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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
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11th US NATIONAL CONGRESS ON COMPUTATIONAL MECHANICS
O que podemos modelar?
Modelagem de Sistemas Biomédicos
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As Dificuldades em Modelar Sistemas
Biomédicos
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Modelagem de 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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Modelagem de Sistemas Biomédicos
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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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Modelagem de Sistemas Biomédicos
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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
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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
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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”
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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.
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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
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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
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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.
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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.
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Objetivo:
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Como, por exemplo, vamos nesse curso modelar a estrutura óssea do dente
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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.
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Objetivo:
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Estruturas internas do dente:
Como modelar ?