Predicción de cargas en el fémur para paciente-específico combinando redes neuronales y elementos finitos

Extremiana Daroca, Marcos
Pérez Ansón, María Ángeles (dir.) ; Garijo Millán, Noelia (dir.)

Universidad de Zaragoza, EINA, 2013
Departamento de Ingeniería Mecánica, Área de Mec. de Medios Contínuos y Teor. de Estructuras

Ingeniero Industrial

Resumen: La Biomecánica es la disciplina que trata el análisis y predicción de la mecánica de los seres vivos, por tanto, sirve de ayuda para entender el funcionamiento motor de los organismos, caracterizar el comportamiento de tejidos y órganos desde el punto de vista estructural y, predecir los cambios microestructurales que sufren estos por distintas alteraciones. Respecto a los cambios microestructurales, la estructura del hueso se adapta en respuesta a las alteraciones de carga que sufre. Debido a esta circunstancia, existen diferentes modelos de acuerdo a leyes matemáticas que estudian el comportamiento de los huesos, lo que se ha llamado modelos de remodelación ósea. Actualmente, muchos de estos modelos se están revisando. Esto es debido a la creciente necesidad surgida en la Biomecánica para crear modelos que se adapten a un paciente específico. Dentro del modelado de paciente específico uno de los retos más importantes es la predicción de cargas que un paciente soporta, las cuales crean una determinada distribución de densidades óseas. Esta predicción de cargas sirve de gran ayuda a la hora de elegir por ejemplo, una prótesis que se ajuste en la mejor medida a un determinado paciente específico. De acuerdo con la situación actual en el modelado de paciente específico, se ha desarrollado en este proyecto un modelo matemático que combina la aplicación de redes neuronales y la implementación de un modelo de remodelación ósea, empleando para ello el método de elementos finitos. Este modelo nos permitirá obtener las condiciones de carga que producen una determinada distribución de densidades. Este proyecto plantea la resolución de dos problemas: el problema de remodelación ósea y el problema inverso de remodelación ósea. Para la resolución del primero, se pretende estudiar el comportamiento del fémur sometido a unas cargas, las cuales simulan la situación de marcha de un sujeto específico. Para ello se ha utilizado un modelo de remodelación ósea en concreto conjuntamente al método de elementos finitos. La resolución de este problema nos dará como resultado una determinada distribución de densidades en el fémur, las cuales servirán como entradas para el problema inverso de remodelación ósea. La resolución del problema inverso de remodelación ósea requiere de técnicas muy costosas y laboriosas, de manera que, a fin de simplificar el proceso y reducir el coste computacional, se ha utilizado la aplicación de una red neuronal artificial (RNA). De esta forma, las densidades obtenidas en el fémur nos servirán como entrada para nuestra red neuronal artificial, la cual, una vez entrenada, nos predecirá con elevada exactitud y con un tiempo computacional adecuado las condiciones de carga que producen la distribución de densidades en el fémur obtenidas en el problema de remodelación ósea. Para comprobar el correcto funcionamiento de la red neuronal, se realizarán una serie de validaciones tanto dentro como fuera del rango de paciente específico.

Palabra(s) clave (del autor): remodelación ósea ; redes neuronales ; paciente específico

Tipo de Trabajo Académico: Proyecto Fin de Carrera