Analisis de sensibilidad de un modelo

de comportamiento biomecanico del

torax durante una reanimacion

cardiopulmonar

Juan Miguel Tiscar Cervera

Universitat Oberta de Catalunya (UOC)Universitat Rovira i Virgili (URV)

Trabajo Fin deMaster

Juan MiguelTiscar Cervera

Introduccion

Objetivos

Simulacion de unaRCP

Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Indice

1 Introduccion

2 Objetivos

3 Simulacion de una RCPEstructura ToracicaPropiedades mecanicas

Tejido corticalTejido trabecularTejido cartilaginoso

Condiciones de la simulacion

4 Analisis de sensibilidadPlanteamientoResultados

5 Conclusiones

Trabajo Fin deMaster

Juan MiguelTiscar Cervera

Introduccion

Objetivos

Simulacion de unaRCP

Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Indice

1 Introduccion

2 Objetivos

3 Simulacion de una RCPEstructura ToracicaPropiedades mecanicas

Tejido corticalTejido trabecularTejido cartilaginoso

Condiciones de la simulacion

4 Analisis de sensibilidadPlanteamientoResultados

5 Conclusiones

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Objetivos

Simulacion de unaRCP

Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

La RCP

La reanimacion cardiopulmonar (RCP) es una tecnica quepermite salvar vidas durante emergencias, tales como unataque cardıaco o un cuasiahogamiento, cuando se detie-nen los latidos del corazon o la respiracion de una persona.

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Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

La tecnica en una RCP

La tecnica viene especificada por la guıa de la AsociacionAmericana del Corazon (AHA)

Pasos:• compresiones toracicas (C)

• vıas respiratorias (A)

• respiracion (B)

• En adultos se debedesplazar el esternon entre5-6 cm.

• En bebes se debe desplazarel esternon entre 1/3 y 1/2de su profundidad.

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Planteamiento

Resultados

Conclusiones

La tecnica en una RCP

La tecnica viene especificada por la guıa de la AsociacionAmericana del Corazon (AHA)

Pasos:• compresiones toracicas (C)

• vıas respiratorias (A)

• respiracion (B)

• En adultos se debedesplazar el esternon entre5-6 cm.

• En bebes se debe desplazarel esternon entre 1/3 y 1/2de su profundidad.

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Propiedades mecanicas

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Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

La tecnica en una RCP

La tecnica viene especificada por la guıa de la AsociacionAmericana del Corazon (AHA)

Pasos:• compresiones toracicas (C)

• vıas respiratorias (A)

• respiracion (B)

• En adultos se debedesplazar el esternon entre5-6 cm.

• En bebes se debe desplazarel esternon entre 1/3 y 1/2de su profundidad.

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Planteamiento

Resultados

Conclusiones

La tecnica en una RCP

La tecnica viene especificada por la guıa de la AsociacionAmericana del Corazon (AHA)

Pasos:• compresiones toracicas (C)

• vıas respiratorias (A)

• respiracion (B)

• En adultos se debedesplazar el esternon entre5-6 cm.

• En bebes se debe desplazarel esternon entre 1/3 y 1/2de su profundidad.

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Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Problemas asociados• La supervivencia de una parada extrahospitalaria no

supera el 10 %.

• El gasto cardıaco depende de las propiedades de lacaja toracica y de la estructura circundante.

• Las RCP tienen asociadas un alto porcentaje decostillas fracturadas.

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Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

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Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Problemas asociados• La supervivencia de una parada extrahospitalaria no

supera el 10 %.

• El gasto cardıaco depende de las propiedades de lacaja toracica y de la estructura circundante.

• Las RCP tienen asociadas un alto porcentaje decostillas fracturadas.

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Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

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Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Problemas asociados• La supervivencia de una parada extrahospitalaria no

supera el 10 %.

• El gasto cardıaco depende de las propiedades de lacaja toracica y de la estructura circundante.

• Las RCP tienen asociadas un alto porcentaje decostillas fracturadas.

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Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

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Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Problemas asociados• La supervivencia de una parada extrahospitalaria no

supera el 10 %.

• El gasto cardıaco depende de las propiedades de lacaja toracica y de la estructura circundante.

• Las RCP tienen asociadas un alto porcentaje decostillas fracturadas.

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Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Otras cuestiones

• Edad.

• Enfermedades oseas.

• ...

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Objetivos

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Estructura Toracica

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Tejido cortical

Tejido trabecular

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Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Indice

1 Introduccion

2 Objetivos

3 Simulacion de una RCPEstructura ToracicaPropiedades mecanicas

Tejido corticalTejido trabecularTejido cartilaginoso

Condiciones de la simulacion

4 Analisis de sensibilidadPlanteamientoResultados

5 Conclusiones

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Objetivos

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Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Objetivos

• Simular una RCP mediante un modelo biomecanicode Elementos Finitos.

• Determinar el modelo constitutivo mas apropiadopara los tejidos oseos involucrados.

• Investigar la influencia de las propiedades mecanicasde los tejidos oseos en la realizacion de una RCP.

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Objetivos

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Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

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Resultados

Conclusiones

Indice

1 Introduccion

2 Objetivos

3 Simulacion de una RCPEstructura ToracicaPropiedades mecanicas

Tejido corticalTejido trabecularTejido cartilaginoso

Condiciones de la simulacion

4 Analisis de sensibilidadPlanteamientoResultados

5 Conclusiones

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Objetivos

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Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

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Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Estructura Toracica• 3.15 millones de elementos

• 37 cm (alto) × 27 cm (ancho) × 20 cm (profundo)

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Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

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Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Propiedades mecanicas.

Tejido cortical

Parametros del modelo Valor

Modulo de Young, E (MPa) 9000-15000Coeficiente de Poisson, ν 0.3Lımite elastico, σY (MPa) 64.1-1150Modulo de endurecimiento por compresion, Et (MPa) 1150-3900Desplazamiento maximo previo rotura, εut ( %) 2.4-3.0Densidad aparente, ρap (kg/m3) 1700-2100

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Objetivos

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Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Propiedades mecanicas.

Tejido trabecular

Parametros del modelo Valor

Modulo de Young, E (MPa) 40-13000Coeficiente de Poisson, ν 0.32-0.45Lımite elastico, σY (MPa) 2-9Modulo de endurecimiento por compresion, Et (MPa) 1Desplazamiento maximo previo rotura, εut ( %) sin datosDensidad aparente, ρap (kg/m3) 862-2200

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Objetivos

Simulacion de unaRCP

Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Propiedades mecanicas.

Tejido cartilaginoso

Parametros del modelo Valor

Modulo de Young, E (MPa) 7.1-50Coeficiente de Poisson, ν 0.3Densidad aparente, ρap (kg/m3) 1000-1500

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Objetivos

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Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Condiciones de la simulacion

Software Code Aster 13.8

Modelo de simulacion 3D

Tipos de materialesCortical: elastoplastico

Trabecular: elastoplasticoCartılago: elastico

Elementosdel mallado

TetraedrosInterpolacion lineal

Condicionesde contorno

Zona de presion: 450 NVertebras: ∆X = 0, ∆Y = 0, ∆Z = 0

Modelo de deformacion Grandes deformaciones

SolverMultifrontal con factorizacion

Paralelizado con 8 hilos simultaneos de ejecucion

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Objetivos

Simulacion de unaRCP

Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Indice

1 Introduccion

2 Objetivos

3 Simulacion de una RCPEstructura ToracicaPropiedades mecanicas

Tejido corticalTejido trabecularTejido cartilaginoso

Condiciones de la simulacion

4 Analisis de sensibilidadPlanteamientoResultados

5 Conclusiones

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Introduccion

Objetivos

Simulacion de unaRCP

Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Planteamiento

• Un analisis de sensibilidad es una tecnica utilizada pa-ra determinar como distintos valores de una(s) varia-ble(s) independiente(s) afectan a una(s) variable(s)dependiente(s) bajo un conjunto dado de supuestos.

• Se realizo un analisis determinista y univariante.

• Se toma como punto de partida un estado de refe-rencia tipo.

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Objetivos

Simulacion de unaRCP

Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Planteamiento

• Un analisis de sensibilidad es una tecnica utilizada pa-ra determinar como distintos valores de una(s) varia-ble(s) independiente(s) afectan a una(s) variable(s)dependiente(s) bajo un conjunto dado de supuestos.

• Se realizo un analisis determinista y univariante.

• Se toma como punto de partida un estado de refe-rencia tipo.

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Objetivos

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Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Planteamiento

• Un analisis de sensibilidad es una tecnica utilizada pa-ra determinar como distintos valores de una(s) varia-ble(s) independiente(s) afectan a una(s) variable(s)dependiente(s) bajo un conjunto dado de supuestos.

• Se realizo un analisis determinista y univariante.

• Se toma como punto de partida un estado de refe-rencia tipo.

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Introduccion

Objetivos

Simulacion de unaRCP

Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Planteamiento

Resumen

Cortical Trabecular Cartılago

Parametros independientesE E E

νρap ρap ρapEt

σY σYParametros dependientes

Desplazamiento del esternon (dest)rango admisible: 5 cm<d<6 cm

Tension equivalente maxima de Von Mises (σ∗VM)

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Objetivos

Simulacion de unaRCP

Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Planteamiento

Diseno de experimentos ( Referencia )

Parametros Valores

E (MPa) 9000 10000 12000 13500 15000σY (MPa) 64 90 335.5 750 1150

CorticalEt (MPa) 1150 1840 2530 3210 3900ρap (kg/m3) 1700 1800 1900 2000 2100

E (MPa) 40 3280 6000 9760 13000ν 0.32 0.35 0.39 0.42 0.45σY (MPa) 2 3.75 5.5 7.25 9

Trabecular

ρap (kg/m3) 862 1000 1500 1850 2200

E (MPa) 7.1 18 29 39 50Cartılago

ρap 1000 1125 1250 1375 1500

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Introduccion

Objetivos

Simulacion de unaRCP

Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Simulacion de referencia

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Introduccion

Objetivos

Simulacion de unaRCP

Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Influencia de ρap

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Introduccion

Objetivos

Simulacion de unaRCP

Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Influencia de los

parametros elasticos

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Objetivos

Simulacion de unaRCP

Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Influencia de los

parametros plasticos

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Introduccion

Objetivos

Simulacion de unaRCP

Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Influencia de los

parametros plasticos

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Objetivos

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Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Resumen

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Introduccion

Objetivos

Simulacion de unaRCP

Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Indice

1 Introduccion

2 Objetivos

3 Simulacion de una RCPEstructura ToracicaPropiedades mecanicas

Tejido corticalTejido trabecularTejido cartilaginoso

Condiciones de la simulacion

4 Analisis de sensibilidadPlanteamientoResultados

5 Conclusiones

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Objetivos

Simulacion de unaRCP

Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Conclusiones. Parte I

• Las propiedades mecanicas del cortical son conocidas con ma-yor precision que las propiedades del trabecular.

• Los ensayos de caracterizacion de las propiedades mecanicasde los tejidos oseos implican simplificaciones que ignoran suanisotropıa y su forma geometrica propia.

• El trabecular exhibe un amplio rango de variabilidad en algunasde sus propiedades.

• El tejido cartilaginoso costal se contempla como un materialelastico puro, aunque poco estudiado.

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Objetivos

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Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Conclusiones. Parte I

• Las propiedades mecanicas del cortical son conocidas con ma-yor precision que las propiedades del trabecular.

• Los ensayos de caracterizacion de las propiedades mecanicasde los tejidos oseos implican simplificaciones que ignoran suanisotropıa y su forma geometrica propia.

• El trabecular exhibe un amplio rango de variabilidad en algunasde sus propiedades.

• El tejido cartilaginoso costal se contempla como un materialelastico puro, aunque poco estudiado.

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Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Conclusiones. Parte I

• Las propiedades mecanicas del cortical son conocidas con ma-yor precision que las propiedades del trabecular.

• Los ensayos de caracterizacion de las propiedades mecanicasde los tejidos oseos implican simplificaciones que ignoran suanisotropıa y su forma geometrica propia.

• El trabecular exhibe un amplio rango de variabilidad en algunasde sus propiedades.

• El tejido cartilaginoso costal se contempla como un materialelastico puro, aunque poco estudiado.

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Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Conclusiones. Parte I

• Las propiedades mecanicas del cortical son conocidas con ma-yor precision que las propiedades del trabecular.

• Los ensayos de caracterizacion de las propiedades mecanicasde los tejidos oseos implican simplificaciones que ignoran suanisotropıa y su forma geometrica propia.

• El trabecular exhibe un amplio rango de variabilidad en algunasde sus propiedades.

• El tejido cartilaginoso costal se contempla como un materialelastico puro, aunque poco estudiado.

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Tejido cortical

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Resultados

Conclusiones

Conclusiones. Parte II

• El modelo predice que la mayor parte de la tension durante laRCP reside en las costillas situadas entre la numero 2 y la 6.

• Segun el modelo, no existe evidencia de que el estado mecanicodel cortical pueda influir de forma determinante en una RCP.

• El trabecular es un tejido oseo cuyas propiedades afectan signi-ficativamente en una RCP. Se ha constatado que el trabeculares un tejido con tendencia a deformar plasticamente.

• Las propiedades elasticas del cartılago son decisivas en la tecni-ca de RCP. Cambios relativamente pequenos en sus propie-dades provocan desplazamientos muy acusados del esternondurante la compresion. Urge, por lo tanto, mejorar el cono-cimiento del impacto de las enfermedades y la edad en estematerial, ası como hacer hincapie en la mejora de su caracte-rizacion mecanica.

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Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

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Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Conclusiones. Parte II

• El modelo predice que la mayor parte de la tension durante laRCP reside en las costillas situadas entre la numero 2 y la 6.

• Segun el modelo, no existe evidencia de que el estado mecanicodel cortical pueda influir de forma determinante en una RCP.

• El trabecular es un tejido oseo cuyas propiedades afectan signi-ficativamente en una RCP. Se ha constatado que el trabeculares un tejido con tendencia a deformar plasticamente.

• Las propiedades elasticas del cartılago son decisivas en la tecni-ca de RCP. Cambios relativamente pequenos en sus propie-dades provocan desplazamientos muy acusados del esternondurante la compresion. Urge, por lo tanto, mejorar el cono-cimiento del impacto de las enfermedades y la edad en estematerial, ası como hacer hincapie en la mejora de su caracte-rizacion mecanica.

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Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Conclusiones. Parte II

• El modelo predice que la mayor parte de la tension durante laRCP reside en las costillas situadas entre la numero 2 y la 6.

• Segun el modelo, no existe evidencia de que el estado mecanicodel cortical pueda influir de forma determinante en una RCP.

• El trabecular es un tejido oseo cuyas propiedades afectan signi-ficativamente en una RCP. Se ha constatado que el trabeculares un tejido con tendencia a deformar plasticamente.

• Las propiedades elasticas del cartılago son decisivas en la tecni-ca de RCP. Cambios relativamente pequenos en sus propie-dades provocan desplazamientos muy acusados del esternondurante la compresion. Urge, por lo tanto, mejorar el cono-cimiento del impacto de las enfermedades y la edad en estematerial, ası como hacer hincapie en la mejora de su caracte-rizacion mecanica.

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Estructura Toracica

Propiedades mecanicas

Tejido cortical

Tejido trabecular

Tejido cartilaginoso

Condiciones de lasimulacion

Analisis desensibilidad

Planteamiento

Resultados

Conclusiones

Conclusiones. Parte II

• El modelo predice que la mayor parte de la tension durante laRCP reside en las costillas situadas entre la numero 2 y la 6.

• Segun el modelo, no existe evidencia de que el estado mecanicodel cortical pueda influir de forma determinante en una RCP.

• El trabecular es un tejido oseo cuyas propiedades afectan signi-ficativamente en una RCP. Se ha constatado que el trabeculares un tejido con tendencia a deformar plasticamente.

• Las propiedades elasticas del cartılago son decisivas en la tecni-ca de RCP. Cambios relativamente pequenos en sus propie-dades provocan desplazamientos muy acusados del esternondurante la compresion. Urge, por lo tanto, mejorar el cono-cimiento del impacto de las enfermedades y la edad en estematerial, ası como hacer hincapie en la mejora de su caracte-rizacion mecanica.