Tesis doctorales

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A Multiscale in Silico Study to Characterize the Atrial Electrical Activity of Patients With Atrial Fibrillation. A Translational Study to Guide Ablation Therapy
(Universitat Politècnica de València, 2021-07-26) Sánchez Arciniegas, Jorge Patricio; Dössel, Olaf; Trénor Gomis, Beatriz Ana; Saiz Rodríguez, Francisco Javier; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial; Centro de Investigación e Innovación en Bioingeniería
[ES] La fibrilación auricular es la arritmia cardíaca más común. Durante la fibrilación auricular, el sustrato auricular sufre una serie de cambios o remodelados a nivel eléctrico y estructural. La remodelación eléctrica se caracteriza por la alteración de una serie de canales iónicos, lo que cambia la morfología del potential de transmembrana conocido como potencial de acción. La remodelación estructural es un proceso complejo que involucra la interacción de varios procesos de señalización, interacción celular y cambios en la matriz extracelular. Durante la remodelación estructural, los fibroblastos que abundan en el tejido cardíaco, comienzan a diferenciarse en miofibroblastos que son los encargados de mantener la estructura de la matriz extracelular depositando colágeno. Además, la señalización paracrina de los miofibroblastos afecta a los canales iónicos de los miocitos circundantes. Se utilizaron modelos computacionales muy detallados a diferentes escalas para estudiar la remodelación estructural inducida a nivel celular y tisular. Se realizó una adaptación de un modelo de fibroblastos humanos a nivel celular para reproducir la electrofisiología de los miofibroblastos durante la fibrilación auricular. Además, se evaluó la exploración de la interacción del calcio en la electrofisiología de los miofibroblastos ajustando el canal de calcio a los datos experimentales. A nivel tisular, se estudió la infiltración de miofibroblastos para cuantificar el aumento de vulnerabilidad a una arritmia cardíaca. Los miofibroblastos cambian la dinámica de la reentrada. Una baja densidad de miofibroblastos permite la propagación a través del área fibrótica y crea puntos de salida de actividad focal y roturas de ondas dentro de esta área. Además, las composiciones de fibrosis juegan un papel clave en la alteración del patrón de propagación. La alteración del patrón de propagación afecta a los electrogramas recogidos en la superficie del tejido. La morfología del electrograma se alteró dependiendo de la disposición y composición del tejido fibrótico. Se combinaron modelos detallados de tejido cardíaco con modelos realistas de los catéteres de mapeo disponibles comercialmente para comprender las señales registradas clínicamente. Se generó un modelo de ruido a partir de señales clínicas para reproducir los artefactos de señal en el modelo. Se utilizaron electrogramas de modelos de dos dominios altamente detallados para entrenar un algoritmo de aprendizaje automático para caracterizar el sustrato fibrótico auricular. Las características que cuantifican la complejidad de las señales fueron extraídas para identificar la densidad fibrótica y la transmuralidad fibrótica. Posteriormente, se generaron mapas de fibrosis utilizando el registro del paciente como prueba de concepto. El mapa de fibrosis proporciona información sobre el sustrato fibrótico sin utilizar un valor único de corte de 0,5 milivoltios. Además, utilizando la medición del flujo de información como la entropía de transferencia combinada con gráficos dirigidos, en este estudio, se siguió la dirección de propagación del frente de onda. La transferencia de entropía con gráficos dirigidos proporciona información crucial durante la electrofisiología para comprender la dinámica de propagación de ondas durante la fibrilación auricular. En conclusión, esta tesis presenta un estudio in silico multiescala que proporciona información sobre los mediadores celulares responsables de la remodelación de la matriz extracelular y su electrofisiología. Además, proporciona una configuración realista para crear datos in silico que pueden ser usados para aplicaciones clínicas y servir de soporte al tratamiento de ablación.
Analysis, implementation and validation of a Love mode surface acoustic wave device for its application as sensor of biological processes in liquid media
(Editorial Universitat Politècnica de València, 2013-10-01T08:52:54Z) Rocha Gaso, María Isabel; Francis, Laurent A; Jiménez Jiménez, Yolanda; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación; Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño; Centro de Investigación e Innovación en Bioingeniería
En las últimas dos décadas, han surgido diferentes tecnologías acústicas para aplicaciones biosensoras como alternativas a tecnologías de detección bien establecidas ¿acústicas o ópticas¿ como son la Microbalanza de Cuarzo (QCM, por sus siglas en inglés) y la Resonancia de Plasmón de Superficie (SPR, de sus siglas en inglés). En la primera parte de este documento se revisan dichas tecnologías alternativas para aplicaciones en medio líquido. Como resultado de esta revisión, se determina que los dispositivos de onda acústica superficial Love (LW, de sus siglas en inglés) son los más prometedores y viables para conseguir el principal objetivo de esta Tesis, que es establecer una comparativa en las mismas condiciones entre inmnosensores desarrollados con la tecnología seleccionada en esta tesis y los inmunosensores desarrollados con QCMs de Alta Frecuencia Fundamental (HFF-QCM, por sus siglas en inglés). Después de esta revisión se presenta el estado del arte de los dispositivos LW en su aplicación como biosensores, así como una discusión de las tendencias y retos actuales de este tipo de sensores. Posteriormente se reúne la información más actualizada sobre aspectos de diseño, principios de operación y modelado de estos sensores. Algunos aspectos de diseño son estudiados y probados para establecer el diseño final de los dispositivos LW. Previamente a su fabricación, también se realizan simulaciones para modelar el comportamiento del dispositivo elegido previamente a su fabricación. Posteriormente, se describe la fabricación del dispositivo así como la celda de flujo diseñada para trabajar con el dispositivo en medios líquidos. Adicionalmente, un sistema electrónico de caracterización, previamente validado para sensores QCM, se adapta para sensores LW. Como resultados, se valida el sistema electrónico para caracterizar los sensores LW fabricados y montados en la celda de flujo y, finalmente, se desarrolla un inmunosensor para la detección del pesticida carbaril que se compara con otras tecnologías inmunosensoras.
Aplicación y validación de la tecnología de inmunosensores piezoeléctricos de alta frecuencia (HFF-QCM) para la detección de pesticidas y antibióticos en miel
(Universitat Politècnica de València, 2020-10-19) Cervera Chiner, Lourdes; Escriche Roberto, Mª Isabel; Jiménez Jiménez, Yolanda; Montoya Baides, Ángel; Dpto. de Tecnología de Alimentos; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación; Instituto Universitario de Ingeniería de Alimentos (FoodUPV); Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica y del Medio Natural; Centro de Investigación e Innovación en Bioingeniería; Generalitat Valenciana; European Social Fund; Ministerio de Economía y Competitividad; European Regional Development Fund
[ES] Esta tesis doctoral se enmarca en uno de los retos demandados por la sociedad relativo a la seguridad y calidad alimentaria, establecido en los actuales planes estatales y europeos de investigación científica, técnica y de innovación. En particular, la investigación realizada en esta tesis doctoral, contribuye a la validación de una técnica de análisis novedosa para la detección de pesticidas y antibióticos de interés en la miel. Esta técnica está basada en el uso combinado de la tecnología de sensores acústicos de alta resolución (High Fundamental Frequency Quartz Crystal Microbalance - HFF-QCM) funcionalizados con anticuerpos monoclonales, como elemento de reconocimiento biológico, para la detección de dos pesticidas (carbaril y DDT) y un antibiótico (sulfatiazol), en la matriz alimentaria miel. La metodología desarrollada se presenta como una técnica de análisis, alternativa y/o complementaria a las ya existentes, que resuelve algunos inconvenientes de las mismas; con la ventaja de requerir bajo consumo de muestra, ser fiable, simple, de bajo coste y de fácil manejo, por lo que no necesita de personal altamente cualificado. Además, es una técnica rápida que proporciona los resultados en pocos minutos, y está basada en instrumentación portátil, lo que facilita su implantación en la línea de trabajo. Los límites de detección alcanzados en miel por los inmunosensores HFF-QCM para carbaril, DDT y sulfatiazol fueron: 7, 24 y 0.10 µg/kg, respectivamente. Por su parte, los límites de cuantificación para los mismos analitos fueron: 17, 52 y 2 µg/kg, respectivamente. Los valores obtenidos con esta nueva tecnología son del mismo orden de magnitud que las técnicas de referencia actuales (cromatografía, SPR y ELISA), y confirman que cumple con los LMRs establecidos en el marco normativo actual. Respecto a la validación de esta nueva tecnología, el inmunosensor HFF-QCM desarrollado para la detección de sulfatiazol cumplió los requisitos de precisión y exactitud establecidos por la guía SANCO 12571/2013 para concentraciones de sulfatiazol en miel iguales o superiores a 10 ¿g/kg. Los inmunosensores HFF-QCM desarrollados para la detección de carbaril y DDT se aproximaron a los criterios de validación recomendados por la guía SANCO 12571/2013. Los resultados obtenidos con la técnica propuesta para el análisis de mieles reales han sido corroborados mediante cromatografía. En este sentido, ninguna de las muestras de miel reales analizadas mediante cromatografía y HFF-QCM reveló la presencia de pesticidas o de antibióticos en la miel, lo que confirma la fiabilidad de la técnica para la detección de estos contaminantes. Los hallazgos obtenidos en esta tesis son prometedores y establecen un punto de partida para futuros desarrollos encaminados a lograr la detección simultánea de varios analitos en un único análisis y muestra. Esto podría lograrse con un array de sensores HFF-QCM. En definitiva, la investigación realizada pone de manifiesto que los inmunosensores basados en la tecnología HFF-QCM son una alternativa seria a las técnicas actuales, para la cuantificación in situ de pesticidas y antibióticos en la industria de envasado de la miel.
Biogratings: Diffractive Transducers for Biosensing in Photonic Platforms
(Universitat Politècnica de València, 2023-06-15) Juste Dolz, Augusto Miguel; Avellá Oliver, José Miguel; Maquieira Catala, Ángel; Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño; Dpto. de Química; Instituto Interuniversitario de Investigación de Reconocimiento Molecular y Desarrollo Tecnológico; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica y del Medio Natural; Centro de Investigación e Innovación en Bioingeniería; Agencia Estatal de Investigación; Generalitat Valenciana
[ES] El desarrollo científico y tecnológico de las últimas décadas ha dado lugar a sistemas sensores capaces de obtener, procesar y transmitir información sobre multitud de aspectos físicos y químicos, y utilizarla para mejorar aspectos clave de multitud de áreas de nuestra sociedad. Los sensores químicos son dispositivos compactos y miniaturizados capaces de ofrecer soluciones alternativas a las técnicas de análisis instrumental convencionales. En especial, los biosensores han adquirido gran relevancia por los avances que han supuesto para sectores estratégicos como el diagnóstico clínico, la industria alimentaria y el medio ambiente. Los biosensores ópticos se basan en interacciones entre la luz y la materia para transducir eventos de bioreconocimiento y presentan prestaciones importantes como la estabilidad, inmunidad a estímulos externos y versatilidad en el desarrollo de aproximaciones sin marcaje (label-free). Este último aspecto suele aprovechar fenómenos nanoscópicos y su desarrollo se encuentra muy ligado al progreso de la nanociencia y nanotecnología. Un aspecto clave en el biosensado sin marcaje consiste en descubrir y desarrollar nuevas estrategias de transducción. En este sentido, aunque se encuentren aun en una etapa temprana de desarrollo, los biosensores difractivos presentan un gran potencial en términos de simplicidad, miniaturización, y capacidad para minimizar señales no deseadas fruto de interacciones no específicas, entre otros aspectos.
Biomarker Identification Based on Human Electrohysterography for the Early Detection of Risk in Different Obstetric Scenarios: Preterm Birth, Induction of Labour and Postpartum
(Universitat Politècnica de València, 2024-07-11) Díaz Martínez, María del Alba; Prats Boluda, Gema; Ye Lin, Yiyao; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial; Centro de Investigación e Innovación en Bioingeniería; Generalitat Valenciana; Agencia Estatal de Investigación
[ES] Durante la gestación, la mujer experimenta cambios fisiológicos, metabólicos y morfológicos que podrían conllevar importantes riesgos materno-fetales. En primer lugar, el parto prematuro es la principal causa de mortalidad infantil, con una prevalencia del 10% en gestaciones únicas (SG) y del 50% en gestaciones múltiples (MG). Por tanto, la caracterización de la actividad uterina, así como la comparación entre SG y MG, puede ayudar a comprender y manejar mejor esta patología. En segundo lugar, la inducción del parto (IOL) se asocia a un mayor riesgo de mortalidad y morbilidad materna cuando la fase latente del parto se prolonga excesivamente, especialmente en mujeres nulíparas. Sin embargo, la literatura es escasa y no se ha observado claramente la respuesta electrofisiológica uterina al fármaco de IOL. En este sentido, el estudio de biomarcadores basados en la electrohisterografía (EHG) podría ayudar a detectar precozmente el riesgo de fracaso de la IOL y orientar las decisiones clínicas en consecuencia. En tercer lugar, la hemorragia posparto (PPH) constituye una de las principales causas de mortalidad materna en el mundo. Su prevalencia es del 2-6%, y causa la muerte de 75.000 mujeres cada año. La principal causa es la atonía uterina, por lo que la EHG se convierte en la herramienta ideal para valorar el estado del útero e indicar el riesgo de PPH en función de la ausencia o no de actividad. Por ello, el objetivo de la presente tesis doctoral es la identificación de EHG-biomarcadores para la detección precoz de situaciones obstétricas de alto riesgo. Para ello, se generaron las bases de datos de señal EHG y de datos obstétricos para cada escenario en el Hospital Universitario y Politécnico La Fe. La mayor impulsividad y predictibilidad en MG respecto a SG durante el tercer trimestre, así como la correlación significativa entre los EHG-biomarcadores y el peso fetal, sugirió un acoplamiento electromecánico entre la sobredistensión y la actividad mioeléctrica registrada en superficie. En cuanto a la IOL, el grupo de éxito mostró un aumento significativo del número de contracciones y de la excitabilidad celular, junto con una menor complejidad, a partir de 2-3 horas tras la administración del fármaco de IOL. No se observaron cambios significativos con respecto a la actividad basal en el grupo de fracaso. La comparación basada en la paridad reportó una mayor ratio de progresión de la amplitud de la señal en el grupo de parosas. La actividad mioeléctrica en el postparto vaginal resultó ser más frecuente e intensa, además de exhibir una mayor excitabilidad celular que en los partos por cesárea. La capacidad discriminatoria de los biomarcadores de EHG para la detección precoz del riesgo en diversos contextos obstétricos ha hecho avanzar el conocimiento electrofisiológico actual del útero in vivo. La traslación del EHG a la práctica clínica requerirá la automatización del procesamiento de señales, para culminar en la creación de modelos predictivos generalizados y robustos que apoyen la toma de decisiones clínicas, mejoren la planificación y gestión del parto, prevengan complicaciones maternas y fetales y optimicen la asignación de recursos hospitalarios.
Caracterización de la onda de pulso arterial, velocidad (PWV) y morfología (DVP), como estimadores de la presión arterial
(Universitat Politècnica de València, 2010-05-07T11:13:55Z) Padilla Hernández, Juan Manuel; Berjano Zanón, Enrique; Saiz Rodríguez, Francisco Javier; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial; Biosignals And Minimally Invasive Technologies-BioMIT; Centro de Investigación e Innovación en Bioingeniería
Los vasos sanguíneos poseen características estructurales y funcionales que disminuyen o amortiguan la pulsatilidad del flujo y la presión generada por la eyección ventricular. Este amortiguamiento determina que el flujo capilar sea continuo para optimizar la perfusión tisular y que la pulsatilidad de la onda de presión sea suficientemente baja como para no dañar la fina pared capilar. Es sabido que la rigidez arterial es determinada tanto por componentes funcionales como estructurales relacionados con las características elásticas propias de las arterias. Es sabido que la presión arterial (BP) persistentemente elevada modifica la rigidez arterial incrementándola debido a modificaciones en la estructura de las fibras de colágeno y elastina. Por otro lado, el incremento de la rigidez arterial, incrementa la velocidad de onda de pulso arterial (PWV) generada por la eyección ventricular. De modo similar, el incremento de la rigidez arterial provoca un aumento en la velocidad de la onda reflejada de presión, la cual se produce en las paredes de las arterias y las bifurcaciones del árbol arterial, esta condición modifica la morfología del pulso digital de volumen (DVP). Se estudió en esta investigación el comportamiento de la velocidad de onda de pulso en diferentes sitios de interés con respecto a la presión arterial y factores de riesgo cardiovascular que intervienen. Las valoraciones se realizaron a la velocidad de onda de pulso brazo-tobillo (baPWV), velocidad de onda de pulso dedo índice-dedo mayor (ftPWV) así como a las medidas de velocidad de onda de pulso corazón-dedo índice (hfPWV) y velocidad de onda de pulso corazón-dedo mayor (htPWV). Estudios similares se realizaron con el pulso digital de volumen (DVP) en su comportamiento con la presión arterial y factores de riesgo. Los parámetros de interés que se evaluaron son el índice de rigidez (SIDVP) y el índice de reflexión (RIDVP).
Caracterización y utilidad de la electromiografía uterina en diferentes escenarios obstétricos: partos inducidos y estimación de presión intrauterina
(Universitat Politècnica de València, 2020-09-02) Benalcazar Parra, Carlos Antonio; Garcia Casado, Francisco Javier; Prats Boluda, Gema; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial; Centro de Investigación e Innovación en Bioingeniería
[ES] La monitorización de la frecuencia cardíaca fetal y de la actividad uterina es una práctica clínica habitual para obtener información del estado del feto durante el embarazo y el parto. Para la monitorización de la dinámica uterina tradicionalmente se han empleado técnicas como la tocodinamometría (TOCO) y la medida de la presión intrauterina mediante catéter. Sin embargo, ambas técnicas presentan limitaciones que hacen que se requiera la búsqueda de otras alternativas. En este sentido para solventar los problemas relacionados con estas técnicas se plantea el registro de la señal electrohisterográfica (EHG) como una alternativa para monitorizar de forma precisa y no invasiva la actividad mioeléctrica uterina. La técnica ha sido ampliamente estudiada en diferentes condiciones obstétricas como es el caso de la predicción del parto prematuro y en la detección de contracciones de parto; y unos pocos en la predicción del éxito de la inducción del parto y en la estimación de la presión intrauterina. A pesar de que el registro EHG ha demostrado que aporta información relevante sobre las propiedades bioeléctricas del útero, existen pocos estudios sobre la respuesta mioeléctrica uterina a los medicamentos empleados en la inducción del parto que puedan servir como herramienta de ayuda en la predicción del resultado de la inducción del parto. En la presente tesis se abordó este problema mediante dos objetivos generales: 1) caracterizar la respuesta electrofisiológica uterina a los fármacos de inducción del parto a partir de registros EHG y 2) desarrollar y valorar sistemas de ayuda al diagnóstico para predecir el éxito de inducción del parto. Los resultados del primer objetivo revelaron una diferente evolución de los parámetros EHG entre los grupos de éxito y fracaso, revelando que podría ser útil para una predicción de inducción exitosa en las primeras etapas de la inducción, especialmente cuando se usa misoprostol. Para el segundo objetivo se diseñaron sistemas predictores del éxito de la inducción del parto mediante técnicas de machine learning valorando su capacidad predictora. Los resultados mostraron que el EHG puede usarse potencialmente para predecir la inducción exitosa del parto y supera al uso de las características obstétricas tradicionales. El uso clínico del sistema de predicción propuesto ayudaría a mejorar el bienestar materno-fetal y optimizar los recursos hospitalarios. Por otra parte, en la presente tesis también se abordó el registro EHG como una técnica no invasiva para la estimación de la presión intrauterina. Diversos estudios han intentado estimar la señal IUP a partir de parámetros extraídos de la señal EHG. A pesar de estos esfuerzos, existen limitaciones no abordadas específicamente en dichos estudios como es el caso de la gran variabilidad entre pacientes. Por ello, se propuso mejorar la estimación de presión uterina reportada en la literatura mediante un enfoque de interés clínico y abordando la problemática de la variabilidad entre pacientes. Se diseñaron modelos para la estimación de IUP, utilizando diferentes tipos de criterios de optimización y se desarrollaron modelos individuales (mono-paciente) y globales (con el conjunto de pacientes). Finalmente, se abordó el problema de la variabilidad entre sujetos mediante el desarrollo de algoritmos adaptativos para mejorar la exactitud de las estimaciones de IUP derivadas de los modelos globales. Los modelos adaptativos desarrollados superaron los modelos globales, proporcionando un mejor balance para estimar la señal continua de IUP, el tono y la máxima presión. Los modelos de estimación de IUP basados en EHG propuestos en la presente tesis permiten una monitorización no invasiva de la actividad uterina más precisa y, por lo tanto, una mejor evaluación del progreso del parto y del bienestar materno y fetal.
Computational modelling of the human heart and multiscale simulation of its electrophysiological activity aimed at the treatment of cardiac arrhythmias related to ischaemia and Infarction
(Universitat Politècnica de València, 2019-09-02) López Pérez, Alejandro Daniel; Ferrero de Loma-Osorio, José María; Sebastián Aguilar, Rafael; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial; Centro de Investigación e Innovación en Bioingeniería; Ministerio de Economía, Industria y Competitividad
[ES] Las enfermedades cardiovasculares constituyen la principal causa de morbilidad y mortalidad a nivel mundial, causando en torno a 18 millones de muertes cada año. De entre ellas, la más común es la enfermedad isquémica cardíaca, habitualmente denominada como infarto de miocardio (IM). Tras superar un IM, un considerable número de pacientes desarrollan taquicardias ventriculares (TV) potencialmente mortales durante la fase crónica del IM, es decir, semanas, meses o incluso años después la fase aguda inicial. Este tipo concreto de TV normalmente se origina por una reentrada a través de canales de conducción (CC), filamentos de miocardio superviviente que atraviesan la cicatriz del infarto fibrosa y no conductora. Cuando los fármacos anti-arrítmicos resultan incapaces de evitar episodios recurrentes de TV, la ablación por radiofrecuencia (ARF), un procedimiento mínimamente invasivo realizado mediante cateterismo en el laboratorio de electrofisiología (EF), se usa habitualmente para interrumpir de manera permanente la propagación eléctrica a través de los CCs responsables de la TV. Sin embargo, además de ser invasivo, arriesgado y requerir mucho tiempo, en casos de TVs relacionadas con IM crónico, hasta un 50% de los pacientes continúa padeciendo episodios recurrentes de TV tras el procedimiento de ARF. Por tanto, existe la necesidad de desarrollar nuevas estrategias pre-procedimiento para mejorar la planificación de la ARF y, de ese modo, aumentar esta tasa de éxito relativamente baja. En primer lugar, realizamos una revisión exhaustiva de la literatura referente a los modelos cardiacos 3D existentes, con el fin de obtener un profundo conocimiento de sus principales características y los métodos usados en su construcción, con especial atención sobre los modelos orientados a simulación de EF cardíaca. Luego, usando datos clínicos de un paciente con historial de TV relacionada con infarto, diseñamos e implementamos una serie de estrategias y metodologías para (1) generar modelos computacionales 3D específicos de paciente de ventrículos infartados que puedan usarse para realizar simulaciones de EF cardíaca a nivel de órgano, incluyendo la cicatriz del infarto y la región circundante conocida como zona de borde (ZB); (2) construir modelos 3D de torso que permitan la obtención del ECG simulado; y (3) llevar a cabo estudios in-silico de EF personalizados y pre-procedimiento, tratando de replicar los verdaderos estudios de EF realizados en el laboratorio de EF antes de la ablación. La finalidad de estas metodologías es la de localizar los CCs en el modelo ventricular 3D para ayudar a definir los objetivos de ablación óptimos para el procedimiento de ARF. Por último, realizamos el estudio retrospectivo por simulación de un caso, en el que logramos inducir la TV reentrante relacionada con el infarto usando diferentes configuraciones de modelado para la ZB. Validamos nuestros resultados mediante la reproducción, con una precisión razonable, del ECG del paciente en TV, así como en ritmo sinusal a partir de los mapas de activación endocárdica obtenidos invasivamente mediante sistemas de mapeado electroanatómico en este último caso. Esto permitió encontrar la ubicación y analizar las características del CC responsable de la TV clínica. Cabe destacar que dicho estudio in-silico de EF podría haberse efectuado antes del procedimiento de ARF, puesto que nuestro planteamiento está completamente basado en datos clínicos no invasivos adquiridos antes de la intervención real. Estos resultados confirman la viabilidad de la realización de estudios in-silico de EF personalizados y pre-procedimiento de utilidad, así como el potencial del abordaje propuesto para llegar a ser en un futuro una herramienta de apoyo para la planificación de la ARF en casos de TVs reentrantes relacionadas con infarto. No obstante, la metodología propuesta requiere de notables mejoras y validación por medio de es
Contribución al mantenimiento de aisladores de alta tensión en servicio basado en medidas de corrientes de fuga
(Universitat Politècnica de València, 2023-11-03) Bueno Barrachina, José Manuel; Fuster Roig, Vicente Luis; Ye Lin, Yiyao; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Instituto de Tecnología Eléctrica; Dpto. de Ingeniería Eléctrica; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial; Centro de Investigación e Innovación en Bioingeniería
[ES] Los aisladores eléctricos de alta tensión desempeñan un papel fundamental de la red de distribución y transporte de energía eléctrica, pudiendo provocar fallos imprevistos de suministro eléctrico, dando lugar a importantes impactos socio-económicos. Las descargas disruptivas por contaminación o envejecimiento de los materiales amenazan continuamente la fiabilidad de la red eléctrica, constituyendo uno de los mayores retos para los diseñadores e ingenieros de mantenimiento de la red eléctrica. En la actualidad, no existen métodos eficaces para la monitorización continua de los niveles de envejecimiento de los materiales o de de contaminación en la superficie de los aisladores durante la operación normal, por lo tanto, se recurre al mantenimiento periódico de los mismos para garantizar la continuidad del suministro eléctrico. El desarrollo de una herramienta que permita monitorizar en tiempo real los depósitos de contaminación durante la operación normal proporcionaría información muy valiosa para el mantenimiento preventivo de los aisladores eléctricos de alta tensión y/o el seguimiento del estado superficial de los aisladores. La corriente de fuga registrada en los aisladores eléctricos podría utilizarse como una medida indirecta de los depósitos de contaminación. No obstante, además de por los depósitos de contaminación y el envejecimiento de los materiales, la medida de la corriente de fuga también se ve influenciada por una serie de factores ambientales, como temperatura, humedad, dirección y velocidad del viento entre otros. Por tanto, se pretende desarrollar una técnica de procesado para estimar la corriente de fuga asociada a los depósitos de contaminación (PLC) cancelando la influencia de las variables ambientales.
Contribution to the improvement of electrical therapies and to the comprehension of electrophysiological mechanisms in heart failure and acute ischemia using computational simulation
(Universitat Politècnica de València, 2021-03-02) Carpio Garay, Edison Fernando; Trénor Gomis, Beatriz Ana; Ferrero de Loma-Osorio, José María; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial; Centro de Investigación e Innovación en Bioingeniería
[ES] Una mejor comprensión de los mecanismos subyacentes a las arritmias ventriculares, así como una mejora de las terapias eléctricas y farmacológicas asociadas, son un factor clave para prevenir la muerte súbita cardíaca en pacientes con cardiopatías estructurales y eléctricas. Una miocardiopatía importante que puede provocar arritmias ventriculares potencialmente mortales es la insuficiencia cardíaca (HF). Los pacientes con HF a menudo sufren también de bloqueo de rama izquierda (LBBB) que deteriora su condición. Actualmente, el tratamiento más eficaz para estos pacientes es la terapia de resincronización cardíaca (CRT). Sin embargo, no se alcanza una respuesta positiva en todos los casos, por lo que es necesario un mayor estudio para mejorar este tratamiento. Una segunda patología cardíaca que también produce arritmias letales es la isquemia miocárdica. Evidencia experimental ha demostrado que las alteraciones electrofisiológicas en el miocardio ventricular constituyen un sustrato para la generación de arritmias durante la fase aguda de isquemia. Estas alteraciones son inducidas por los tres componentes isquémicos principales: hipercalemia, hipoxia y acidosis. Sin embargo, la influencia de cada componente en los mecanismos de inicio y mantenimiento de las arritmias no se comprende aún con claridad. Una primera parte de esta tesis doctoral, se centra en la optimización de la CRT durante su aplicación en un corazón que padece HF y LBBB. Para esto, se modificó el modelo de potencial de acción (AP) de O'Hara para simular una velocidad de conducción realista tanto en condiciones sanas como patológicas. Además, se estimó e incorporó un sistema de His-Purkinje (HPS) dentro de un modelo biventricular/torso humano 3D para simular un LBBB realista. A continuación, se desarrolló un conjunto de simulaciones computacionales para diferentes configuraciones de la CRT a fin de determinar la posición y el instante de estimulación óptimo que conducen a la duración más corta del QRS. Posteriormente, los resultados se compararon con otros criterios de optimización. Los principales hallazgos de este estudio mostraron la necesidad de definir criterios de optimización mejores o complementarios, como un índice basado en el tiempo hasta alcanzar el 90% del área del QRS sugerido en este trabajo, para alcanzar la mejor sincronía eléctrica ventricular durante la aplicación de la CRT. Además, nuestros resultados también muestran que el septo superior cercano al tracto de salida es un sitio alternativo para la estimulación del ventrículo derecho, lo cual evita los problemas de perforación de la pared apical durante el procedimiento típico de la CRT. Por último, para obtener mejores resultados de la CRT se deben considerar protocolos de estimulación endocárdica en el ventrículo izquierdo. En la segunda parte de esta tesis se investigó los efectos de los tres componentes principales de la isquemia sobre la vulnerabilidad a una reentrada, así como el papel del HPS y sus mecanismos de acción en la generación y mantenimiento de arritmias ventriculares. Para lograr este objetivo, en primer lugar, se modificó el modelo AP ventricular para simular de forma realista las principales alteraciones provocadas por la isquemia miocárdica aguda. Las simulaciones se realizaron en un modelo biventricular humano 3D, acoplado en un torso virtual, que incluye una geometría realista de las zonas isquémicas central y de borde, así como un HPS detallado. Se simularon cuatro escenarios de severidad isquémica correspondientes a diferentes minutos de oclusión de la arteria coronaria para evaluar los efectos de la evolución de la isquemia en el tiempo. Luego, se evaluó la influencia individual de la hipercalemia, hipoxia y acidosis en el ancho de la ventana vulnerable (VW) a reentradas durante siete escenarios de isquemia aguda. Finalmente, se repitió este último conjunto de simulaciones isquémicas utilizando el modelo anatómico sin el HPS para evaluar el efecto de este último en la VW. Los resultados muestran que una condición isquémica moderada es el peor escenario para la generación de una reentrada. La hipoxia es el componente isquémico con el efecto más significativo en el ancho de la VW. Además, el flujo de corriente retrógrado desde el miocardio hacia el HPS en la región isquémica, los bloqueos de conducción en secciones discretas del HPS y el grado de hiperkalemia que afecta a las células de Purkinje, son sugeridos como mecanismos que podrían favorecer la aparición de arritmias ventriculares.
Design and assessment of a computer-assisted artificial intelligence system for predicting preterm labor in women attending regular check-ups. Emphasis in imbalance data learning technique
(Universitat Politècnica de València, 2023-12-18) Nieto del Amor, Félix; Prats Boluda, Gema; Ye Lin, Yiyao; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial; Centro de Investigación e Innovación en Bioingeniería
[ES] El parto prematuro, definido como el nacimiento antes de las 37 semanas de gestación, es una importante preocupación mundial con implicaciones para la salud de los recién nacidos y los costes económicos. Afecta aproximadamente al 11% de todos los nacimientos, lo que supone más de 15 millones de individuos en todo el mundo. Los métodos actuales para predecir el parto prematuro carecen de precisión, lo que conduce a un sobrediagnóstico y a una viabilidad limitada en entornos clínicos. La electrohisterografía (EHG) ha surgido como una alternativa prometedora al proporcionar información relevante sobre la electrofisiología uterina. Sin embargo, los sistemas de predicción anteriores basados en EHG no se han trasladado de forma efectiva a la práctica clínica, debido principalmente a los sesgos en el manejo de datos desbalanceados y a la necesidad de modelos de predicción robustos y generalizables. Esta tesis doctoral pretende desarrollar un sistema de predicción del parto prematuro basado en inteligencia artificial utilizando EHG y datos obstétricos de mujeres sometidas a controles prenatales regulares. Este sistema implica la extracción de características relevantes, la optimización del subespacio de características y la evaluación de estrategias para abordar el reto de los datos desbalanceados para una predicción robusta. El estudio valida la eficacia de las características temporales, espectrales y no lineales para distinguir entre casos de parto prematuro y a término. Las nuevas medidas de entropía, en concreto la dispersión y la entropía de burbuja, superan a las métricas de entropía tradicionales en la identificación del parto prematuro. Además, el estudio trata de maximizar la información complementaria al tiempo que minimiza la redundancia y las características de ruido para optimizar el subespacio de características para una predicción precisa del parto prematuro mediante un algoritmo genético. Además, se ha confirmado la fuga de información entre el conjunto de datos de entrenamiento y el de prueba al generar muestras sintéticas antes de la partición de datos, lo que da lugar a una capacidad de generalización sobreestimada del sistema predictor. Estos resultados subrayan la importancia de particionar y después remuestrear para garantizar la independencia de los datos entre las muestras de entrenamiento y de prueba. Se propone combinar el algoritmo genético y el remuestreo en la misma iteración para hacer frente al desequilibrio en el aprendizaje de los datos mediante el enfoque de particio'n-remuestreo, logrando un área bajo la curva ROC del 94% y una precisión media del 84%. Además, el modelo demuestra un F1-score y una sensibilidad de aproximadamente el 80%, superando a los estudios existentes que consideran el enfoque de remuestreo después de particionar. Esto revela el potencial de un sistema de predicción de parto prematuro basado en EHG, permitiendo estrategias orientadas al paciente para mejorar la prevención del parto prematuro, el bienestar materno-fetal y la gestión óptima de los recursos hospitalarios. En general, esta tesis doctoral proporciona a los clínicos herramientas valiosas para la toma de decisiones en escenarios de riesgo materno-fetal de parto prematuro. Permite a los clínicos diseñar estrategias orientadas al paciente para mejorar la prevención y el manejo del parto prematuro. La metodología propuesta es prometedora para el desarrollo de un sistema integrado de predicción del parto prematuro que pueda mejorar la planificación del embarazo, optimizar la asignación de recursos y reducir el riesgo de parto prematuro.
Development of a novel high resolution and high throughput biosensing technology based on a Monolithic High Fundamental Frequency Quartz Crystal Microbalance (MHFF-QCM). Validation in food control
(Universitat Politècnica de València, 2022-05-02) Calero Alcarria, María del Señor; Fernández Díaz, Román; Jiménez Jiménez, Yolanda; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación; Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño; Centro de Investigación e Innovación en Bioingeniería; Agencia Estatal de Investigación
[ES] La sociedad actual demanda un mayor control en la seguridad y calidad de los alimentos que se consumen. Esta preocupación se ve reflejada en los diferentes planes estatales y europeos de investigación científica, los cuales, plantean la necesidad de innovar y desarrollar nuevas técnicas analíticas que cubran los requerimientos actuales. En el presente documento se aborda el problema de la presencia de residuos químicos en la miel. El origen de los mismos se debe, fundamentalmente, a los tramientos veterinarios con los que se tratan enfermedades y parásitos en las abejas, y a los tratamientos agrícolas con los que las abejas se ponen en contacto cuando recolectan el néctar en cultivos próximos a las colmenas. La Agencia Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) confirma esta realidad al notificar numerosas alertas sanitarias en la miel. En los últimos años, los métodos de análisis basados en inmunosensores piezoeléctricos se han posicionado como la base de una técnica de cribado muy prometedora, la cual puede ser empleada como técnica complementaria a las clásicas de cromatografía, gracias a su sencillez, rapidez y bajo coste. La tecnología de resonadores High-Fundamental Frequency Quartz Crystal Microbalance with Dissipation (HFF-QCMD) combina la detección directa en tiempo real, alta sensibilidad y selectividad con un fácil manejo y coste reducido en comparación con otras técnicas. Además, está tecnología permite aumentar el rendimiento del análisis mediante el diseño de arrays de resonadores en un mismo sustrato (Monolithic HFF-QCMD). En este documento se presenta el diseño de un array de 24 sensores HFF-QCMD, junto con un cartucho de micro-fluídica que traza diversos microcanales sobre los diferentes elementos sensores, a los que hace llegar la muestra de miel diluida a analizar. El cartucho actúa también como interfaz para realizar la conexión entre el array de resonadores y el instrumento de caracterización de los mismos. Para obtener el máximo partido del array diseñado, se desarrolla un método de medida robusto y fiable que permite elevar la tasa de adquisición de datos para facilitar la toma de registros eléctricos de un elevado número de resonadores de forma simultánea, e incluso en varios armónicos del modo fundamental de resonancia. La gran sensibilidad de la tecnología HFF-QCMD a los eventos bioquímicos a caracterizar se extiende también a otro tipo eventos externos, como son los cambios de temperatura o presión, lo que es necesario minimizar con el fin de reducir el impacto que estas perturbaciones no deseadas provocan en la estabilidad y fiabilidad de la medida. Con este fin, se desarrolla un algoritmo de procesado de señal basado en la Discrete Transform Wavelet (DTW). Finalmente, todos los desarrollos tecnológicos realizados se validan mediante la implementación de un inmunoensayo para la detección simultánea, en muestras de mieles reales, de residuos químicos de naturaleza química muy diferente, a saber, el fungicida tiabendazol y el antibiótico sulfatiazol.
Diferencias relacionadas al sexo y la edad bajo los efectos de mutaciones y el fármaco Dofetilide
(Editorial Universitat Politècnica de València, 2011-08-01T17:19:29Z) González Garza, Rodolfo Serafín; Saiz Rodríguez, Francisco Javier; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial; Centro de Investigación e Innovación en Bioingeniería
Hay una concienciación cada vez mayor de la importancia de diferencias entre los hombres y las mujeres, en edad adulta y preadolescencia, en la fisiología y la patofisiología del sistema cardiovascular. Una de las diferencias más importantes entre los hombres y las mujeres con respecto a sexo y a arritmias es el mayor riesgo en mujeres de una taquicardia ventricular polimórfica, conocida como Torsade de Pointes (TdP), inducida por las drogas que prolongan la repolarización. Además, el género femenino es un factor de riesgo independiente para el síncope y la muerte súbita en el síndrome de QT largo congénito (SQTL), mientras los preadolescentes varones presentan un mayor número de eventos cardiacos cuya letalidad es más alta que en preadolescentes del sexo femenino. En este trabajo se han formulado nuevos modelos computacionales que permiten simular las diferencias relacionadas al sexo y la edad en mamíferos. Los modelos de adulto macho, adulto hembra, preadolescente macho y preadolescente hembra incluyen las características electrofisiológicas de tejidos epicardial, midmiocardial y endocardial haciendo posible la simulación de la heterogeneidad transmural del ventrículo. Se modelizaron los efectos del fármaco antiarrítmico dofetilide con las formulaciones de Hodgkin Huxley y Markov y se simularon la acción de este fármaco en los modelos de adulto macho, adulto hembra, preadolescente macho y preadolescente hembra, tanto en células de cardiomiocitos como células del canal hERG, incluidas tipo wild type y de mutaciones en condiciones normales como en condiciones patológicas. En esta investigación se observó como el dofetilide redujo la componente rápida de la corriente de rectificación tardía produciendo una mayor prolongación en la duración del potencial de acción (APD), incrementando la incidencia de postdepolarizaciones tempranas (EADs) y aumentando la dispersión transmural de repolarización (DOR) en todos los modelos. En base a los resultados en las diferencias r
Diseño e implementación de un sensor Laplaciano activo flexible. Aplicación al estudio del EENG humano en superficie
(Universitat Politècnica de València, 2017-09-01) Zena Giménez, Víctor Fabián; Garcia Casado, Francisco Javier; Prats Boluda, Gema; Ye Lin, Yiyao; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial; Centro de Investigación e Innovación en Bioingeniería
Gastrointestinal diseases have a complicated diagnosis and a delay in treatment can lead to an aggravation of the disease, as is the case of intestinal ischemia, intestinal obstruction or paralytic ileus. These pathologies are revealed in intestinal motility which is determined by the myoelectric activity of the small intestine. EEnG is the signal associated to the recording of myoelectrical activity generated in the muscular layers of the small bowel, and electroenterography is a technique for the study of intestinal motility. At present, there is no non-invasive system for use in clinical settings that allow the recording of myoelectric intestinal activity. In the first part of this doctoral thesis, it has been tested an array of 3 active flexible concentric electrodes, which preamplifies and conditions the intestinal myoelectric signal captured on the surface as close as possible to the recording area. The results show that in the Laplacian recordings there was a better behavior against the influence of cardiac and respiratory interference with respect to bipolar with disc electrodes. However, in respect to low frequency interferences, concentric dry recording electrodes presented poorer performance than the gel recording disc electrodes. On the other hand, it was possible to identify the slow intestinal wave in about 93% of the analysis windows of the records with the matrix of concentric electrodes, compared to 88% of the bipolar records with disc electrodes. In the second part of the thesis, it has been attempted to improve the quality of the EEnG signals already achieved with the flexible concentric electrodes presented before with the design and implementation of flexible, self-adhesive flexible multi-ring concentric electrodes that can work in wet conditions (impregnation with electrolytic gel) and using two different substrates for the adhesive (adhesive-only and foam). Also it is aimed to determine the optimal configuration (monopolar vs bipolar concentric, MC vs BC) and dimension of ring, the appropriate material and the ideal position for picking up the slow intestinal wave. The adhesive material in concentric bipolar configuration and 30 mm ring diameter was most suitable to capture the slow intestinal wave; with an ability to detect the frequency of slow intestinal wave in a 95% of the cases. Improving 90% of the bipolar registers with conventional disc electrodes in the same position, and the results of the electrode matrix of the first part of the thesis. This work demonstrates the feasibility of recording the abdominal surface EEnG for the noninvasive monitoring of the slow intestinal wave and the better performance of the flexible substrate concentric electrodes compared to that of conventional disc electrodes. This is a further step to bring EEnG closer to clinical use and to the future development of diagnostic applications. In addition, the developed electrode can be used in other applications associated with the recording, monitoring and analysis of bioelectrical signals such as the fields of electrocardiography, uterine electromyography, respiratory muscle, etc.
Estudio de la vulnerabilidad a reentradas a través de modelos matemáticos y simulación de la aurícula humana
(Universitat Politècnica de València, 2011-01-10T07:45:50Z) Ruiz Villa, Carlos Alberto; Saiz Rodríguez, Francisco Javier; Rodriguez Matas, Jose Felix; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial; Centro de Investigación e Innovación en Bioingeniería
Los modelos de la actividad eléctrica cardiaca son esquemas teóricos de los fenómenos electro fisiológicos basados en formulaciones matemáticas y forman parte de los esfuerzos encaminados a facilitar su comprensión y la predicción de su comportamiento en distintas situaciones normales y patológicas. La modelización matemática y de estructuras anatómicas virtuales, unida a la simulación por ordenador contribuyen a analizar y comprender con mayor detalle el origen de las reentradas que dan lugar a las arritmias auriculares de origen eléctrico, ya que la complejidad inherente a este fenómeno hace muy difícil su estudio utilizando solamente la vía experimental. Este trabajo está basado en el desarrollo de dos modelos tridimensionales de aurícula humana, un modelo de dimensiones fisiológicas y otro con dilatación en la aurícula izquierda (remodelado estructural). A ambos modelos se les incorporó una orientación realista de las fibras y conducción anisotrópica. El remodelado eléctrico y el remodelado de gap junctions, ocasionados por episodios de fibrilación auricular crónica fueron simulados. De esta forma, el estudio contempla cuatro diferentes modelos: 1) un modelo en condiciones fisiológicas, con características anatómicas y eléctricas normales 2) un modelo de características anatómicas normales, pero en condiciones de remodelado eléctrico; 3) un modelo con dilatación y en condiciones de remodelado eléctrico; y 4) un modelo con dilatación y en condiciones de remodelado eléctrico y de gap-junctions. Los modelos reprodujeron la propagación del potencial de acción en situaciones fisiológicas y patológicas. Mediante simulación, se estudió el efecto del remodelado eléctrico, del remodelado estructural (dilatación) y del remodelado gap-junctions en la vulnerabilidad a reentradas. En general, los resultados muestran como el remodelado eléctrico favorece la generación de reentradas.
Estudio espectral del ritmo eléctrico básico del intestino delgado para la monitorización no invasiva del marcapasos intestinal
(Universitat Politècnica de València, 2012-01-09T07:34:14Z) Moreno Vázquez, José de Jesús; Martínez de Juan, José Luís; Garcia Casado, Francisco Javier; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial; Centro de Investigación e Innovación en Bioingeniería
El aparato digestivo permite que los alimentos se conviertan en nutrientes y proporcionen al organismo las calorías y los elementos fundamentales para la vida, al mismo tiempo que se expulsan y eliminan los productos residuales de forma adecuada. La motilidad intestinal es muy importante para conseguir la segmentación del quimo y el tránsito intestinal y está determinada por la actividad mioeléctrica de las capas musculares intestinales. Dicha actividad también se le denomina electroenterograma (EEnG). La señal mioeléctrica es el resultado de una componente de baja frecuencia que en condiciones fisiológicas está siempre presente llamada onda lenta (OL) o ritmo eléctrico básico (BER) que constituye el marcapasos intestinal; y una componente de alta frecuencia llamada spike bursts o potenciales rápidos de acción que está asociada a las contracciones intestinales. El análisis del EEnG es un paso clave para monitorizar la actividad intestinal. El estudio del BER intestinal no sólo proporciona información acerca del ritmo básico de las contracciones del intestino, sino que puede ayudar a diagnosticar algunas patologías gastrointestinales. Para ofrecer esta herramienta como aplicación clínica, el registro de la señal del EEnG debe ser no invasivo. El objetivo de la presente Tesis Doctoral es detectar la actividad del marcapasos intestinal y caracterizar el ritmo eléctrico básico en el EEnG externo, comparándolo y estudiando su relación con el EEnG interno. Las señales analizadas fueron obtenidas simultáneamente en la superficie abdominal y en la serosa intestinal de perros Beagle en estado de ayuno. Los métodos de estimación autoregresivo (AR), autoregresivo de media móvil (ARMA), Prony y clasificación de señales múltiples (MUSIC), se emplearon para determinar la distribución espectral de potencia asociada a la actividad de la onda lenta, tanto en los registros internos como externos. Por otro lado, para estudiar la relación entre el espectro de la señal captada en superficie y las señales internas, se estimaron las funciones de coherencia utilizando los modelos autoregresivo multivariante (ARM) y MUSIC.
ESTUDIO MEDIANTE MODELIZACIÓN MATEMÁTICA DE FENÓMENOS ARRÍTMICOS GENERADOS POR ACTIVIDAD ECTÓPICA
(Universitat Politècnica de València, 2012-12-20T09:29:28Z) Ramírez Islas, Esteban Benito; Saiz Rodríguez, Francisco Javier; Trénor Gomis, Beatriz Ana; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial; Centro de Investigación e Innovación en Bioingeniería
Los fenómenos arrítmicos afectan a la actividad eléctrica del corazón y son provocados por diversas enfermedades. El estudio de estos fenómenos es de crucial interés debido a que no se conocen con precisión, los mecanismos que los producen. En la presente Tesis Doctoral se estudian mediante modelización matemática y simulación por ordenador dos fenómenos relacionados con la generación anormal y la conducción del impulso cardiaco, producidos por situaciones patológicas: la reflexión en fibras ventriculares y las reentradas en el subsistema Purkinje-ventrículo que tienen lugar durante la fase 1B de isquemia. El fenómeno de reflexión ocurre en tejido ventricular cardiaco, y se produce cuando un impulso que llega a una zona de tejido dañada, provoca otro impulso que se propaga en sentido opuesto al impulso original. Las arritmias provocadas por isquemia se producen en dos fases, fase 1A y fase 1B. Mientras que la fase 1A de arritmias cardiacas ha sido ampliamente estudiada, los estudios sobre las arritmias de la fase 1B son escasos, y es de interés investigar los mecanismos que provocan esta fase de arritmias. Para el estudio de ambos fenómenos arrítmicos se implementaron modelos unidimensionales (1D) y bidimensionales (2D). El modelo 1D de reflexión se compone de dos segmentos de fibra ventricular, uno bajo condiciones normales fisiológicas y el otro bajo condiciones que facilitan la inducción de posdespolarizaciones tempranas (EADs) de fase 2. Los segmentos de fibra del modelo de reflexión se acoplaron mediante una resistencia, cuyo valor se varió en un rango de 5 a 30 ?·cm2. Las reentradas generadas en el subsistema Purkinje-ventrículo isquémico 1B se estudiaron con tres modelos: modelo 1D Purkinje-ventrículo 1B, modelo 1D Purkinje-ventrículo 1B con una estructura de anillo y modelo 2D Purkinje-ventrículo 1B. Los resultados obtenidos muestran que el acoplamiento entre las células del tejido ventricular tiene una influencia importante en ambos fenómenos arrítmicos.
Estudio y análisis del efecto rugoso sobre la respuesta del sensor de cuarzo AT en medios fluidos
(Universitat Politècnica de València, 2009-09-16T11:27:59Z) Fernández Díaz, Román; Arnau Vives, Antonio; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación; Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño; Centro de Investigación e Innovación en Bioingeniería
El trabajo presentado en esta tesis doctoral profundiza sobre el fenóme-no rugoso superficial y su contribución a la respuesta acústica del cristal resonador de cuarzo en medios líquidos. Su principal aportación se centra en el estudio de los parámetros geométricos que pueden representar de forma óptima la contribución rugosa sobre la impedancia acústica del sen-sor. Se propone un modelo empírico del efecto rugoso basado en los resul-tados de este estudio. Otra de las aportaciones de la presente tesis se centra en el estudio detallado de uno de los modelos de rugosidad propuestos más recientemente: el modelo de Arnau. Este modelo plantea la posibilidad de modelar la rugosidad mediante una distribución de casquetes semi-esféricos. En esta tesis se propone una corrección semi-empírica de dicho modelo que permita incluir el efecto de interferencia entre casquetes. Esta corrección se emplea en el estudio del comportamiento del efecto rugoso en superficies aleatorias. Se ha demostrado que el efecto de la rugosidad de una superficie aleatoria en la impedancia acústica puede ser modelado por la respuesta de una superficie equivalente formada por una distribución re-gular de casquetes semi-esféricos sobre una superficie plana. Asimismo, se ha demostrado que los parámetros geométricos de esta superficie equiva-lente están linealmente correlacionados con la proyección de la superficie aleatoria real en la dirección del movimiento. Esta afirmación se ha com-probado mediante medidas experimentales con microscopio de fuerza atómica (AFM). Palabras Clave: Piezoelectricidad, sensores de cuarzo, rugosidad, modo de cizalla en espesor.
Estudio y caracterización de la respuesta fisiologíca y metabólica del niño obeso en reposo y esfuerzo
(Universitat Politècnica de València, 2014-09-03T06:58:31Z) Guixeres Provinciale, Jaime; Alcañiz Raya, Mariano Luis; Lurbe Ferrer, Empar; Saiz Rodríguez, Francisco Javier; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Dpto. de Ingeniería Gráfica; Instituto Universitario de Investigación en Tecnología Centrada en el Ser Humano; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica y del Medio Natural; Centro de Investigación e Innovación en Bioingeniería
Antecedentes: Existen hasta la fecha bastantes trabajos de la respuesta metabólica y cardiovascular en adultos y algunos menos en niños pero muy pocos se han centrado en investigar acerca de las alteraciones cardiorespiratorias y metabólicas que implica la obesidad infantil. Una auténtica epidemia del siglo XXI. Se hace necesario instaurar nuevos marcadores para adaptar los tratamientos en este campo Objetivo: Mejorar y avanzar en el conocimiento que permita proponer nuevos métodos para estimar patrones de actividad física del niño obeso en situaciones ambulatorias y clínicas y estudiar su respuesta cardiorrespiratoria en situaciones de reposo y de esfuerzo con el fin de generar marcadores que ayuden a caracterizarlo mejor permitiendo aumentar la eficacia del tratamiento aplicado. Métodos: Para ello tres tipos de estudios se llevaron a cabo. Durante los estudios un grupo de señales fisiológicas (electrocardiograma (ECG), frecuencia respiratoria (BR), pulsioximetría (SpO2 )), y señales de acelerometría (ACC) han sido medidas por una nueva plataforma de sensorización que en su última versión se ha integrado en un tejido inteligente (TIPS shirt). Acompañadas de datos clínicos, las medidas del TIPS han sido correlacionadas con el consumo metabólico y la respuesta ventilatoria medida con un calorímetro. En el estudio A se midieron a 27 niños obesos y 29 niños con peso normal para determinar y analizar el metabolismo basal. En el estudio B se midió el consumo energético de un grupo de 61 niños obesos y 31 niños con peso normal que completaron una prueba de esfuerzo y una serie de actividades cotidianas de un niño en reposo y por último en el estudio C, 60 niños obesos y 40 normo peso completaron una prueba de esfuerzo y recuperación para analizar la respuesta cardiorrespiratoria. Todos los estudios fueron llevados a cabo en el Hospital General Universitario de Valencia y en el colegio Max UAB de Valencia. Resultados En el estudio A se compararon los valores obtenidos de medida del metabolismo basal frente a los valores predichos por modelos de la literatura y se encontró una alta variabilidad en las predicciones que aconsejan la medición real de este parámetro. Además se apreciaron diferencias significativas entre el grupo obeso y el grupo normo peso en la respuesta autónoma en reposo. En el estudio B los modelos que combinaron frecuencia cardiaca y acelerometría mostraron la relación más fuerte con las variables metabólicas medidas por el equipo de calorimetría indirecta y en el estudio C se encontraron diferencias significativas en la recuperación del esfuerzo máximo del obeso frente al normo peso especialmente en la recuperación del tono parasimpático. Conclusión: En esta Tesis se ha demostrado que la inclusión de determinadas pruebas clínicas y de nuevas técnicas de procesamiento de las medidas realizadas aumentarán la eficacia de la intervención en el tratamiento del niño obeso. En las mediciones del metabolismo basal realizadas se ha observado que es necesario determinar la respuesta del metabolismo basal de cada sujeto mediante una medida real y no por medio de modelos predictivos. Por otro lado, el realizar una medida de esfuerzo ha permitido determinar como caracterizar la respuesta individual tanto metabólica como cardiovascular del sujeto con sistemas ambulatorios menos costosos y más sencillos de manejar que los calorímetros usados habitualmente en pruebas de esfuerzo, especialmente analizando parámetros de disfunción que han aparecido en esta Tesis del sistema autónomo y aplicando los nuevos modelos de predicción del consumo metabólico extraídos exclusivamente de población obesa haciendo uso de la señal cardiaca y de la señal de acelerometría. Estos indicadores extraídos de este tipo de pruebas ayudarán al profesional de la salud a adaptar y personalizar la intervención a aplicar en cada caso clínico a tratar.
Identificación de la Señal Mioeléctrica del Intestino Delgado Registrada en Superficie Externa Abdominal. Comparativa con Registros Internos
(Universitat Politècnica de València, 2020-01-29) Garcia Casado, Francisco Javier; Martínez de Juan, José Luís; Ponce Marco, Jose Luis; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial; Centro de Investigación e Innovación en Bioingeniería
[EN] Intestinal motility is responsible for the functions of segmentation, mixing and transport of the chime poured from the stomach. These functions are of main importance in the processes of nutrients digestion and absorption. Intestinal contractile activity is determined by the myoelectrical activity of intestinal muscular layers. Precisely, intestinal myoelectrical activity, which is also called electroenterogram (EEnG), is the result of two components: a low frequency component (slow wave, SW) that is always present and a high frequency component (spike bursts, SB) which is associated with bowel contractions. Despite of the diagnostic significance of internal recordings of EEnG, clinical application of this technique is limited due to its invasiveness. Thus, surface recording of EEnG could be a solution for non-invasive monitoring of intestinal motility. The aim of this Ph.D. Thesis is the recording of surface electroenterogram and the identification of slow wave and spike bursts activity in order to quantify bowel motor activity in dogs. We conducted simultaneous recordings of IMA in bowel serosa and on abdominal surface of Beagle dogs in fast state. Both signals were analyzed in spectral domain and a frequency band for slow wave and spike bursts energy were determined. Likewise, the effects of abdominal layers and of possible interferences on surface recording of EEnG were also studied. For this purpose it was necessary to define new signal-to-interference and attenuation functions. We calculated different spectral parameters of surface EEnG that quantify presence and intensity of SB taking into consideration the attenuation behavior of abdominal layers and interference effects. These parameters have shown a strong correlation with bowel contractile activity. The research about surface EEnG is complemented with an analysis of signal dynamics throughout the pattern of bowel motor activity in fast state. Stationarity of the signal was evaluated in every period of contractile activity with different window-lengths. The study finishes with the definition of an algorithm that provides a variable window-length, adapting EEnG analysis to the spectral content of signal at every moment. This permits the generation of a fast non-invasive index of bowel contractile activity for future real-time applications. Three main conclusions can be deduced out of the obtained results: - It is possible to identify both bowel’s slow wave and spike bursts activity on surface recordings of EEnG. - Quantification of SB activity on surface EEnG allows non-invasive monitoring of small bowel mechanical activity. - It has been developed a new adaptive analysis method that improves intestinal motility indexes based in traditional techniques as it considers non-stationarity of EEnG.

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