Modelagem computacional da coluna torácica em idade infantil : avaliação da contribuição da cifose retificada no possível desenvolvimento da escoliose idiopática do adolescente
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Computational modeling of the thoracic spine in children
Primeiro orientador
Membros da banca
Estevam Barbosa de Las Casas
Robinson Esteves Santos Pires
Carlos Rodrigo de Mello Roesler
Robinson Esteves Santos Pires
Carlos Rodrigo de Mello Roesler
Resumo
A coluna vertebral é uma estrutura complexa e fundamental para o movimento e estabilidade
do corpo humano. A escoliose idiopática do adolescente é uma deformidade da coluna vertebral
que atinge a população de 10 a 16 anos e não há causa totalmente conhecida. Entretanto, alguns
autores atrelaram o desenvolvimento e/ou progressão da doença com a hipocifose na região
torácica. O Método dos Elementos Finitos vem sendo largamente utilizado para investigar o
comportamento biomecânico da coluna vertebral e são muitos os estudos que tentam entender
a mecânica da Escoliose Idiopática do Adolescente. Nesse contexto, o presente estudo se propõe
a investigar numericamente, através do Método dos Elementos Finitos, a biomecânica da coluna
torácica com geometria infantil, em condição de cifose normal e retificada, sob diversas
condições de carregamento. Para melhor entendimento do tema foi elaborada uma revisão
bibliográfica sobre a coluna vertebral humana, a Escoliose Idiopática do Adolescente,
fundamentos de Mecânica do Contínuo, Método dos Elementos Finitos e estado da arte. Para
definição da malha de elementos finitos foi desenvolvido um estudo preliminar da unidade
funcional de coluna T7T8 para estudo de convergência e qualidade de malha. Em seguida
foram desenvolvidas as malhas de elementos finitos para os seguimentos em cifose e retificado.
As vértebras dos modelos foram simuladas como materiais elásticos lineares e os discos
intervertebrais como materiais hiperelásticos isotrópicos. Apesar de saber que os discos
intervertebrais são estruturas não lineares com comportamento anisotrópico devido às fibras de
colágeno, estudos preliminares aqui efetuados demonstraram que as propriedades isotrópicas
hiperelásticas representam mais adequadamente o problema proposto em termos de
deformação. Além do carregamento axial fisiológico foram aplicados no platô superior da
vértebra T5 momentos de flexão e extensão. Por fim, os resultados mostraram maior
instabilidade do segmento retificado, principalmente quando exposto a carregamentos de
extensão, com maiores deslocamentos e deformações. Ainda, o deslocamento lateral da coluna,
característica da escoliose, foi mais expressivo no segmento retificado, o que intensifica a
hipótese de que a retificação da cifose pode estar atrelada ao desenvolvimento e/ou progressão
da escoliose. Finalmente, apesar das limitações inerentes a este estudo, a simulação
computacional aqui apresentada é coerente com os dados da literatura e se mostra uma
ferramenta adequada para estudos biomecânicos da coluna.
Abstract
The spine is a complex structure that is fundamental to the movement and the stability of the
human body. Adolescent Idiopathic Scoliosis is a spinal deformity that affects the population
aged between 10 and 16 years with no fully known cause. However, some authors link the
development and/or progression of the disease to hypokyphosis in the thoracic region. The
Finite Element Method has been widely used to investigate the biomechanical behavior of the
spine and there are many studies that try to understand the mechanics of Adolescent Idiopathic
Scoliosis. In this context, the present study proposes to numerically investigate, through the
Finite Element Method, the biomechanics of the thoracic spine with child geometry for normal
and rectified kyphosis conditions, under several loading conditions. For a better understanding
of the subject, a literature review was prepared on the human spine, Adolescent Idiopathic
Scoliosis, Fundamentals of Continuum Mechanics, Finite Element Method, and state of the art.
To define the finite element mesh, a preliminary study of the T7T8 spine functional unit was
developed to study mesh convergence and quality. Then, finite element meshes were developed
for the kyphosis and rectified segments. The vertebrae of the models were simulated as linear
elastic materials and the intervertebral discs as isotropic hyperelastic materials. Despite
knowing that intervertebral discs are nonlinear structures with anisotropic behavior due to
collagen fibers, preliminary studies carried out here demonstrated that the hyperelastic isotropic
properties more adequately represent the proposed problems in terms of deformation. In
addition to the physiological axial loading, flexion and extension moments were applied at the
top of T5. Finally, the results showed greater instability of the rectified segment, especially
when exposed to extension loads, with greater displacements and deformations. Furthermore, a
more expressive displacement in the frontal plane was observed in the rectified segment, which
intensifies the hypothesis that kyphosis rectification may be linked to the development and/or
progression of scoliosis. Finally, despite the limitations inherent to this study, the computer
simulation presented here is consistent with the literature data and appears to be a suitable tool
for biomechanical studies of the spine.
Assunto
Engenharia de estruturas, Coluna vertebral, Escoliose, Método dos elementos finitos
Palavras-chave
Coluna vertebral, Disco intervertebral, Hiperelasticidade, Método dos elementos finitos, Escoliose
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