Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

Ondanks de huidige kennis rond botregeneratie, blijven vele vragen onbeantwoord. De in dit werk vooruitgeschoven hypothese stelt dat wiskundige modellen een substantiële bijdrage kunnen leveren aan dit onderzoeksdomein door het voorstellen van pathologische regeneratiemechanismen en het ontwerpen van therapieën, die vervolgens experimenteel getest kunnen worden. Het eerste deel van dit werk beschrijft de implementatie van bestaande mechano- en bioregulatorische modellen en de toepassing ervan op zowel implantaat osseointegratie als breukhelingssituaties. Een kwantitatieve vergelijking met de experimentele resultaten is uitgevoerd, evenals een grondige sensitiviteitsanalyse ter bepaling van de invloed van verschillende modelleringsaspecten op het simulatieresultaat. Tekortkomingen van deze modellen zijn geïdentificeerd en suggesties voor verbeteringen geformuleerd. In het tweede deel van dit werk is een nieuw bioregulatorisch model voor botregeneratie ontwikkeld, dat aan verschillende van de hoger gedefinieerde tekortkomingen tegemoet komt. Dit model omvat verscheidene kernaspecten van het regeneratie proces zoals intramembraneuze en endochondrale botvorming, angiogenese en gerichte celmigratie. De simulatieresultaten zijn zowel op kwalitatief als kwantitatief niveau gecorroboreerd door vergelijking met experimentele data voor normale breukheling. Gevallen van pathologische breukheling zijn gesimuleerd en experimenteel testbare behandelingsstrategieën geïmplementeerd. Het laatste deel van dit werk beschrijft de ontwikkeling van een wiskundig kader, gebaseerd op het eerder ontworpen bioregulatorisch model, dat de regulerende invloed van zowel biologische als mechanische factoren combineert. Dit is het eerste model van botregeneratie dat de koppeling tussen mechanische belasting en angiogenese maakt op een expliciete en mechanistische wijze. Verschillende voorbeelden illustreren de toegevoegde waarde van deze aanpak in de simulatie van normale en pathologische botregeneratie. Samenvattend, dit werk demonstreert het potentieel van wiskundige modellen in het vergroten van de kennis omtrent botregeneratie en in het ontwerpen van behandelingsstrategieën voor pathologische helingsgevallen. Despite the extensive body of literature on bone regeneration, many questions remain on e.g. the regulatory mechanisms and potential treatment strategies of pathological regeneration cases. The hypothesis underlying this work states that mathematical models of bone regeneration can make a substantial contribution to this domain by proposing pathological regeneration mechanisms and designing therapies, which can subsequently be tested experimentally. In the first part of this work, existing mechanoregulatory and bioregulatory models of bone regeneration are implemented and applied to both implant osseointegration and fracture healing set-ups. A quantitative comparison with experimental results is performed. Thorough sensitivity analyses are carried out to assess the influence of various modelling aspects on the simulation outcome. Shortcomings of these models are identified and suggestions for improvements are made. In the second part of this work, a novel bioregulatory model of bone regeneration is developed in which several of the previously defined shortcomings are addressed. This model includes key aspects of the regeneration process such as intramembranous and endochondral ossification, angiogenesis and directed cell motion. The results obtained with this novel model are corroborated both qualitatively and quantitatively by comparison with experimental data for normal fracture healing. Cases of pathological fracture healing are simulated and experimentally testable therapeutic strategies are implemented. The last part of this work describes the establishment of a mathematical framework, based on the previously developed bioregulatory model, in which the regulatory influence of both biological and mechanical factors is combined. This is the first model of bone regeneration in which the coupling between mechanical loading and angiogenesis is made in an explicit and mechanistic manner. Several examples are given to illustrate the added value of this approach in simulating normal and pathological bone regeneration. In summary, this work demonstrates the potential of mathematical models in advancing the knowledge on bone regeneration and designing treatment strategies for pathological healing cases.

681.3*I6 <043> --- 681.3*J3 <043> --- Academic collection --- 615.84 --- Simulation and modeling (Computing methodologies)--See also {681.3*G3}--Dissertaties --- Life and medical sciences (Computer applications)--Dissertaties --- Electrotherapy. Radiotherapy. Electrotherapeutics --- Theses --- 681.3*J3 <043> Life and medical sciences (Computer applications)--Dissertaties --- 681.3*I6 <043> Simulation and modeling (Computing methodologies)--See also {681.3*G3}--Dissertaties

Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

Moderne gedistribueerde systemen hebben meer en meer een verweven netwerkstructuur (v.b. ad-hoc netwerken, transport systemen, enz.). Verschillende subsystemen zijn afhankelijk van elkaar en interageren met elkaar op verschillende, complexe, dynamische, en onvoorspelbare manieren. Meer en meer systemen hebben ook een volledig gedecentraliseerde structuur en moeten hun vereisten op een autonome manier bereiken. Een veelbelovende aanpak is gebruik te maken van een groep van agenten die samenwerken om het gewenste globaal of macroscopische systeemgedrag te bereiken door enkel gebruik te maken van lokale interacties, locale agent activiteiten, en lokaal verworven informatie. Dergelijke multi-agentsystemen hebben een zelf-organiserend emergent gedrag. Bij het ontwikkelen van zelf-organiserende emergente multi-agent systemen is het praktisch onhaalbaar om op een analytische wijze het microscopische gedrag voor de individuele agenten af te leiden uit het vereiste macroscopische gedrag. De oorzaak hiervan is het feit dat er geen enkele globale of centrale controle gebruikt wordt en dat het probleemoplossende vermogen komt uit complexe, dynamische, en onvoorspelbare microscopische interacties. Als gevolg is er ook geen ontwikkelingsproces beschikbaar dat toelaat om op een systematische manier het gewenste macroscopische gedrag te specifiëren, hieruit de nodige gedragingen halen voor individuele agenten, het systeem te bouwen, en te verifiëren om garanties te geven over het vereiste gedrag. Nochtans zijn zelf-organiserende emergente multi-agent systemen enkel aanvaardbaar in een industriële situatie als er ondersteuning bestaat voor een systematisch ontwerp, en vooral ondersteuning voor verificatie om dergelijke garanties te kunnen geven. De bijdrage van dit eindwerk is tweeledig. Een eerste bijdrage is een gedetailleerde studie van een numerieke verificatietechniek die veelbelovend is om garanties te geven over het macroscopische gedrag, namelijk Vergelijkingsvrije Macroscopische Analyse. De resultaten geven aan dat zelfs voor een aanpak die zich specifiek richt op het macroscopische gedrag er redelijk wat praktische en meer fundamentele beperkingen zijn opdat de aanpak toepasbaar is voor realistische toepassingen. Geen enkele verificatietechniek is toepasbaar om elk type macroscopisch gedrag te analyseren. Een tweede bijdrage is een aanpassing van het unified proces voor het ontwikkelen van zelf-organiserende emergente toepassingen. Meer specifiek bespreken we hoe een geschikte verificatietechniek geïntegreerd kan worden in het ontwikkelingsproces, en werken we twee technieken uit die ondersteuning bieden voor het ontwerp. Deze twee technieken richten zich specifiek op waar het probleemoplossend vermogen moet zitten: coördinatie en interacties in het systeem. Een eerste techniek is een ontwerppatronencatalogus van gedecentraliseerde coördinatiemechanismen. De tweede techniek is een modelleringsaanpak die de focus legt op het ontwerp van informatiedistributie in het systeem door middel van informatiestromen. De evaluatie van de vergelijkingsvrije macroscopische analysetechniek en de validatie van de ontwerptechnieken werd gedaan in twee toepassingen: automated guided vehicle (AGV) transportsystemen en applicatie waarin gegevens gegroepeerd moeten worden volgens gelijkenis. Het is duidelijk dat een puur systematisch proces of stappenplan onmogelijk is om op een analytische manier de juist microscopische algoritmen af te leiden voor een vereist macroscopisch gedrag. Ondanks dat is er nog steeds nood aan een proces om ontwikkelaars te begeleiden. De bijdragen van dit doctoraatswerk resulteren in een pragmatische aanpak op basis van een gekend ontwikkelingsproces. Dit proces is aangepast om een ontwikkelaar te ondersteuning bij het op een creatieve manier ontwerpen van een aanvaardbare oplossing. Vergelijkingsvrije macroscopische analyse is moeilijk toepasbaar om dergelijke oplossingen te verifiëren maar laat wel toe om iteratief feedback te geven om het ontwerp aan te passen en te verbeteren. Modern distributed systems exhibit an increasingly interwoven structure (e.g. ad-hoc networks, transportation systems, etc.). Different subsystems depend on and interact with each other in many, often very complex, dynamic, and unpredictable ways. Also, more and more systems require and exhibit a completely decentralised structure and need to achieve their requirements autonomously. A promising approach is to use a group of agents that cooperate to achieve the required system-wide or macroscopic behaviour using only local interaction, local agent activities, and locally obtained information. Such multi-agent systems exhibit self-organising emergent behaviour. When engineering self-organising emergent multi-agent systems, it is practically infeasible to analytically derive the microscopic behaviours for the individual agents when given the required macroscopic behaviour. The main reason is the lack of any global control and that the problem-solving power resides in complex, dynamic and often unpredictable microscopic interactions. As a consequence, no engineering process exists which allows to systematically specify desirable macroscopic behaviour, map this to the behaviours of individual agents, build the system, and verify it to guarantee the required behaviour. However, self-organising emergent multi-agent systems will only be acceptable in industry if there exists support for a systematic design, and especially support for verification to give guarantees about the macroscopic behaviour. The contribution of this thesis is twofold. A first contribution is a detailed study of a numerical verification technique that appears to be promising for giving guarantees about the macroscopic behaviour, i.e. Equation-free Macroscopic Analysis. The results indicate that even the applicability of an approach specifically targeted at macroscopic behaviour is limited by a number of practical and more fundamental issues. Not one verification technique can be applied to analyse every type of macroscopic behaviour. Secondly, we propose to adopt the unified process for engineering self-organising emergent applications by the integration of a suitable verification approach to iteratively guide the process to the required behaviour, and design support explicitly targeted at coordination and interaction as the problem-solving source. The design is supported by two techniques. A first technique is a design pattern catalogue of decentralised coordination mechanisms. A second technique is a modelling approach focussed at designing coordination through appropriate information distribution with information flows. Evaluation of the equation-free macroscopic analysis technique and validation of the design support is done in two main case studies: an automated guided vehicle (AGV) transportation system and a document clustering application. It is clear that a purely systematic process or step plan to analytically derive the correct microscopic behaviours for a required macroscopic behaviour is infeasible. Nevertheless, a process is needed to guide engineers. The contributions of this thesis allow for a pragmatic approach based on an existing well-known process. The process is customised to support the engineer in creatively designing an acceptable solution. Equation-free macroscopic analysis is hard to use for verifying these solutions, but allows to iteratively provide feedback to adapt and improve the design. Het onderzoek beschouwt autonome en gedecentraliseerde software-oplossingen waarbij men dikwijls inspiratie haalt uit natuurlijke fenomenen (v.b. mieren die voedsel zoeken met feromonen, marktmechanismen, enz.). Dit zijn zelf-organiserende emergente oplossingen. Enerzijds gaat het onderzoek over het aanbieden van ondersteuning voor het ontwerpen en ontwikkelen van dergelijke oplossingen. Anderzijds resulteerde het onderzoek een gedetailleerde studie van de numerieke analysetechniek "Vergelijksvrije Macroscopische Analyse". Deze techniek spitst zich expliciet toe op het analyseren van het gedrag van bovenvermelde oplossingen maar blijkt in praktijk moeilijk toepasbaar te zijn op meer complexe en realistische toepassingen. This thesis considers autonomous and decentralised software solutions which are often inspired by phenomena in nature (e.g. ants foraging for food using pheromones, market mechanisms, etc.). Such solutions are called self-organising emergent solutions. On the one hand the research offers support to design and engineer such solutions. On the other hand the research resulted in a detailed study of the numerical analysis technique called "Equation-Free Macroscopic Analysis". This technique focusses explicitly on analysing the behaviour of self-organising emergent solutions but in practice it appear to be hard to apply it on more complex and engineered cases.

Academic collection --- 681.3*D2 <043> --- 519.63 <043> --- 681.3*I6 <043> --- 681.3*C24 <043> --- Software engineering: protection mechanisms; standards--See also {681.3*K63}; {681.3*K51}--Dissertaties --- Numerical methods for solution of partial differential equations--Dissertaties --- Simulation and modeling (Computing methodologies)--See also {681.3*G3}--Dissertaties --- Distributed systems: distributed databases; distributed applications; networkoperating systems--Dissertaties --- Theses --- 681.3*C24 <043> Distributed systems: distributed databases; distributed applications; networkoperating systems--Dissertaties --- 681.3*I6 <043> Simulation and modeling (Computing methodologies)--See also {681.3*G3}--Dissertaties --- 519.63 <043> Numerical methods for solution of partial differential equations--Dissertaties --- 681.3*D2 <043> Software engineering: protection mechanisms; standards--See also {681.3*K63}; {681.3*K51}--Dissertaties