VI Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica

VI Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica
ANÁLISE DE ESTRUTURAS BIOMECÂNICAS, ATRAVÉS DE SOFTWARES 3D
POSSIBILITANDO UMA INTEGRAÇÃO ENTRE A ENGENHARIA E A MEDICINA
Washington Luiz Bueno da Silva
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Edson A. Capello Sousa
Orientador – Depto de Engenharia Mecânica – Unesp – Bauru
RESUMO
Nos dias de hoje, sentimos e percebemos claramente os avanços tecnológicos
ocorridos nas mais diversas áreas do conhecimento humano e tanto a Engenharia como a
Medicina não ficaram à margem desse processo. São, sem dúvida duas das mais importantes
áreas de desenvolvimento técnicos da atualidade. Entretanto quando analisamos o
desenvolvimento dessas áreas, percebemos algumas “ilhas” perdidas no processo, no que diz
respeito ao fechamento de um ciclo de informações e também pesquisas e resultados
expressivos obtidos pela comunidade científica brasileira, pautada principalmente pela falta
oportunidades e políticas de desenvolvimento tecnológico. Atualmente, já podemos visualizar
diversas partes do corpo humano com riquezas de detalhes, possibilitando uma melhor análise
da situação em que se encontra, e consequentemente o fechamento de diagnósticos mais
precisos. O que acarreta em benefícios para os pacientes e em diminuição de custos para os
procedimentos médicos. A tomografia computadorizada é um exemplo que ilustra bem esta
situação, existe também a possibilidade de, a partir de trabalhos desenvolvidos em software
em 3D, modelar e geral um sólido que reproduza um osso humano com as mesmas
características visuais da sua forma geométrica, materializada pela prototipagem digital. O
grande desafio se faz em melhorar este processo já desenvolvido, porém em grande parte
pela comunidade científica estrangeira e não brasileira, diminuindo as “ilhas” existentes no
processo, pois, a tomografia gera a imagem, a prototipagem faz a modelagem no
tridimensional, mas falta ainda adequar a modelagem tridimensional com as características de
material, textura, e principalmente as propriedades físicas do tecido ósseo, tão necessárias
para os estudos científicos em busca de novas melhorias. A partir deste cenário, estamos
empenhados em contribuir para o avanço no sentido de conseguir melhorar as informações e
completar este processo tão importante para a engenharia e a medicina.
PALAVRAS-CHAVE: Modelagem 3D, Tridimensional, Prototipagem Digital, Tomografia,
Engenharia Mecânica.
1 APRESENTAÇÃO
Tal projeto de pesquisa, se concentra na questão de poder reproduzir com fidelidade,
segurança e validação de resultados, pequenas partes ósseas do corpo humano, em ambientes
virtuais 3D, consideradas as características físicas dessas partes. Com esse desenvolvimento
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torna-se possível
uma analise por MEF (MÉTODO ELEMENTOS FINITOS) de
características antes desprovidas de validações confiáveis. O MEF, por se tratar de uma
poderosa ferramenta na analise de diversos fenômenos físicos, pode contribuir para que alem
da imagem digital, a tomografia computadorizada e a prototipagem digital, tenham também
as propriedades físicas de cada parte óssea, colaborando assim para uma melhor escolha de
um material ou compostos mais próximos da parte óssea analisada, ou mesmo na definição de
procedimentos médicos melhor indicados.
2 INTRODUÇÃO
Inicialmente o projeto parte das condições atuais de informações existentes, vindas
da medicina, como imagens de tomografias computadorizadas CT (Computadorized
Tomography), softwares como 3D-DOCTOR e INVERSALIUS que geram malhas 3D a partir
de tomografias e ressonâncias magnéticas MRI(Magnetic Resonance Imaging), recursos
computacionais existentes como Scanner 3D, software de modelagem 3D paramétricos
(SOLIDWORKS E INVENTOR), softwares de analise de MEF (Métodos Elementos Finitos).
A partir deste conjunto de tecnologias e com as informações a serem pesquisadas ao
longo do projeto, torna-se possível encontrar soluções para mais avanços no campo da
modelagem e análise de estruturas biomecânicas por elementos finitos.
3 OBJETIVOS
3.1 Objetivo geral
Este projeto tem por objetivo contribuir, para o avanço de uma medicina integrada
com outras áreas como a mecânica e a informática, em prol de um desenvolvimento
significativo da ciência.
3.2 Objetivos específicos
Gerar modelos tridimensionais com as mesmas características de geometria e análise
estrutural do componente ósseo modelado.
Reconstruir pequenos conjuntos ósseos obtidos a partir de tomografias
computadorizadas ou escaneadas pelo NextEngine 3D scanner HD, que possibilite uma
análise estrutural confiável e validada.
4 METODOLOGIA
Por meio de contatos com as áreas medicas de odontologia e ortopedia, serão
disponibilizadas diversas imagens, produzidas por meio de tomografia computadorizada e
ressonâncias magnéticas, alem de partes ósseas reais que servirão como base para
scaneamento 3D.
De posse destas informações serão realizados diversos ensaios virtuais em software
como Solidworks, figura 1, Autocad Inventor 2012, figura 2, e Ansys, figura 3. Tal
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procedimento deverá ser realizado até a obtenção de resultados confiáveis a ponto de se
realizar processos de validação para a confirmação destes resultados.
Figura 1 – Programa de modelagem em 3D, do grupo Dassault Systèmes, frances
Figura 2 – Programa de modelagem em 3D, do grupo Autodesk, americano
Figura 3 – Programa de análise de elementos finitos
5- INICIO DOS TRABALHOS
Alem dos 3 softwares citados anteriormente, estão sendo pesquisados outros,
podemos citar alguns como 3D-Doctor, figura 4 e o InVersalius figura 5, softwares estes, que
possam ajudar nas pesquisas tanto nas áreas da mecânica como da medicina.
Figura 4 – Programa publico para área de saúde
Figura 5 – Programa de análise de imagens em 3D
Outro ponto importante ponto é a utilização de um Scanner 3D com alta resolução e
sistema NURBS (Non Uniform Rational Basis Spline). O NURBS tem como vantagem a
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possibilidade de reproduzir curvas e superfícies simples ou complexas com uma alta precisão,
sendo utilizado em diversas áreas como medicina e odontologia. A maior vantagem do
método é a possibilidade de alteração iterativa da superfície através dos pontos de controle.
Com o avanço da tecnologia, os processadores estão diminuindo o tempo computacional para
a obtenção dos resultados, tornando o processo cada vez mais viável para a captação de
geometrias e texturas de alta complexidade.
Pesquisando um aparelho que pudesse atender as necessidades que o projeto requer e
que também faça a comunicação entre os demais softwares que serão utilizados, escolhemos
o aparelho de 3D Scanner Digital HD, figura 6, da empresa NextEngine, de Santa Monica,
Califórnia USA, por se mostrar um equipamento moderno de fácil operação com interface
para comunicação com outros softwares e que está em processo de aquisição pela
universidade para o programa de pós-graduação em Engenharia Mecânica.
Figura 5 – Equipamento com sistema NURBS para geração de imagens em 3D
6- GERAÇÃO DE MODELOS 3D
A primeira situação problema ocorrida, foi de gerar um conjunto de peças utilizada
para a fixação de um implante dentário, figura 6, em software de modelagem 3D, para
posteriormente ser feito uma análise no Ansys, o software escolhido para a modelagem foi
Autocad Inventor 2012 com os ambientes de modelagem e desenho técnico em 2D, o
conjunto contendo 3 peças; fixador, parafuso e base do dente figuras 7,8 e 9 respectivamente
e a figura 10 que aparece as peças montadas.
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Figura 6 – Foto das 3 peças utilizadas no implante
Figura 7 – Foto da peça fixador
Figura 8 – Foto do parafuso com rosca M 2 passo 0,4mm
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Figura 9 – Foto da base para o dente a ser implantado
Figura 10 – Foto das 3 peças montadas no Inventor 2012
Para ser possível a obtenção das medidas dos detalhes das 3 peças, como, tipos de
rosca e as medidas do passo, ângulos de saída de ferramentas, pequenos detalhes de chanfros,
sextavados, raios e pontos de encaixe, foi utilizado o projetor de perfil digital, marca
Mitutoyo, modelo PJ311, com lentes que aumentam em 50 vezes a imagem da peça, com
projeções diascópicas e episcópicas, que mostram o contorno e em algumas situações de
partes planas da peça, na figura 11esta sendo mostrado a parte lateral da peça fixador,
aumentada em 50 vezes e recebendo iluminação de superfície e de contorno, ou seja, luz de
cima para baixo e de baixo para cima, causando o efeito e a possibilidade de observar como
se encontra a superfície da peça, mesmo esta peça sendo tão pequena.
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Figura 11 – Foto tirada da lateral da peça fixador aumentada 50 vezes no
projetor de perfil Mitutoyo - PJ 311
Os próximos passos que serão realizados são: o acréscimo de imagens obtidas
através de tomografia, figura 12, no processo de modelagem em 3D.
Figura 12 – Imagem de tomografia, similar ao projeto que está sendo
desenvolvido
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7- RESULTADOS
Ainda é cedo para afirmarmos, quais quer que sejam os resultados, pois, estamos
apenas no inicio dos experimentos, visto que, pelo planejamento desenvolvido em
cronograma, nos próximos meses os trabalhos de pesquisas e ensaios práticos deverão se
intensificar, com a aquisição do 3D Scanner, o avanço em produzir geometrias mais
complexas deverá receber um auxilio considerável.
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