Dissertação

{en_GB=Bone remodelling model including overload simulation} {} EVALUATED

{pt=O osso é um tecido dinâmico que altera as suas características consoante o ambiente mecânico a que está sujeito. Segundo Julius Wollf, quando o estímulo mecânico é elevado, o osso aumenta a sua densidade; por outro lado, quando o estímulo é baixo, a densidade óssea diminui. Modelos de remodelação óssea têm vindo a ser desenvolvidos, a fim de modelar computacionalmente este comportamento. Contudo, em situações mecânicas extremas, o osso pode perder densidade devido à sobrecarga, o que não está presente na maioria dos modelos desenvolvidos. Este trabalho tem como objectivo o desenvolvimento de um modelo matemático de remodelação óssea que tenha em conta a diminuição de densidade devido à sobrecarga mecânica, utilizando a deformação como estímulo. O desempenho do modelo é avaliado e comparado com outros existentes na literatura. Para tal, um modelo de elementos finitos de duas vértebras e de um fémur são utilizados, com e sem próteses implantadas. Ambos os modelos matemáticos são testados com e sem sobrecarga incorporada e as diferenças obtidas analisadas. Os resultados obtidos são qualitativamente semelhantes para ambos os modelos matemáticos e é possível observar a diminuição da densidade devido à sobrecarga, maioritariamente nas regiões do osso em contacto com a prótese. Também é possível concluir que quando a prótese é implantada em osso de menor densidade este fenómeno é mais proeminente. Apesar de este trabalho ter permitido simular a sobrecarga óssea, testes mais complexos deverão ser feitos ao modelo para garantir o seu bom desempenho em casos de estudo reais., en=Bone is a dynamic tissue that adapts its form, size and structure to the mechanical environment. According to Julius Wolff, bone density increases if the mechanical stimulus is high and it decreases if it is low. This behavior has been modelled computationally, using mathematical models, called bone remodelling models. However, under extreme mechanical conditions, bone density may decrease due to excessive stimulus, which is not present in the majority of the mathematical models developed. This phenomenon is called overload resorption. In this work, a novel mathematical model is proposed for bone remodelling, using strain as mechanical stimulus, which takes in consideration bone resorption due to overload. The performance of this model is evaluated and compared to existing models in the literature. For this, finite element models of two vertebrae (two dimensional) and of a femur (two and three dimensional) are used, with and without prostheses implanted. The mathematical models are tested with and without overload incorporated and the differences obtained are analyzed. The results obtained using both mathematical models are qualitatively similar and it is possible to observe bone resorption due to overload, mainly in bone regions contacting with the prosthesis. It is also possible to conclude that the overload phenomenon is more prominent when the prosthesis is implanted in low density bone. The work developed allowed to simulate bone resorption due to overload. However, the mathematical model should be further tested, using more complex finite element models to assure its good performance in real case studies.}
{pt=Modelos de remodelação óssea, Sobrecarga mecânica, Método dos elementos finitos, Mecânica Computacional, en=Bone remodelling model, Bone overload, Finite element method, Computational Mechanics.}

Abril 12, 2018, 14:30

Publicação

Obra sujeita a Direitos de Autor

Orientação

ORIENTADOR

Carlos Miguel Fernandes Quental

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Colaborador Docente

ORIENTADOR

João Orlando Marques Gameiro Folgado

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Associado