VI Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica
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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 VI Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica 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 VI Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica 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 VI Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica 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. VI Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica 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 VI Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica 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. VI Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica 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 VI Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica 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. VI Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica REFERÊNCIAS CAD Computer Aided Design. Disponível em: http://www.nextengine.com/apps/uses/cad. 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