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2. Experiencias y conclusiones en el desarrollo y validación de instrumentos de evaluación enfocados a la adquisición de la competencia transversal ‘CT13 Instrumental Específica’ en asignaturas de Ingeniería Mecánica
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Pedrosa Sanchez, Ana Maria, Besa Gonzálvez, Antonio José, Rupérez Moreno, María José, Sánchez Orgaz, Eva María, Giner Navarro, Juan, Martinez Sanchis, Sandra, Vila Tortosa, María Paloma, Rovira Cardete, Andrés, Ródenas García, Juan José, Nadal Soriano, Enrique, Martínez Casas, José, Pruna, Alina Iuliana, Sonseca Olalla, Agueda, Lozano Mínguez, Estívaliz, Sahuquillo Navarro, Oscar, Benavente Martínez, Rut, and Andrés Ruiz, Víctor Tomás
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Innovación educativa ,Evaluación ,Competencia transversal ,Methodology ,Metodología ,ANSYS ,Transversal competence ,Educación superior ,Specific instrumental ,Enseñanza superior ,Tecnologías y educación ,Instrumental específica ,Evaluation - Abstract
[EN] This paper presents the results of the experience carried out in the lab-sessions of several subjects of Mechanical Engineering. The aim of this work is to find a common methodology focused on the acquisition and evaluation of the Specific Instrumental Transversal Competence (CT13 in the UPV institutional project). The work has been applied in two types of lab-sessions: computer lab and laboratory. The instrumentation used in each of them has a different nature, while the former is focused on the use and comprehension of a numerical calculation software, in the latter the students must understand the management and purpose of some experimental measurement equipments. In the computer sessions, after an accompanied learning, the students must carry out and justify the steps followed in solving a numerical problem. The evaluation takes into account the level of adequacy of the steps followed throughout the process. In the laboratory practices, the students must demonstrate the ability to correctly select the proper equipment based on the parameter to be measured as well as to define the sequence of treatments in the measurement process. The measurement of the level of acquisition of the CT13 is done through an individual questionnaire., [ES] En este trabajo se presentan los resultados de la experiencia llevada a cabo en las prácticas de diversas asignaturas de Ingeniería Mecánica. El objetivo final es encontrar una metodología unificada enfocada a la adquisición y evaluación de la Competencia Transversal Instrumental Específica (CT13 en el proyecto institucional de la UPV).Se ha trabajado con dos tipos de prácticas: informáticas y de laboratorio. La instrumentación empleada en cada una de ellas tiene distinta naturaleza, mientras las primeras están enfocadas al manejo de un programa de cálculo numérico, en las segundas los estudiantes deben comprender el manejo y la finalidad de diversos equipos de medida experimental.En las prácticas informáticas los alumnos, tras un aprendizaje acompañado, deben ser capaces de realizar y justificar los pasos seguidos en la resolución de un problema numérico. En la evaluación se tiene en cuenta el nivel de adecuación de los pasos seguidos a lo largo del proceso. En las prácticas de laboratorio los alumnos deben demostrar la capacidad de seleccionar correctamente el equipo adecuado en función del parámetro a medir, así como definir la secuencia de tratamientos en el proceso experimental. La medida del nivel de adquisición de la CT13 se realiza con un cuestionario individual., Los autores agradecen la financiación recibida del Vicerrectorado de Estudios, Calidad y Acreditación, el Vicerrectorado de Recursos Digitales y Documentación (proyecto PIME B/19-20/165) y el Instituto de Ciencias de la Educación de la Universitat Politècnica de València (EICE INTEGRAL).
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3. Análisis biomecánico de la carrera en corredores no profesionales
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Martinez Sanchis, Sandra, Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales - Escola Tècnica Superior d'Enginyers Industrials, Mira Colomer, Teresa, Martinez Sanchis, Sandra, Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales - Escola Tècnica Superior d'Enginyers Industrials, and Mira Colomer, Teresa
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[ES] En la actualidad, las actividades deportivas tienen una relevancia muy importante debido al alto porcentaje de personas que practican algún deporte. Uno de los deportes más populares es la carrera o running, cuyo porcentaje de población va en aumento, sobre todo, tras la situación de pandemia, ya que es un deporte que se practica individualmente evitando de esta forma el contacto con otras personas. Pero si este deporte no es practicado de forma correcta, pueden ocasionar lesiones. Estas lesiones suelen aparecer sobre todo en personas no profesionales conocidos como corredores populares, que tras acostumbrarse a malas rutinas en la práctica deportiva, comienzan a tener dolores o molestias, en su mayoría, musculares. El presente trabajo tiene como objetivo estudiar el movimiento de la cadera en corredores populares durante la carrera. De esta forma, definir los rangos habituales en los que trabaja esta articulación clasificando a los voluntarios según su grupo de edad y sexo. En concreto, se estudiará la caída de la cadera, el movimiento de abducción-aducción de la cadera y el movimiento varo-valgo de la rodilla. Los resultados obtenidos serán comparados con los dados en la literatura, y relacionados con posibles lesiones. Palabras clave: Biomecánica, cadera, rodilla, running, movimiento varo valgo, movimiento adducción abducción, [EN] Currently, sport activities have a very important relevance due to the high percentage of people who practice some sport. One of the most popular sports is running, whose population percentage is increasing, above all, after the pandemic situation, because it is a sport that is practised individually, avoiding contact with other people. But if this sport is not practised the correct way, it can cause injury. These injuries usually appear mostly in non-professional people known as popular runners, who, after getting used to bad routines in sports, they begin to have pain or discomfort, in mostly muscular. The present work aims to study hip movement in popular runners during the race. In this way, define the usual ranges in which this articulation works were classified the volunteers according to their age group and gender. Specifically, the fall of the hip, the hip abduction-adduction movement and the varus-valgus movement of the knee. The results obtained will be compared with those given in literature, and related to possible injuries. Keywords: Biomechanics, hip, knee, running, varus-valgus movement, abduction-adduction movement.
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- 2021
4. Evaluation activities performance of the specific instrumental transversal competence in subjects of the mechanical engineering area
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Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València, Pedrosa, Ana M., Lozano-Mínguez, E., Besa Gonzálvez, Antonio José, Vila Tortosa, María Paloma, Martinez-Sanchis, Sandra, Sánchez Orgaz, Eva María, Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València, Pedrosa, Ana M., Lozano-Mínguez, E., Besa Gonzálvez, Antonio José, Vila Tortosa, María Paloma, Martinez-Sanchis, Sandra, and Sánchez Orgaz, Eva María
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[Otros] Nowadays, the European higher education space is concerned, not only about the transmission of theoretical knowledge, but also about the acquisition of soft-skills, which are increasingly demanded in the professional profiles of graduates. Therefore, the Universitat Politècnica de València (UPV) has elaborated its own program aiming to develop these generic capabilities, which are embedded in 13 Transversal Competences (CT in Spanish). All of them are worked on and evaluated in all UPV degrees, whether undergraduate or graduate. Specifically, the "Specific Instrumental" transversal competence has been working for two years by a team of lecturers from the Department of Mechanical and Materials Engineering (DIMM in Spanish). Their objective is to develop an effective methodology to work on the acquisition and evaluation of this competence. The tool chosen to work with is ANSYS®, which is widely used in the field of mechanical engineering. This commercial software provides numerical solutions to complex problems using the Finite Element Method (FEM). The proposed methodology has been implemented during this year in three different subjects with a total of 335 students and is based on previous experience carried out in small groups last year. The objective is also to consolidate a procedure suitable for large groups without increasing lecturer's dedication time. After analysing the characteristics that were not entirely satisfactory, the new proposal seeks to improve them while maintaining the correct actions of the previous experience. Thus, laboratory training sessions and a different timed exercise for each student are kept. The most important changes affect the distribution of the worktime of the student and the assessable exercises. The number of evaluable exercises has been reduced to one, as well as the content and the test score. The proposed exercise consists of modelling a mechanical component and carrying out several tasks related to the mechanical st
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- 2021
5. Experiencias y conclusiones en el desarrollo y validación de instrumentos de evaluación enfocados a la adquisición de la competencia transversal ‘CT13 Instrumental Específica’ en asignaturas de Ingeniería Mecánica
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Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València. Instituto de Tecnología de Materiales - Institut de Tecnologia de Materials, Universitat Politècnica de València, Pedrosa Sanchez, Ana Maria, Besa Gonzálvez, Antonio José, Rupérez Moreno, María José, Sánchez Orgaz, Eva María, Giner Navarro, Juan, Martinez Sanchis, Sandra, Vila Tortosa, María Paloma, Rovira Cardete, Andrés, Ródenas García, Juan José, Nadal Soriano, Enrique, Martínez Casas, José, Pruna, Alina Iuliana, Sonseca Olalla, Agueda, Lozano Mínguez, Estívaliz, Sahuquillo Navarro, Oscar, Benavente Martínez, Rut, Andrés Ruiz, Víctor Tomás, Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València. Instituto de Tecnología de Materiales - Institut de Tecnologia de Materials, Universitat Politècnica de València, Pedrosa Sanchez, Ana Maria, Besa Gonzálvez, Antonio José, Rupérez Moreno, María José, Sánchez Orgaz, Eva María, Giner Navarro, Juan, Martinez Sanchis, Sandra, Vila Tortosa, María Paloma, Rovira Cardete, Andrés, Ródenas García, Juan José, Nadal Soriano, Enrique, Martínez Casas, José, Pruna, Alina Iuliana, Sonseca Olalla, Agueda, Lozano Mínguez, Estívaliz, Sahuquillo Navarro, Oscar, Benavente Martínez, Rut, and Andrés Ruiz, Víctor Tomás
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[EN] This paper presents the results of the experience carried out in the lab-sessions of several subjects of Mechanical Engineering. The aim of this work is to find a common methodology focused on the acquisition and evaluation of the Specific Instrumental Transversal Competence (CT13 in the UPV institutional project). The work has been applied in two types of lab-sessions: computer lab and laboratory. The instrumentation used in each of them has a different nature, while the former is focused on the use and comprehension of a numerical calculation software, in the latter the students must understand the management and purpose of some experimental measurement equipments. In the computer sessions, after an accompanied learning, the students must carry out and justify the steps followed in solving a numerical problem. The evaluation takes into account the level of adequacy of the steps followed throughout the process. In the laboratory practices, the students must demonstrate the ability to correctly select the proper equipment based on the parameter to be measured as well as to define the sequence of treatments in the measurement process. The measurement of the level of acquisition of the CT13 is done through an individual questionnaire., [ES] En este trabajo se presentan los resultados de la experiencia llevada a cabo en las prácticas de diversas asignaturas de Ingeniería Mecánica. El objetivo final es encontrar una metodología unificada enfocada a la adquisición y evaluación de la Competencia Transversal Instrumental Específica (CT13 en el proyecto institucional de la UPV).Se ha trabajado con dos tipos de prácticas: informáticas y de laboratorio. La instrumentación empleada en cada una de ellas tiene distinta naturaleza, mientras las primeras están enfocadas al manejo de un programa de cálculo numérico, en las segundas los estudiantes deben comprender el manejo y la finalidad de diversos equipos de medida experimental.En las prácticas informáticas los alumnos, tras un aprendizaje acompañado, deben ser capaces de realizar y justificar los pasos seguidos en la resolución de un problema numérico. En la evaluación se tiene en cuenta el nivel de adecuación de los pasos seguidos a lo largo del proceso. En las prácticas de laboratorio los alumnos deben demostrar la capacidad de seleccionar correctamente el equipo adecuado en función del parámetro a medir, así como definir la secuencia de tratamientos en el proceso experimental. La medida del nivel de adquisición de la CT13 se realiza con un cuestionario individual.
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- 2021
6. Desarrollo de modelos biomecánicos del hígado mediante Método de Elementos Finitos
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Martinez Sanchis, Sandra, Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales - Escola Tècnica Superior d'Enginyers Industrials, Tornero Costa, Roberto, Martinez Sanchis, Sandra, Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales - Escola Tècnica Superior d'Enginyers Industrials, and Tornero Costa, Roberto
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[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.
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- 2020
7. Real-time biomechanical modeling of the liver using Machine Learning models trained on Finite Element Method simulations
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Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Pellicer-Valero, Oscar J., Rupérez Moreno, María José, Martinez-Sanchis, Sandra, Martín-Guerrero, José D., Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Pellicer-Valero, Oscar J., Rupérez Moreno, María José, Martinez-Sanchis, Sandra, and Martín-Guerrero, José D.
- Abstract
[EN] The development of accurate real-time models of the biomechanical behavior of different organs and tissues still poses a challenge in the field of biomechanical engineering. In the case of the liver, specifically, such a model would constitute a great leap forward in the implementation of complex applications such as surgical simulators, computed-assisted surgery or guided tumor irradiation. In this work, a relatively novel approach for developing such a model is presented. It consists in the use of a machine learning algorithm, which provides real-time inference, trained on tens of thousands of simulations of the biomechanical behavior of the liver carried out by the finite element method on more than 100 different liver geometries. Considering a target accuracy threshold of 3 mm for the Euclidean Error, four different scenarios were modeled and assessed: a single liver with an arbitrary force applied (99.96% of samples within the accepted error range), a single liver with two simultaneous forces applied (99.84% samples in range), a single liver with different material properties and an arbitrary force applied (98.46% samples in range), and a much more general model capable of modeling the behavior of any liver with an arbitrary force applied (99.01% samples in range for the median liver). The results show that the Machine Learning models perform extremely well on all the scenarios, managing to keep the Mean Euclidean Error under 1 mm in all cases. Furthermore, the proposed model achieves working frequencies above 100Hz on modest hardware (with frequencies above 1000Hz being easily achievable on more powerful GPUs) thus fulfilling the real-time requirements. These results constitute a remarkable improvement in this field and may involve a prompt implementation in clinical practice.
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- 2020
8. Implementation of activities for the evaluation of the specific instrumental transversal competence in subjects in the area of mechanical engineering
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Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València, Pedrosa, Ana M., Sánchez Orgaz, Eva María, Lozano-Mínguez, E., Martinez-Sanchis, Sandra, Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València, Pedrosa, Ana M., Sánchez Orgaz, Eva María, Lozano-Mínguez, E., and Martinez-Sanchis, Sandra
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[EN] Most of the higher education frameworks work and evaluate transversal competences, to achieve the excellence of graduates, not only academically but also integrating social aspects, ethics, communication, teamwork, etc. To this end, the present work studies a common methodology both in the activities, to improve the acquisition of the ¿Specific Instrumental¿ transversal competence, as well as in its evaluation. In the practical sessions, the student uses a detailed tutorial with the procedure to obtain the numerical result. The evaluation of the ¿Specific Instrumental¿ transversal competence is deficient following this structure, since it does not show whether the student acquires autonomy to solve similar problems. Therefore, an unguided alternative activity was proposed at the end of each session, which allows to see the evolution of the student in the face of a different problem without guidelines. Experience shows that it is rash to expect the student to handle the program autonomously in the first session. For this reason, the delivery deadline for tasks will be extended by a few weeks. Obviously, guarantee of authenticity is lost, but responsibility for learning is transferred to the student. Allowing the student to spend the time necessary for deep learning, without the pressure of ending the session.
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- 2020
9. Desarrollo de modelos biomecánicos de prótesis mamaria mediante Métodos de Elementos Finitos
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Martinez Sanchis, Sandra, Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales - Escola Tècnica Superior d'Enginyers Industrials, Santos Antolín, Andrea, Martinez Sanchis, Sandra, Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales - Escola Tècnica Superior d'Enginyers Industrials, and Santos Antolín, Andrea
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[ES] La reconstrucción mamaria con implantes tras una mastectomía por cáncer de mama es un tema relevante en la investigación biomédica actual. Así, el siguiente Trabajo Fin de Grado presenta el desarrollo de modelos biomecánicos de prótesis mamarias mediante Métodos de Elementos Finitos. Se centra en el análisis de los materiales empleados en la fabricación de las prótesis de mama, realizando un estudio comparativo entre la deformación por compresión de los modelos protésicos de la empresa Polytech y un modelo homogéneo de mama real. La idea principal es simular una mama real a partir de imágenes de resonancia magnética de una paciente anónima, a partir de las cuales se procede a la segmentación y obtención del modelo biomecánico, y aplicar una deformación que comprime la mama mediante el uso de Método de Elementos Finitos, en ANSYS, una plataforma de software de simulación. Así, este mismo desplazamiento es aplicado en las simulaciones de los modelos de prótesis mamarias. Los resultados de este estudio muestran la similitud en la deformación total de los modelos protésicos del proyecto, lo que denota la imprecisión en la elección del implante más similar a la mama real siguiendo este criterio., [EN] Breast reconstruction with implants after a mastectomy for breast cancer is a relevant topic in current biomedical research. Thus, the following Final Degree Project presents the development of biomechanical models of breast prostheses using Finite Element Methods. It focuses on the analysis of the materials used in the manufacture of breast prostheses, carrying out a comparative study between the compression deformation of prosthetic models from the Polytech company and a homogeneous model of real breast. The main idea is to simulate a real breast from magnetic resonance images of an anonymous patient, from which we proceed to segmentation and obtain the biomechanical model, and apply a deformation that compresses the breast using the Finite Elements, in ANSYS, a simulation software platform. Thus, this same displacement is applied in the simulations of the models of breast prostheses. The results of this study show the similarity in the total deformation of the prosthetic models of the project, which denotes the imprecision in the choice of the implant most similar to the real breast following this criterion.
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- 2020
10. Desarrollo de modelos biomecánicos de la rodilla mediante Método de Elementos Finitos
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Martinez Sanchis, Sandra, Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales - Escola Tècnica Superior d'Enginyers Industrials, Samper Aldeguer, Natalia, Martinez Sanchis, Sandra, Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales - Escola Tècnica Superior d'Enginyers Industrials, and Samper Aldeguer, Natalia
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[ES] La rodilla es una de las articulaciones del cuerpo humano más propensa a sufrir una lesión debido a la compleja anatomía que presenta y a la alta carga que soporta. A pesar de las investigaciones desarrolladas hasta el momento, no se conoce por completo el comportamiento mecánico del tejido blando y el origen de sus lesiones. El modelado de las estructuras de la rodilla mediante el Método de Elementos Finitos (MEF) resulta una herramienta capaz de proporcionar información acerca de las propiedades mecánicas de los tejidos biológicos. En este proyecto se han empleado imágenes de resonancia magnética (RM) de rodilla humana para el desarrollo de modelos biomecánicos de cartílago y meniscos a partir de la segmentación manual de dichos tejidos. La fiabilidad de estos modelos depende de la descripción matemática asignada al comportamiento de los tejidos y de las condiciones de contorno impuestas sobre los mismos. En este caso emplearemos los modelos isotrópicos hiperelásticos de Arruda-Boyce y Neo- Hookean con el fin de comparar la distribución de cargas y desplazamiento entre sujetos sanos, sujetos que presentan degeneración del tejido blando y sujetos con fractura de menisco o degeneración severa del cartílago. Se simula la carga que es ejercida por el peso del cuerpo sobre el cartílago y los efectos de distribución de la carga de los meniscos en los sujetos empleando el Análisis por Elementos Finitos (AEF)., [EN] Knee is one of the joints in the human body most likely to suffer an injury due to its complex anatomy and the high load that it support. In spite of the investigations developed until now, the mechanical behavior of the soft tissue and the origin of its injuries are not completely known. The modeling of knee structures by means of the Finite Element Method (FEM) results in a tool capable of providing information about the mechanical properties of biological tissues. In this project, magnetic resonance imaging (MRI) of the human knee has been used to develop biomechanical models of cartilage and menisci based on the manual segmentation of these tissues. The accuracy of these models depends on the mathematical description assigned to the behavior of the tissues and the constraints imposed on them. In this case we will use the hyperelastic isotropic models of Arruda-Boyce and NeoHookean in order to compare the distribution of loads and displacement among healthy subjects, subjects with soft tissue degeneration and subjects with meniscus fracture or severe cartilage degeneration. The load that is exercised by the weight of the body on the cartilage and the effects of stress distribution of the tension of the menisci on the subjects are simulated using Finite Element Analysis (FEA), [CAT/VA] El genoll és una de les articulacions del cos humà més propensa a patir una lesió a causa de la complexa anatomia que presenta i a l'alta càrrega que suporta. Malgrat les investigacions desenvolupades fins al moment, no es coneix per complet el comportament mecànic del teixit tou i l'origen de les seues lesions. El modelatge de les estructures del genoll mitjançant el Mètode d'Elements Finits (MEF) resulta una eina capaç de proporcionar informació sobre les propietats mecàniques dels teixits biològics. En aquest projecte s'han emprat imatges de ressonància magnètica (RM) de genoll humà per al desenvolupament de models biomecànicos de cartílag i meniscos a partir de la segmentació manual d'aquests teixits. La fiabilitat d'aquests models depén de la descripció matemàtica assignada al comportament dels teixits i de les condicions de contorn imposades sobre aquests. En aquest cas emprarem els models isotròpics hiperelàsticos de Arruda-Boyce i Neo- Hookean amb la finalitat de comparar la distribució de càrregues i desplaçament entre subjectes sans, subjectes que presenten degeneració del teixit bla i subjectes amb fractura de menisc o degeneració severa del cartílag. Se simula la càrrega que és exercida pel pes del cos sobre el cartílag i els efectes de distribució de la càrrega dels meniscos en els subjectes emprant l'Anàlisi per Elements Finits (AEF).
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- 2020
11. Estudio teórico experimental comparativo de los distintos modelos mecánicos de tejidos biológicos blandos empleados por software de elementos finitos
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Martinez Sanchis, Sandra, Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales - Escola Tècnica Superior d'Enginyers Industrials, Iborra Conca, Alicia, Martinez Sanchis, Sandra, Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales - Escola Tècnica Superior d'Enginyers Industrials, and Iborra Conca, Alicia
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[ES] El presente Trabajo de Fin de Grado se va a centrar en el estudio comparativo de los diferentes modelos teóricos de diversos materiales en tejido blando con la utilización de un software libre de elementos finitos, conocido como FEBio. Para ello se implementaron nuevos materiales en el software utilizado con el fin de encontrar una similitud más aproximada a los comportamientos reales del tejido in vivo. Los materiales hiperelásticos implementados fueron NeoHooken, Mooney Rivlin y Demiray. Tras la mejora de estos materiales mediante la codificación y creación de los plugins en Visual Studio, se realizaron diversas simulaciones con ellos. Primeramente, en un modelo simple como es el caso de un cubo, y posteriormente en un modelo biológico real in vivo como es el hígado obtenido a partir de imágenes del tórax mediante TAC empleando un software comercial, Simpleware, especializado en segmentación y mallado. Para la conversión de los archivos de mallado con el software FEBio utilizado para las posteriores simulaciones, se requirió la ayuda de Matlab. Para finalizar este estudio, se realizó una comparación de los resultados obtenidos para cada uno de los materiales estudiados en los modelos diseñados, con el fin de obtener cual sería el material implementado más adecuado para cada sólido simulado., [EN] The present Final Degree Project will focus on the comparative study of the different theoretical models of different materials of soft tissue using afree software of finite elements, known as FEBio. For this reason, new materials were implemented in the software used in order to find an approximation similar to the behavior of the tissue in vivo. The hyperelastic materials implemented were NeoHooken, Mooney Rivlin and Demiray. After the improvement of these materials through the coding and creation of the plugins in Visual Studio, several simulations were performed with them. Firstly, in a simple model such as a cube, and later in a real biological model in vivo such as the liver obtained from abdominal CT images using a commercial software, Simpleware, specialized in segmentation and meshing. For the conversion of the mesh files to FEBio file was used Matlab. To conclude this study, a comparison of the different materials was made for each designed models, in order to achieve what material is the most suitable for each simulated model.
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- 2019
12. Caracterización in vivo del comportamiento biomecánico de la mama bajo compresión
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Rupérez Moreno, María José, Martinez Sanchis, Sandra, Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales - Escola Tècnica Superior d'Enginyers Industrials, Budia López, Ana, Rupérez Moreno, María José, Martinez Sanchis, Sandra, Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales - Escola Tècnica Superior d'Enginyers Industrials, and Budia López, Ana
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[ES] El objetivo principal del presente trabajo es obtener las propiedades elásticas de la mama in vivo. La finalidad es la simulación de su comportamiento biomecánico bajo compresión mamográfica. La simulación de la compresión mamográfica es útil para el desarrollo de aplicaciones clínicas de detección, tratamiento y planificación quirúrgica del cáncer de mama. La obtención de estas propiedades se llevará a cabo mediante la simulación por el método de los elementos finitos de la compresión sufrida por la mama en un dispositivo de biopsia por resonancia magnética, usando un proceso iterativo basado en computación evolutiva., [EN] The main objective of this work is to obtain the elastic properties of the breast in vivo. The purpose is the simulation of its biomechanical behavior under mammographic compression. The simulation of mammographic compression is useful for the development of clinical applications of detection, treatment and surgical planning of breast cancer. The obtaining of these properties will be carried out by means of the simulation by the method of the finite elements of the compression suffered by the breast in a biopsy device by magnetic resonance, using an iterative process based on evolutionary computation.
- Published
- 2019
13. Estudio de modelos musculo-esquelético a diferentes velocidades de la marcha humana
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Martinez Sanchis, Sandra, Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales - Escola Tècnica Superior d'Enginyers Industrials, Latorre Salort, Olga, Martinez Sanchis, Sandra, Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales - Escola Tècnica Superior d'Enginyers Industrials, and Latorre Salort, Olga
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[ES] Los modelos del sistema musculo-esquelético permiten estudiar la coordinación neuromuscular, analizar el rendimiento atlético y estimar las cargas músculo-esqueléticas. OpenSim es un software de código abierto que permite a los usuarios desarrollar, analizar y visualizar modelos del sistema musculo-esquelético y generar simulaciones dinámicas del movimiento. En OpenSim, un modelo músculo-esquelético consiste en segmentos rígidos del cuerpo conectados por articulaciones. Los músculos abarcan estas articulaciones y generan fuerzas y movimiento. Una vez que se crea un modelo músculo-esquelético, OpenSim permite estudiar los efectos de la geometría musculo-esquelética, la cinemática de las articulaciones y las propiedades del músculo-tendón en las fuerzas y momentos articulares que los músculos pueden producir. En el presente trabajo se analizarán diferentes modelos músculo-esquelético correspondientes a diferentes individuos, y diferenciando su marcha humana a distintas velocidades. De esta forma, se pretende realizar un estudio del comportamiento muscular, y relacionarlo con lesiones musculo-esqueléticas a largo plazo.
- Published
- 2019
14. Estimating the Relative Stiffness between a Hepatic Lesion and the Liver Parenchyma through Biomechanical Simulations of the Breathing Process
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Universitat Politècnica de València. Departamento de Sistemas Informáticos y Computación - Departament de Sistemes Informàtics i Computació, Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Ministerio de Economía y Empresa, European Regional Development Fund, Ministerio de Economía y Competitividad, Martinez-Sanchis, Sandra, Rupérez Moreno, María José, Nadal, Enrique, Pareja, E., Brugger, Sara, Borzacchiello, D., López, R., Monserrat, C., Universitat Politècnica de València. Departamento de Sistemas Informáticos y Computación - Departament de Sistemes Informàtics i Computació, Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Ministerio de Economía y Empresa, European Regional Development Fund, Ministerio de Economía y Competitividad, Martinez-Sanchis, Sandra, Rupérez Moreno, María José, Nadal, Enrique, Pareja, E., Brugger, Sara, Borzacchiello, D., López, R., and Monserrat, C.
- Abstract
[EN] In this paper, a method to in vivo estimate the relative stifness between a hepatic lesion and the liver parenchyma is presented. Tis method is based on the fnite element simulation of the deformation that the liver undergoes during the breathing process. Boundary conditions are obtained through a registration algorithm known as Coherent Point Drif (CPD), which compares the liver form in two phases of the breathing process. Finally, the relative stifness of the tumour with respect to the liver parenchyma is calculated by means of a Genetic Algorithm, which does a blind search of this parameter. Te relative stifness together with the clinical information of the patient can be used to establish the type of hepatic lesion. Te developed methodology was frst applied to a test case, i.e., to a control case where the parameters were known, in order to verify its validity. Afer that, the method was applied to two real cases and low errors were obtained.
- Published
- 2018
15. A finite element-based machine learning approach for modeling the mechanical behavior of the breast tissues under compression in real-time
- Author
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Universitat Politècnica de València. Departamento de Sistemas Informáticos y Computación - Departament de Sistemes Informàtics i Computació, Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, European Regional Development Fund, Ministerio de Economía y Competitividad, Martínez Martínez, Francisco, Rupérez Moreno, María José, Martínez-Sober, M., Solves Llorens, Juan Antonio, Lorente, D., Serrano-Lopez, A.J., Martinez-Sanchis, Sandra, Monserrat, C., Martin-Guerrero, J.D., Universitat Politècnica de València. Departamento de Sistemas Informáticos y Computación - Departament de Sistemes Informàtics i Computació, Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, European Regional Development Fund, Ministerio de Economía y Competitividad, Martínez Martínez, Francisco, Rupérez Moreno, María José, Martínez-Sober, M., Solves Llorens, Juan Antonio, Lorente, D., Serrano-Lopez, A.J., Martinez-Sanchis, Sandra, Monserrat, C., and Martin-Guerrero, J.D.
- Abstract
[EN] This work presents a data-driven method to simulate, in real-time, the biomechanical behavior of the breast tissues in some image-guided interventions such as biopsies or radiotherapy dose delivery as well as to speed up multimodal registration algorithms. Ten real breasts were used for this work. Their deformation due to the displacement of two compression plates was simulated off-line using the finite element (FE) method. Three machine learning models were trained with the data from those simulations. Then, they were used to predict in real-time the deformation of the breast tissues during the compression. The models were a decision tree and two tree-based ensemble methods (extremely randomized trees and random forest). Two different experimental setups were designed to validate and study the performance of these models under different conditions. The mean 3D Euclidean distance between nodes predicted by the models and those extracted from the FE simulations was calculated to assess the performance of the models in the validation set. The experiments proved that extremely randomized trees performed better than the other two models. The mean error committed by the three models in the prediction of the nodal displacements was under 2 man, a threshold usually set for clinical applications. The time needed for breast compression prediction is sufficiently short to allow its use in real-time (< 0.2 s).
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- 2017
16. Evaluación basada en el método del gradiente de las propiedades elásticas de tejidos humanos in vivo
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Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València. Departamento de Sistemas Informáticos y Computación - Departament de Sistemes Informàtics i Computació, Nadal, Enrique, Rupérez Moreno, María José, Martinez-Sanchis, Sandra, Monserrat Aranda, Carlos, Tur Valiente, Manuel, Fuenmayor Fernández, Francisco Javier, Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València. Departamento de Sistemas Informáticos y Computación - Departament de Sistemes Informàtics i Computació, Nadal, Enrique, Rupérez Moreno, María José, Martinez-Sanchis, Sandra, Monserrat Aranda, Carlos, Tur Valiente, Manuel, and Fuenmayor Fernández, Francisco Javier
- Abstract
[EN] Nowadays the computational simulation of the mechanical behaviour of human tissues in the medical context is a field which has aroused a great interest in the scientific community. The study of the behaviour of those tissues carries a great difficulty, in part, due to the fact that the behaviour of those tissues is different from one patient to another and, in general, it is no possible to make empirical experiments with the tissue to determine its elastic properties. In order to circumvent this issue, in this work we propose a method to evaluate these properties assuming a Mooney-Rivlin constitutive model. The proposed method is based on the information provided by medical images and two different deformation states of the organ and, by using a gradient-based optimization process we accurately obtain the elastic properties of the constitutive model. The numerical experiments show the validity of the method for the example used., [ES] En la actualidad la simulación numérica del comportamiento mecánico de tejidos humanos en el campo de la medicina es un ámbito de estudio que ha despertado gran interés en la comunidad científica. El estudio del comportamiento de dichos tejidos conlleva una gran dificultad, en parte, atribuida al hecho de que su comportamiento cambia de paciente a paciente y en numerosas ocasiones no es posible realizar experimentos directos sobre el tejido para determinar sus propiedades elásticas. Para tal fin, en el presente trabajo se propone un método para hallar dichas propiedades asumiendo un modelo constitutivo de Mooney-Rivlin. Dicho método se basa en la información proporcionada por imágenes médicas en dos situaciones de deformación del órgano y, mediante un proceso de optimización basado en el gradiente se obtienen, con precisión, las propiedades elásticas del modelo constitutivo. Los experimentos numéricos realizados demuestran la validez del método para el ejemplo utilizado, tras comprobar que las propiedades del modelo constituvo de referencia son obtenidas por el método propuesto.
- Published
- 2017
17. Machine Learning for Modeling the Biomechanical Behavior of Human Soft Tissue
- Author
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Martin-Guerrero, Jose D., primary, Ruperez-Moreno, Maria J., additional, Martinez-Martinez, Francisco, additional, Lorente-Garrido, Delia, additional, Serrano-Lopez, Antonio J., additional, Monserrat, Carlos, additional, Martinez-Sanchis, Sandra, additional, and Martinez-Sober, Marcelino, additional
- Published
- 2016
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18. Methodology based on genetic heuristics for in-vivo characterizing the patient-specific biomechanical behavior of the breast tissues
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Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València. Instituto Interuniversitario de Investigación en Bioingeniería y Tecnología Orientada al Ser Humano - Institut Interuniversitari d'Investigació en Bioenginyeria i Tecnologia Orientada a l'Ésser Humà, Universitat Politècnica de València. Departamento de Sistemas Informáticos y Computación - Departament de Sistemes Informàtics i Computació, Ministerio de Educación, National Science Foundation, EEUU, National Institutes of Health, EEUU, Lago, M. A., Rupérez Moreno, María José, Martínez Martínez, Francisco, Martinez-Sanchis, Sandra, Bakic, P.R., Monserrat, C., Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València. Instituto Interuniversitario de Investigación en Bioingeniería y Tecnología Orientada al Ser Humano - Institut Interuniversitari d'Investigació en Bioenginyeria i Tecnologia Orientada a l'Ésser Humà, Universitat Politècnica de València. Departamento de Sistemas Informáticos y Computación - Departament de Sistemes Informàtics i Computació, Ministerio de Educación, National Science Foundation, EEUU, National Institutes of Health, EEUU, Lago, M. A., Rupérez Moreno, María José, Martínez Martínez, Francisco, Martinez-Sanchis, Sandra, Bakic, P.R., and Monserrat, C.
- Abstract
[EN] This paper presents a novel methodology to in-vivo estimate the elastic constants of a constitutive model proposed to characterize the mechanical behavior of the breast tissues. An iterative search algorithm based on genetic heuristics was constructed to in-vivo estimate these parameters using only medical images, thus avoiding invasive measurements of the mechanical response of the breast tissues. For the first time, a combination of overlap and distance coefficients were used for the evaluation of the similar- ity between a deformed MRI of the breast and a simulation of that deformation. The methodology was validated using breast software phantoms for virtual clinical trials, compressed to mimic MRI-guided biopsies. The biomechanical model chosen to characterize the breast tissues was an anisotropic neo-Hookean hyperelastic model. Results from this analysis showed that the algorithm is able to find the elastic constants of the constitutive equations of the proposed model with a mean relative error of about 10%. Furthermore, the overlap between the reference deformation and the simulated deformation was of around 95% showing the good performance of the proposed methodology. This methodology can be easily extended to characterize the real biomechanical behavior of the breast tissues, which means a great novelty in the field of the simulation of the breast behavior for applications such as surgical planing, surgical guidance or cancer diagnosis. This reveals the impact and relevance of the presented work.
- Published
- 2015
19. Patient-specific simulation of the intrastromal ring segment implantation in corneas with keratoconus
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Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València. Departamento de Sistemas Informáticos y Computación - Departament de Sistemes Informàtics i Computació, Ministerio de Economía y Competitividad, Lago, M. A., Rupérez Moreno, María José, Monserrat Aranda, Carlos, Martínez Martínez, Francisco, Martinez-Sanchis, Sandra, Larra, Eva, Díez-Ajenjo, M. A., Peris-Martínez, C., Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales - Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials, Universitat Politècnica de València. Departamento de Sistemas Informáticos y Computación - Departament de Sistemes Informàtics i Computació, Ministerio de Economía y Competitividad, Lago, M. A., Rupérez Moreno, María José, Monserrat Aranda, Carlos, Martínez Martínez, Francisco, Martinez-Sanchis, Sandra, Larra, Eva, Díez-Ajenjo, M. A., and Peris-Martínez, C.
- Abstract
Purpose The purpose of this study was the simulation of the implantation of intrastromal corneal-ring segments for patients with keratoconus. The aim of the study was the prediction of the corneal curvature recovery after this intervention. Methods Seven patients with keratoconus diagnosed and treated by implantation of intrastromal corneal-ring segments were enrolled in the study. The 3D geometry of the cornea of each patient was obtained from its specific topography and a hyperelastic model was assumed to characterize its mechanical behavior. To simulate the intervention, the intrastromal corneal-ring segments were modeled and placed at the same location at which they were placed in the surgery. The finite element method was then used to obtain a simulation of the deformation of the cornea after the ring segment insertion. Finally, the predicted curvature was compared with the real curvature after the intervention. Results The simulation of the ring segment insertion was validated comparing the curvature change with the data after the surgery. Results showed a flattening of the cornea which was in consonance with the real improvement of the corneal curvature. The mean difference obtained was of 0.74 mm using properties of healthy corneas. Conclusions For the first time, a patient-specific model of the cornea has been used to predict the outcomes of the surgery after the intrastromal corneal-ring segments implantation in real patients.
- Published
- 2015
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