Desarrollo de modelos biomecánicos del hígado mediante Método de Elementos Finitos

Abstract

[ES] Este trabajo se centrará en el estudio del comportamiento biomecánico del tejido blando. El diagnóstico y tratamiento de diversas patologías en órganos abdominales y tejidos blandos requiere una localización precisa del tejido disfuncional, lo que se puede ver dificultado por la respiración del paciente. Por ello se ha desarrollado numerosos métodos y modelos para conseguir caracterizar la biomecánica de estos tejidos mediante simulaciones. El hígado ha sido uno de los principales objetivos de estudio y es uno de los órganos más afectados por la dinámica respiratoria del paciente. En sus simulaciones destaca la aplicación de modelos hiperelásticos. En este trabajo se estudia el desplazamiento que sufre el hígado durante la respiración a partir de la segmentación de un conjunto de imágenes TAC de 6 pacientes al final de las fases espiratoria e inspiratoria y la aplicación de técnicas de registro de puntos para comparar ambas fases. A partir de la información obtenida, se estudia la precisión de los modelos hiperelásticos más conocidos (Neo-Hookean, Ogden y Visco-hiperelástico) al simular mediante el método de elementos finitos la biomecánica de los hígados estudiados. La principal conclusión de este trabajo es que no se puede destacar un patrón común en los movimientos del hígado durante la respiración, de forma que no se puede generalizar con precisión unas condiciones de contorno concretas para simular por elementos finitos la respuesta de cualquier hígado a la respiración. Además, no se ha podido concluir que ningún modelo hiperelástico destaque por encima de otro, sin embargo, la simulación por elementos finitos ha demostrado errores importantes a la hora de simular el movimiento aislado de un tumor hepático, lo que demuestra la complejidad en oncología de aproximar el comportamiento de tejidos biológicos blandos mediante estos modelos.

[EN] It is important to locate accurately the diseased tissue in order to diagnose and treat varied pathologies of abdominal soft tissues, which may be difficult due to the patient's breathing. Some methods and models have been developed to characterize the biomechanics of this tissues by simulations. Liver is one of abdominal organs that suffer main displacements due to breathing, it has been a main target of this studies and it is often simulated by hyperelastic models. The objective of this project is to study the displacements of the liver due to breathing and the accurate of applying these models to simulate that conditions. A set of CT images of 6 patients is segmented at the end of end-exhale state and end-inhale state and a point set registration method is applied to study these displacements, comparing both states. Using these known displacements as boundary conditions, the patients¿ livers are simulated by finite elements method, applying the main hyperelastic models, and the accuracy of these models are analyzed. The main inference of this research is that is not possible to foreground a common pattern of the displacements of the liver during breathing. It is not possible to generalize an accurate boundary conditions to simulate by finite elements method the conditions of any liver. Besides, it has not been able to highlight a hyperelastic model over another. Though, the finite elements simulation has shown important errors simulating displacements of a hepatic tumoral. That proves the complexity of approximating in oncology the conditions of soft biologic tissues applying these models.