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http://hdl.handle.net/1843/79964
Type: | Tese |
Title: | Análise numérica dos processos de aquecimento e resfriamento da articulação do joelho |
Authors: | Fernanda Souza da Silva |
First Advisor: | Rudolf Huebner |
First Referee: | Angélica Rodrigues de Araújo |
Second Referee: | Janaíne Cunha Polese |
Third Referee: | Matheus Pereira Porto |
metadata.dc.contributor.referee4: | Roberto Márcio de Andrade |
Abstract: | O aquecimento e o resfriamento dos tecidos são utilizados, desde os tempos antigos, para o tratamento de distúrbios da saúde. No entanto, os benefícios dessas terapias dependem fortemente da temperatura alcançada nos tecidos. Dessa forma, compreender o processo de transferência de calor e conhecer a distribuição da temperatura nos tecidos biológicos são fatores essenciais para que esses tratamentos sejam aplicados de forma segura e eficaz. Nesse contexto, a simulação numérica torna-se uma ferramenta interessante para compreender o campo de temperatura nos diferentes tecidos que compõem a articulação e, assim, contribuir para uma melhor aplicação dos recursos térmicos utilizados na prática clínica da fisioterapia. Portanto, o presente estudo tem como objetivo principal avaliar, por meio de simulação numérica, a distribuição de temperatura na articulação do joelho, em modelo animal (bidimensional e unidimensional) e humano (bidimensional). Foram realizadas simulações em situações de regimes permanente (neutralidade térmica) e transiente (aquecimento e resfriamento terapêuticos). Os modelos geométricos bidimensionais do joelho canino e humano foram construídos com o auxílio do programa Solidworks 2012 ®. A malha foi gerada com o Ansys Meshing e os testes de malha foram realizados em ambos os modelos. O programa ANSYS-CFX®, baseado no método de volumes finitos, foi utilizado para a realização das simulações bidimensionais do joelho canino e humano. No modelo unidimensional, a articulação foi representada por um único cilindro, composto por seis camadas teciduais. O software EES 2016 ® (V10.104 - Engineering Equation Solver) foi utilizado para a elaboração do programa e solução das equações. O fenômeno de transmissão de calor foi modelado por meio da equação diferencial parcial de difusão de calor com a inclusão dos termos de perfusão sanguínea e de metabolismo. Para investigar o impacto na distribuição da temperatura tecidual, o termo de perfusão sanguínea foi alterado considerando a taxa de perfusão sanguínea constante e em função da temperatura, diferentes valores de perfusão sanguínea e a perfusão sanguínea em função da temperatura. As simulações bidimensionais do joelho canino, durante os procedimentos de aquecimento e resfriamento, foram realizadas considerando diferentes condições de contorno. Os resultados obtidos com essas simulações foram utilizados para determinar as condições de contorno adotadas para as simulações unidimensionais do joelho canino e bidimensionais do joelho humano, durante os processos de aquecimento e de resfriamento. Os resultados das simulações em modelo animal foram comparados com dados experimentais in vivo disponíveis na literatura. As simulações de aquecimento e de resfriamento que tiveram o comportamento da temperatura da epiderme como condição de contorno apresentaram os melhores resultados. Os melhores resultados foram obtidos quando a taxa de perfusão foi considerada em função da temperatura, representando, de forma mais fiel, a modelagem matemática proposta por Pennes. As simulações bidimensionais apresentaram diferenças percentuais com o experimento próximas as obtidas com a simulação unidimensional, mostrando que ambas são capazes de representar o fenômeno analisado. As simulações numéricas realizadas no presente estudo mostraram-se uma ferramenta importante para a avaliação não invasiva da distribuição da temperatura na articulação do joelho. |
Abstract: | The heating and cooling of tissues are used since ancient times for the treatment of health disorders. In physical therapy these resources are used in order to promote the relief of pain, aid in tissue repair, control or reduce the signs and inflammatory symptoms, changing the elasticity of the tissue and thus enhance the rehabilitation plan. However, benefits from these therapies rely heavily on the temperature achieved in the tissue. Different values from the recommended optimum range for obtaining therapeutic effects may result in ineffective or harmful treatments to the tissue. Therefore, to understand the heat transfer process and to know the temperature distribution in biological tissues are essential factors for such treatments to be applied in a safe and effective manner. In vivo measurements are usually invasive and often impossible to be performed when deep tissues are studied. In this context, numerical simulation becomes an interesting tool for understanding the temperature field in different tissues that constitutes the joint and thus contribute to better implementation of thermal resources used in physical therapy. Therefore, the main objective of the present study is to evaluate the distribution of temperature at the knee joint in an animal model (two-dimensional and one- dimensional) and human (two-dimensional) models using numerical simulation. The two- dimensional geometric models of the canine and human knee were elaboratedbased on a photographic record of a cross section of an anatomical specimen and real images obtained from cross sections of a corpse, respectively. Both models were built with the help of SolidWorks 2012 ® software. The mesh was generated with the ANSYS Meshing and mesh tests are conducted in both models. ANSYS-CFX® software based on finite volume method is used to perform the simulations. In the one-dimensional model, the joint was represented by a single cylinder, composed of six tissue layers. The EES 2016 ® software (V10.104 - Engineering Equation Solver) was used to elaborate the program and equations solutions. The heat transfer phenomenon was modeled by the partial differential heat diffusion equation with the terms of blood perfusion and metabolism. To investigate the impact on tissue temperature distribution, the term of blood perfusion was changed considering the blood perfusion rate constantor as a function of temperature, different blood perfusion values and blood perfusion as function of temperature. The bidimensional simulations of the canine knee during the heating and cooling procedures were performed considering different boundary conditions. The results obtained with these simulations were used to determine the boundary conditions adopted for the one-dimensional simulations of the canine and two-dimensional knee of the human knee during the heating and cooling processes. The results of animal model simulations were compared with in vivo experimental data available in the literature. The simulations of heating and cooling that had the behavior of the temperature of the epidermis as boundary condition presented the best results. The different blood perfusion values, tested under the neutrality and heating conditions, affected the simulations results only when the blood perfusion rate was considered constant. The best results were obtained when the perfusion rate was considered as a function of temperature, representing, more faithfully, the mathematical modeling proposed by Pennes. In all simulations, the lowest percentage differences were found when blood perfusion was also considered as a function of temperature. The two-dimensional simulations presented percentage differences with the experiment close to those obtained with the one- dimensional simulation, showing that both are capable of representing the phenomenon analyzed. The numerical simulations performed in the present study were an important tool for the noninvasive evaluation of the temperature distribution in the knee joint. |
Subject: | Engenharia mecânica Bioengenharia Análise numérica Articulações Joelhos |
language: | por |
metadata.dc.publisher.country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
Publisher Initials: | UFMG |
metadata.dc.publisher.department: | ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA |
metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecanica |
Rights: | Acesso Aberto |
URI: | http://hdl.handle.net/1843/79964 |
Issue Date: | 30-Nov-2017 |
Appears in Collections: | Teses de Doutorado |
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