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EN2310 – MODELAGEM, SIMULAÇÃO E CONTROLE

APLICADOS A SISTEMAS BIOLÓGICOS

Professores: Ronny Calixto Carbonari

Maria Elizete Kunkel

Engenharia Biomédica

Janeiro de 2013

11th US NATIONAL CONGRESS ON COMPUTATIONAL MECHANICS

O que podemos modelar?

Modelagem de Sistemas Biomédicos


As Dificuldades em Modelar Sistemas

Biomédicos

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Materiais gradados (Como obter os valores das propriedades ???);

Tratam-se de problemas: não-lineares, anisotrópicos (varia com a direção do carregamento), não-homogêneos (varia com a idade, doenças, local, e etc.), poroso, assimétrico;

Modelagem é uma aproximação matemática do problema físico.

Integração dos problemas: fluídico, estrutural, elétrico e térmico.

Exemplo biológico de material gradado



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Não-linearidade: Geométrica;

Contato;

Material.

Gráfico de tensão x deformação

Exemplo de contato: Vertebra x Coluna Grandes deformações: Stent



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Anisotropia → (ani: não, iso: igual, tropia: volta) é a característica que uma substância possui em que uma certa propriedade física varia com a direção → Costuma-se designar qual a propriedade em que existe a anisotropia, por exemplo, anisotropia eléctrica, óptica, magnética, material;

Poroso;

Assimétrico;

Fêmur Proximal Humano


Exemplo de Modelagem de

Sistemas Biomédicos

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Exemplo de Modelagem: Cardiovascular

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Simulação em elementos finitos da artéria coronária principal esquerda obtida utilizando o software Ansys:

http://www.ansys.com/Industries/Healthcare/Cardiovascular

http://www.ansys.com/Industries/Healthcare/Cardiovascular


Exemplo de Modelagem: “Stent”

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Simulação em elementos finitos de um “stent” utilizando o software Ansys:

Processo de expansão do “stent”

Artéria após o processo de expansão do “stent”


Motivação: “Stent”

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Integração dos problemas: fluido, estrutural e térmico;

Simulação e análise do estado atual do paciente: tensões mecânicas e deformações;

Projeto customizada → melhor dispositivo ao paciente;

Simulação e análise numérica do estado após implantação do dispositivo;

Estimativa da vida útil.


Exemplo de Modelagem: Ortopédico

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Simulação em elementos finitos do pé utilizando o software Ansys:

Integração dos problemas: contato e estrutural;

Simulação e análise do estado atual do paciente: tensões mecânicas e deformações;

Modelar considerando as condições extremas de carregamentos;

Projeto da prótese customizada ao paciente → visando minimizar rejeições e aumentar a vida útil da prótese.

http://www.ansys.com/Industries/Healthcare/Orthopedics

http://www.ansys.com/Industries/Healthcare/Orthopedics


Exemplo de Modelagem: Drogas Respiratórias

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Modelagem e simulação em elementos finitos das funções pulmonares utilizando o software Ansys:

http://www.ansys.com/Industries/Healthcare/Pharmaceutical

Avaliação das alterações do volume e resistência das vias

aéreas, através de imagem funcional

utilizando CFD

http://www.ansys.com/Industries/Healthcare/Pharmaceutical


Motivação: Drogas Respiratórias

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CFD – Dinâmica de fluidos computacional;

Avaliação das alterações do volume e resistência das vias aéreas → utilizando as imagens obtidas pelo software de CFD;

Esta tecnologia permite que os engenheiros possam visualizar e prever os processos de fabricação, desempenho do dispositivo e da eficácia dos sistemas de distribuição de drogas.

No processo de aprovação regulamentar → etapa-chave, depois de anos de investimento em pesquisa e desenvolvimento → economia de tempo no desenvolvimento utilizando análise virtual e a dinâmica de fluidos.

Economia no desenvolvimento de produtos.


Objetivo

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Objetivos:

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Estudar as equações matemáticas do método de elementos finitos (MEF);

Implementar o MEF em MatLab;

Introduzir o software Ansys;

Validar: Ansys e numérico com as equações teóricas;

Construir modelos numéricos de sistemas biológicos;

Validar os modelos utilizando equações aproximadas.


Objetivo:

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Como, por exemplo, vamos nesse curso modelar a estrutura óssea do dente


O Por quê da Modelagem ?

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Objetivo:

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O que desejamos obter do modelo numérico (Objetivo) ?

Considerações do projeto (Restrições) ?

Problemas físicos: térmico, estrutural, CFD, elétrico, ...

Tipo de análise: estática, dinâmica, linear, não-linear, ...

Carregamos externos e restrições (regiões ou pontos de fixação); Análise da geometria (furos, cantos, rasgos, ...) → simplificar a geometria;

Aplicar simetrias, se houver;

Materiais integrantes na estrutura (Como obter as propriedades ???);

Análise da micro-estrutura.


Objetivo:

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Estruturas internas do dente:

Como modelar ?

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