Computational model of the human urinary bladder
- Autores: Virginia María da Silva Araujo
- Directores de la Tesis: Sergio Oller (dir. tes.), Eugenio Oñate Ibáñez de Navarra (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2013
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Juan Miquel Canet (presid.), Agustín Franco de Castro (secret.), Estevam Barbosa de Las Casas (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
La propuesta de una vejiga artificial es un obstáculo a trasponer. El cáncer de vejiga está entre los casos más frecuentes de enfermedades oncológicas en Estados Unidos y Europa. Ese cáncer es considerado un problema médico importante una vez que esa enfermedad presenta altas tasas de re-ocurrencia, muchas veces llevando a la remoción del órgano. La solución más sofisticada para remplazar ese órgano es la vejiga ileal, que consiste en una neovejiga hecha de tejido intestinal del enfermo. Desafortunadamente, esa solución presenta no solo problemas mecánicos funcionales, descritos en la literatura como problemas de vaciado y fuga, peo también problemas de orden biológica (como ejemplo pérdida ósea, debido a la absorción por el intestino de substancias que necesitan ser eliminadas del organismo). A través de la solicitación de la comunidad urológica del Hospital Clínico de Barcelona y con su experiencia en modelos numéricos para estructuras biomédicas, el Centro de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMNE) ha tenido la iniciativa de proporcionar actividad investigadora de la mecánica de la vejiga urinaria y de la simulación de interacción fluidoestructura para reproducir el llenado y vaciado de ese órgano con la orina. La simulación de la vejiga humana por el Método de los Elementos Finitos (FEM) y un completo entendimiento de la mecánica de ese órgano y de su interacción con la orina dará la posibilidad de proponer mejora en la geometría y de analizar materiales para la solución artificial en caso de remplazamiento de la vejiga. Para lograr ese objetivo, primeramente procedemos a una revisión bibliográfica de los modelos matemáticos del aparato urinario y un estudio comprehensivo de la fisiología y dinámica de la vejiga. Presentamos una revisión de las principales estructuras urológicas, riñón, uréter y uretra. Las estructuras anexas también son consideradas para entender las condiciones de contorno del problema estudiado. Posteriormente, proponemos el modelo constitutivo para estudiar la vejiga urinaria humana. El comportamiento del musculo detrusor durante llenado y vaciado de la vejiga con orina, su habilidad de retención de orina a baja presión debe ser correctamente representada por medio de la implementación de un modelo constitutivo no-lineal. El modelo matemático necesita representar las variables mecánicas que gobiernan ese órgano, y también las propiedades de la orina. El comportamiento no-lineal de tejidos vivos es implementado y validado con ejemplos de la literatura. La propiedad quasi-incompressible de la orina y las ecuaciones Navier-Stokes son consideradas para análisis del fluido. Para representar la geometría de la vejiga, implementamos un modelo computacional 3D a partir de imágenes de tomografía computadorizada de un cadáver adulto. Los datos son tratados para considerar las condiciones de contorno. Hemos construido dos modelos de malla: un mallado con tetrahedos de cuatro nodos y otro mallado con elementos de membrana de tres nodos. El esquema utilizado para calcular la interacción fluido-estructura debe ser adecuado para materiales de densidad muy parecidas. El análisis numérico de llenado y vaciado de la vejiga humana es validada con tests urodinámicos estandarizados. La parte final de la tesis, presentamos una simulación de una neo-vejiga, siendo el primer paso para representar numéricamente materiales artificiales para remplazamiento de la vejiga.
