Dynamical Analysis of Lower Abdominal Wall in the Human Inguinal Hernia

Abstract

En aquesta tesi es construeix un simulador numèric de la paret abdominal inferior, per tal de determinar la gènesis i les causes de les hernies inguinal humanes. Així, un model amb dades reals d'aquesta regió del cos humà (correctament discretitzades) ens permetrà reproduir les propietats dinàmiques de diferents elements de la regió permetent la simulació de la hernia en el moment que te lloc.<br/>La simulació muscular en general, ha tingut un paper secundari en la simulació numèrica, ja que en ocasions sols han interessat les propietats genèriques del múscul (per això es considera el múscul com un sol element) i no en un estudi detallat de les parts del múscul. El camp on la simulació ha estat més productiva ha estat la simulació cardíaca, a causa del constant interès en la creació de models del múscul cardíac i es per aquest motiu que sols es troben models detallats en aquest cas.<br/>La contracció de la fibra muscular va ser simulada fen servir el model reològic de Hill-Maxwell presentat per en J.<br/>Bestel en el que es regula la contracció muscular amb una funció de potencial d'activació u(t). Aquest model és el primer model dinàmic en dimensió u a nivell microscòpic de la contracció muscular.<br/>Actualment, existeixen moltes conjectures sobre les causes de les hèrnies, malgrat tot, no ha estat possible un estudi detallat sobre l'origen de les hèrnies. Per altra banda, és impossible captar el moment en que es genera una hèrnia, i per altra banda hi ha una carència de model prou detallats de la contracció muscular.<br/>En aquesta tesi es presenta un estudi dinàmic de la paret abdominal inferior amb els elements actius (els músculs) i els elements passius (fàscies, lligaments i altres teixits), és per això que es pot dur a terme un estudi amb varis aspectes físics i químics que intervenen a la gènesis de les hernies. El model reprodueix la dinàmica real del àrea tal i com A. Keith i W.J. Lytle varen conjecturar als inicis del segle passat i que són usualment acceptats per la comunitat de cirurgians.<br/>Aquest és el primer model que reprodueix la dinàmica real de la regió inguinal, prova la existència de dos mecanismes de defensa (el mecanisme de persiana i el mecanisme de esfínter a l'anell inguinal). Amb aquest model de contracció muscular podem estudiar diversos paràmetres que tenen un paper important a la gènesis de les hernies inguinals i podem dur a terme un estudi més detallat sobre els elements de risc. Aquests paràmetres ( el mòdul de Young, el coeficient de Poison o la pressió intraabdominal, per exemple) tenen un efecte hipotètic no provat en la gènesis de les hèrnies. Aquest treball, avalua l'efecte real de diversos paràmetres al model lineal i proposa una simulació no lineals per la simulació muscular.<br/><br/>ABSTRACT

This PhD thesis aims to build a numerical simulator of the inferior abdominal wall, in order to determine the genesis and causes of the inguinal hernia. Thus, a model with real data on the region of human body (properly discretized) has been built that reproduces the dynamic properties of the various elements of the region allowing the simulation of the moment at which the hernia occurs. <br/>Muscular simulation in general, has became a secondary subjec regarding numerical simulation, because on many occasions the interest has been concentrated in the general properties of the muscle (so that the muscle is considered a single element) and not in a detailed study of each of the parts of the muscle. The field where simulation has possibly been more productive is the cardiac simulation because of the constant interest in creating models of the cardiac muscle and it is for this reason that the only detailed models that exist are those related to the cardiac muscle. <br/>The muscular fibre contraction was simulated using the Hill-Maxwell rehologic model presented by J. Bestel which it regulates the contraction and recovery by means of potential activation function u(t). This model is the first dynamic model in dimension one of a microscopic muscle level. <br/>Currently, there is much varying conjecture regarding the causes of hernias, despite this however, a detailed study of their genesis, has not been possible. This is because on the one hand, it is impossible to catch the moment in which a hernia is generated, and, on the other, there is a lack of sufficiently detailed models of the muscles involved. <br/>We present a dynamic model of the inferior abdominal wall with the active elements (the muscles) and the passive elements (fascias, ligaments and other tissues), so that a study can be made of the various physical and chemical aspects that generate hernias. The model reproduces the real dynamic of the area, as A. Keith and W.J. Lytle conjectured at the beginning of the past century and commonly accepted by surgery community. <br/>This is the first model which reproduces the real dynamic in the inguinal area, so that we can prove the existence of the two defence mechanisms (the shutter mechanism and the sphincter mechanism in the inguinal ring). With this muscular contraction model we can study several parameters that it have an important role in the inguinal hernia genesis and we can do an accurate study about risk elements in the hernia inguinal. This parameters (Young's modulus, Poison's coefficient or intraabdominal pressure, for instance) have an hypothetical and no proved effect in the genesis of inguinal hernias. This work, evaluate the real effect of several parameters in the lineal model and propose a non linear model for the muscular simulation.