. C., Tidor, B., & Rocha, I. (2011).
Modeling formalisms in Systems Biology. AMB Express, 1(1), 45. doi:10.1186/21910855-1-45
Malandrino, A., Jackson, A. R., Huyghe, J. M., & Noailly, J. (2015). Poroelastic
modeling of the intervertebral disc: A path toward integrated studies of tissue
biophysics and organ degeneration. MRS Bulletin, 40(04), 324–332.
doi:10.1557/mrs.2015.68
Marckmann, G., & Verron, E. (2006). Comparison of hyperelastic models for rubberlike materials. Rubber Chemistry and Technology, 79(5), 835–858.
Noailly, J., & Lacroix, D. (2012). Finite element modelling of the spine. In L. Ambrosio
& K. E. Tanner (Eds.), Biomaterials for Spinal Surgery - Part I: Fundamentals of
Biomaterials for Spinal Surgery (pp. 144–232). Cambridge: Woodhead Publishing Ltd.
doi:10.1533/9780857096197.1.144
Noailly, J., Malandrino, A., & Galbusera, F. (2014). Computational modelling of spinal
implants. In J. Zhongmin (Ed.), Computational Modelling of Biomechanics and
Biotribology in the Musculoskeletal System (pp. 447–484). Cambridge: Woodhead
Publishing Ltd. doi:10.1533/9780857096739.4.447
Potier, E., Noailly, J., & Ito, K. (2010). Directing bone marrow-derived stromal cell
function with mechanics. Journal of Biomechanics, 43(5), 807–17.
doi:10.1016/j.jbiomech.2009.11.019
http://www.fda.gov/MedicalDevices/DeviceRegulationandGuidance/GuidanceDocumen
ts/ucm371016.htm
http://biomedicalcomputationreview.org/content/biology-interacting-things-intuitivepower-agent-based-models
http://biomedicalcomputationreview.org/content/identifying-and-overcomingskepticism-about-biomedical-computing
5 / 6 6. Repositorios de modelos
http://www.ulb.ac.be/project/vakhum/
http://lifesciencedb.jp/bp3d/
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