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http://hdl.handle.net/1843/41652| Type: | Tese |
| Title: | Estudo biomecânico de coluna torácica de adolescente, em cifose e hipocifose, sob carregamento ligamentar assimétrico: uma possível predição da escoliose idiopática |
| Authors: | Rozilene Maria Cota Aroeira |
| First Advisor: | Marcelo Greco |
| First Co-advisor: | Antônio Eustáquio de Melo Pertence |
| First Referee: | Marco Túlio Corrêa de Faria |
| Second Referee: | Estevam Barbosa de Las Casas |
| Third Referee: | Pedro Yoshito Noritomi |
| metadata.dc.contributor.referee4: | Carlos Rodrigo de Mello Roesler |
| Abstract: | Esta tese de doutorado insere-se no campo de estudo da Engenharia Biomédica, integrando princípios das ciências exatas e ciências da saúde. Especificamente, buscou-se testar o uso de um modelo geométrico 3D da coluna vertebral, gerado em software de modelagem 3D, a partir de imagens gráficas, como técnica alternativa em um estudo biomecânico da coluna vertebral utilizando o Método de Elementos Finitos (MEF). Um estudo da coluna torácica, com características de coluna de adolescente, foi realizado para melhor entendimento do comportamento biomecânico desta estrutura quando sua curvatura fisiológica está alterada e relacioná-lo à deformidade vertebral denominada Escoliose Idiopática do Adolescente (EIA). Essa patologia altamente deformante, que atinge de 2% a 4% de jovens adolescentes em todo o mundo, tem consumido, por décadas, grande investimento da comunidade científica na busca por sua patogênese, até o momento desconhecida. Um estudo biomecânico piloto com o segmento móvel vertebral T7-T8 foi realizado para testar o modelo 3D, gerado a partir de imagens gráficas, num estudo de análise numérica com o MEF. Nesse segmento, foram analisados os deslocamentos das estruturas ósseas e do disco intervertebral, além dos campos de tensões. Os resultados foram comparados a estudos experimentais prévios com o objetivo de validação do método. O estudo seguiu com a modelagem e simulação biomecânica com o MEF do segmento torácico médio, T5-T10, (local de maior incidência de deformidades vertebrais em jovens). Dois modelos deste segmento vertebral, com curva fisiológica (cifose) e retificação da curva (hipocifose), foram analisados sob carga axial associada à presença de assimetria ligamentar e, posteriormente, tiveram seus resultados associados ao processo de iniciação da escoliose idiopática. O uso da modelagem 3D, a partir de imagem gráfica, na análise numérica com o MEF mostrou-se satisfatório para análise de deslocamentos das estruturas com potencial para utilização em outros estudos biomecânicos. O estudo mostrou um maior deslocamento vertebral e a reprodução da escoliose na condição de hipocifose, em presença de carga ligamentar assimétrica, quando comparado à condição de cifose. Entretanto, a análise das tensões deverá ser mais bem avaliada em estudo futuro. Além disso, como apêndice, apresentou-se a proposição de um método de reconstrução de modelo 3D do corpo humano, para fim de estudo qualitativo e quantitativo de curvas vertebrais e assimetrias corporais, visando o rastreamento precoce de alterações posturais em indivíduos em fase de maturação óssea. Esse diagnóstico precoce tem impacto direto na prevenção da severidade das deformidades vertebrais. As imagens obtidas inovam pelo baixo custo, portabilidade e tridimensionalidade. |
| Abstract: | This doctoral thesis in the field of Biomedical Engineering integrates principles of natural and health sciences. Specifically, the aim of the work was to test a 3D geometric model of the spine, generated from a 3D modeling software using graphical images, as an alternative technique in a biomechanical study of the spine using the Finite Element Method (FEM). A study of the thoracic spine, with characteristics of adolescent spine, was conducted to better understand the biomechanical behavior of this structure when its physiological curvature is altered and relate it to the spine deformity known as Adolescent Idiopathic Scoliosis (AIS). For decades, the scientific community has put great efforts to determine the pathogenesis of this highly deforming pathology, which affects 2% to 4% of adolescents worldwide. A biomechanical pilot study with the normal T7-T8 vertebral segment was conducted to test the 3D model generated from graphical images, by numerical analysis using FEM. In this segment, the displacement field of bone structures and of the intervertebral disc was analyzed, in addition to the stress field. The results were compared to previous experimental studies with the aim of validating the method. In addition, the study included modeling and biomechanical simulation using FEM of the T5-T10 mid-thoracic segment (segment with the highest incidence of vertebral deformities in youth). Two models of this vertebral segment, with physiological curvature (kyphosis) and curvature reduction (hypokyphosis), were analyzed under axial load associated with the presence of ligament asymmetry and the results were subsequently associated with the process of idiopathic scoliosis onset. Numerical analysis using FEM showed that the use of graphics 3D modeling was satisfactory for the analysis of displacement of structures, and has potential to be used in other biomechanical studies. The study showed a greater vertebral displacement and reproduction of scoliosis in the condition of hypokyphosis, at the presence of asymmetric ligament load, than in the condition of kyphosis. However, stress analysis should be further evaluated in future studies. As an appendix to the study, a method of reconstruction of the 3D model of the human body was proposed to study vertebral curvatures and body asymmetries qualitatively and quantitatively, aiming for the early screening of postural changes in individuals at the age of bone maturation. Early diagnosis has a direct impact on the prevention of the severity of vertebral deformities. The images obtained are innovative cost-effective, portable, and threedimensionality. |
| Subject: | Engenharia de estruturas Biomecânica Modelagem geométrica Escoliose Método dos elementos finitos |
| language: | por |
| metadata.dc.publisher.country: | Brasil |
| Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
| Publisher Initials: | UFMG |
| metadata.dc.publisher.department: | ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ESTRUTURAS |
| metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Estruturas |
| Rights: | Acesso Aberto |
| URI: | http://hdl.handle.net/1843/41652 |
| Issue Date: | 22-Nov-2017 |
| Appears in Collections: | Teses de Doutorado |
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