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GERAO DE IMAGEM TRIDIMENSIONAL BIOMECNICA PARA

DESENVOLVIMENTO DE PROJETOS DE IMPLANTES

PERSONALIZADOS EM LIGA DE TITNIO

Rafael Ferreira Gregolin1*, Ceclia Amlia de Camargo Zavaglia2, Rus

Camargo Tokimatsu3, Joo Antnio Pereira3

1 Prof. Me. Engenharia Mecnica - Universidade Federal da Grande Dourados (UFGD), Dourados/MS

2 Profa. Dra. Engenharia Mecnica - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Campinas/SP

3 Prof. Dr. Engenharia Mecnica - Universidade Estadual Paulista (UNESP), Ilha Solteira/SP

*[email protected]

Resumo

Com a elaborao de um desenho 3D consegue-se produzir, por prototipagem

rpida, ou mesmo por usinagem CNC, modelos idnticos s regies do corpo

humano. No desenvolvimento de prteses personalizadas a utilizao da

imagem 3D da regio de implantao de suma importncia. Somente com o

desenho 3D da regio de implantao consegue-se testar e aprimorar o

designer de uma prtese com grande perfeio. No estudo aqui apresentado

foi elaborada uma modelagem tridimensional da mandbula de um paciente

atravs da tomografia computadorizada (TC). Foi utilizado o software Invesalius

para, a partir dos arquivos gerados pela TC, criar uma imagem 3D do crnio. O

desenho tridimensional foi trabalhado no Rhinoceros e transformado em um

slido NURBS. A extenso IGES foi escolhida para exportar a imagem ao

Ansys Workbench realizando uma anlise estrutural esttica por elementos

finitos. A maior tenso encontrada na mandbula estudada foi de 213,59 MPa.

Palavras-chave: Modelagem Tridimensional, Biomodelos, Elementos Finitos,

Imagem Mdica.

21 CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Cincia dos Materiais09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiab, MT, Brasil

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INTRODUO

Um dos grandes desafios na medicina atual substituir com perfeio

partes do corpo humano no mais funcionais. Tratando-se de prteses

intracorpreas, inmeras dificuldades podem ocorrer na utilizao do implante

no paciente, como por exemplo, o desgaste prematuro dos componentes,

levando a falha e uma nova cirurgia.

Segundo [1] uma das causas mais recorrentes no insucesso de cirurgias

com prteses articulveis a inflamao do local, que pode ocorrer devido s

partculas de desgaste, denominadas de debris, geradas pelo atrito entre os

materiais no conjunto de prteses.

No Brasil existe grande deficincia em estudos do comportamento das

articulaes substitudas por implantes, ou seja, das artroplastias, ou mesmo

de simulaes experimentais das condies posteriores cirurgia.

Basicamente existem estudos de casos de falhas, principalmente em prteses

de quadril, que substitui a articulao entre fmur e a pelves.

A obteno de modelos tridimensionais das regies sseas no uma

tarefa fcil, principalmente devido complexidade da geometria dessas

regies. A soluo para esse problema construir imagens tridimensionais a

partir de tomografias computadorizadas, utilizando para isso softwares que

unem figuras bidimensionais geradas por esse processo e as transformem em

imagens 3D [3].

Para uma anlise estrutural em organismos biomecnicos o primeiro

passo a criao de um modelo geomtrico idntico regio por ser

analisada. Este modelo deve representar com grande fidelidade todas as

formas e dimenses da estrutura ssea que ser trabalhada pelo mtodo de

elementos finitos. No contexto de estruturas biomecnicas tm-se duas

grandes dificuldades, a primeira a irregularidade das formas encontradas no

corpo humano e a segunda a dificuldade de realizar-se experimentos prticos

para fins de comparao, sendo que, em geral, deve-se retratar organismos e

tecidos vivos [3].


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MATERIAL E MTODOS

Nesse trabalho foi realizada uma modelagem tridimensional da

mandbula humana e posterior anlise por elementos finitos a partir de arquivos

de uma tomografia computadorizada. Os arquivos tomogrficos foram

recebidos no formato DICOM cedidos pelo Laboratrio de Biofabricao (INCT-

BIOFABRIS).

Para converso de arquivos no formato DICOM provenientes de

tomografias computadorizadas em um modelo tridimensional foi utilizado o

software Invesalius.

Os softwares Invesalius e Rhinocerus, utilizados no trabalho, foram

instalados em um computador PC com processador Intel Pentium P6200,

2.13GHz e 4.00 GB de memria RAM que utiliza o sistema operacional

Windows 7 Home Basic.

O software Rhinoceros pode ser baixado, para instalao, diretamente

do site da empresa fabricante e permite que se faa 25 salvamentos de

arquivos de maneira gratuita. Durante a manibulao no Rhinoceros, do

arquivo gerado pelo Invesalius em STL, a imagem gerada foi salva na extenso

IGES para leitura e anlise posterior no software Ansys Workbench.

Para gerao da malha e anlise por elementos finitos foi utilizado o

software Ansys Workbench, a licena desse software pertence rea de

simulao numrica da FEIS/UNESP.

A simulao por elementos finitos da mandbula humana foi efetuada no

software Ansys utilizando o critrio de falha das tenses de von-Mises e

considerando foras musculares da mandbula encontradas na literatura.

Este trabalho um estudo preliminar para desenvolvimento de uma

prtese total da ATM personalizada e construda por prototipagem rpida

utilizando a tecnologia de impresso tridimensional do tipo DMLS, ou seja,

sinterizao direta a laser de metais. Todos os mtodos aqui descritos tem o

objetivo de projetar uma placa articulvel personalizada para patologias da

ATM.


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RESULTADOS E DISCUSSO

As anlises realizadas nesse trabalho tm o objetivo preliminar de

estudar os mtodos de aquisio de imagens tomogrficas e modelagem 3D

para anlises de tenso e comportamento mecnico das regies anatmicas

do corpo humano com o intuito de desenvolver implantes personalizados.

Tendo-se os arquivos da tomografia computadorizada pode-se gerar a

imagem tridimensional pelo software Invesalius como ilustrado na figura 1.

Figura 1 Imagem 3D gerada pelo Invesalius

Fonte: Dados do prprio autor

De posse do arquivo STL gerado pelo Invesalius o mesmo deve ser

importado para o Rhinoceros, possibilitando a limpeza da imagem e

separao da regio de interesse. Na figura 2 verificam-se as imagens antes e

depois do tratamento realizado.

Figura 2 Separao da regio de interesse no Rhinoceros



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Com a imagem pronta no Rhinoceros utiliza-se um plug-in conhecido

como MeshToSolid que converte a malha de tringulos em um volume no

formato NURBS. Ao final dessa etapa deve-se salvar a geometria em formato

IGES, possibilitando a exportao para softwares de anlise por elementos

finitos. No trabalho em questo a mandbula foi exportada para o programa

Ansys Workbench.

Anlise por Elementos Finitos

A anlise aqui desenvolvida trata-se de um estudo das tenses

envolvidas na mastigao de uma pessoa em condies normais. Para isso foi

isolada a mandbula do paciente e aplicada cargas na posio central dos

dentes, simulando as foras realizadas durante o ato da mastigao.

A malha construda somente deve ser aceita, aps vrias simulaes de

convergncia para as tenses resultantes. O elemento utilizado para a

simulao foi o slido tetradrico (Solid187) e o tempo mdio de

processamento foi de 28,22 segundos. As interaes para soluo do problema

foram cessadas quando foi alcanado um erro na variao do clculo

computacional das tenses menor que 1,0e-08. Os valores numricos de ns

e elementos so respectivamente: 70.947 e 40.326.

A figura 3 apresenta a malha gerada no Ansys Workbench.

Figura 3 - Malha tetradrica gerada pelo software AnsysWorkbench


Com a malha construda aplicam-se as condies de contornos

estipuladas para o modelo, que constituem propriamente em uma fora vetorial


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e duas fixaes rgidas. O valor mdio da mxima fora encontrada na

literatura atual para mastigao humana est em torno de 200N. Esse valor foi

aplicado na posio dos dentes da mandbula analisada. As duas fixaes

rgidas foram posicionadas nos dois cndilos mandibulares do modelo, como

est apresentado na figura 4.

Figura 4 Fora aplicada na posio dos dentes e fixao rgida nos cndilos


Finalmente realizaram-se as anlises de tenses para a estrutura

anatmica. Utilizou-se o critrio de falha de von-Mises. A anlise est

apresentada na figura 05.

Figura 05 Anlise de tenses de von-Mises em mandbula humana


A mxima tenso encontrada foi de 213,59 MPa posicionada na unio

entre a cabea condilar e o corpo central da mandbula. A tenso encontrada

apresenta-se com valor alto, comparando-se com os valores do limite de

escoamento do osso cortical encontrados na literatura atual. O alto valor de

tenso pode ser justificado devido provavelmente a uma malha no


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suficientemente refinada e uma geometria, apesar das suavizaes, ainda

irregular.

CONCLUSO

O objetivo final do estudo foi atingido, realizando-se uma modelagem

tridimensional e uma anlise estrutural por elementos finitos a partir de uma

tomografia computadorizada do crnio de um paciente.

Muitos obstculos foram vencidos, trabalhando-se com a importao e

exportao dos arquivos inicialmente em formato DICOM por vrios softwares,

produzindo uma imagem tridimensional que possibilitou a anlise estrutural

computacional do modelo virtual.

Ainda existem dificuldades a serem vencidas como, por exemplo, uma

melhor suavizao da imagem minimizando, ou mesmo eliminando, o formato

triangular da superfcie. A anlise por elementos finitos pode ser melhorada

maximizando a malha de elementos e tornando as condies de contorno

impostas mais prximas da realidade.

O trabalho aqui exposto apresenta-se como uma ferramenta para auxlio

na fabricao de biomodelos e tambm no desenvolvimento de prteses e

rteses, principalmente personalizadas.

REFERNCIAS

[1] TROMMER, R. M.; MARU, M. M.; ACHETE, C. A. Simulao de desgaste

em prteses de quadril. 2012. Congresso latino americano de rgos

artificiais e biomateriais, Natal, 2012.

[2] CELEBI, N. et al. Development of a mandibular motion simulator for total

joint replacement. Journal of Oral and Maxillofacial Surgeons, v. 69, p. 66-

79, 2011.

[3] JIA FILHO, P.; CAPELLO SOUSA, E. A. Reconstruo e gerao de

malhas em estruturas biomecnicas tridimensionais para anlise por elementos

finitos. Revista Brasileira de Engenharia Biomdica, Rio de Janeiro, v. 25,

n. 1, p. 15-20, 2009


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REFERNCIAS COMPLEMENTARES

[4] SANTA BRBARA, AILTON. Processamento de imagens mdicas

tomogrficas para modelagem virtual e fsica o software InVesalius /

Ailton Santa Brbara. Tese de Doutorado, Unicamp, Campinas-SP, 2006.

[5] CIOCCA, L. et al. Direct metal laser sintering (DMLS) of a customized

titanium mesh for prosthetically guided bone regeneration of atrophic maxillary

arches. Medical and Biological Engineering and Computing, Stevenage, v.

49, n. 11, p 1347-1352, 2011.

ABSTRACT

GENERATION OF BIOMECHANICS THREE-DIMENSIONAL IMAGE FOR

DEVELOPMENT OF PROJECTS OF CUSTOM IMPLANTS IN TITANIUM ALLOY

Three-dimensional modeling is an indispensable tool in manufacturing biomodels. Only

after the development of a 3D design can be produced, by rapid prototyping, CNC

machining, identical models of the areas of the human body. To perform computational

numerical analysis is essential the creation of three-dimensional models. To Custom

prostheses the use of the image of the deployment region for the development of

customized implant is extremely important because it assists in the process. Only with

the 3D design of the deployment region is achieved by testing and improving the

designer of the prosthesis with great perfection. In the study presented here was

developed a three-dimensional modeling of the jaw of a patient by computed

tomography (CT) of the skull of the same . The Invesalius software was used, from the

files generated by CT, to create a 3D picture of the skull. This image was exported in

STL format for Rhinoceros software to be cleaned, smoothed and separate the region

of interest. After working in Rhinoceros the image was transformed into a NURBS

solid and saved in IGES format. This extension (IGES) was chosen to export the image

to the Ansys Workbench software and thus perform a static structural finite element

analysis by applying own forces and fixations of human anatomy. The greatest stress

found in the mandible was 213.59 MPa.

Keywords: Three-dimensional modeling, Biomodels, Finite Elements, Medical

Imaging.


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