Determinação de esforços musculo-esqueléticos e sua aplicação na análise estrutural do osso esquelético utilizando a dinâmica de sistemas multicorpo e o método dos elementos finitos

Orientador: Dr Miguel Pedro Tavares da Silva

Enquadramento

A análise estrutural do osso esquelético é geralmente feita através da utilização de modelos matemáticos definidos com base no método dos elementos finitos (MEF) e que permitem determinar as tensões e extensões geradas por um determinado conjunto de carregamentos exteriores e de condições de fronteira aplicados sobre o modelo em análise. Os modelos apresentam geralmente uma elevada complexidade sendo as características geométricas e materiais da estrutura óssea definidas com elevado rigor e detalhe. Em termos de resposta, estes modelos apresentam geralmente um comportamento tridimensional, fornecendo dados fundamentais para diversas áreas da engenharia biomédica. No entanto, na sua grande maioria, estes são modelos estáticos, i.e., a análise é feita para um conjunto de carregamentos constantes, normalmente associados a uma dada postura estática, não sendo geralmente considerados casos dinâmicos onde a estrutura em análise se encontre em movimento, e onde, consequentemente, existam grandes deslocamentos, rotações e variações de velocidade. São essencialmente duas as razões que levam os modelos a não contemplar casos dinâmicos: i) pouca versatilidade do Método dos Elementos Finitos (FEM) em lidar com problemas dinâmicos; ii) dificuldade em quantificar as cargas dinâmicas produzidas pelos músculos e transmitidas pelas articulações durante a execução de um dado movimento da estrutura musculo-esquelética.

Objectivos

O objectivo deste trabalho é desenvolver um modelo biomecânico computacional, com base na utilização de metodologias de Dinâmica de Sistemas Multicorpo (MSD), que permita o cálculo das forças musculo-esqueléticas desenvolvidas durante a execução de um dado movimento, sobre um dado componente ósseo, cuja análise estrutural dinâmica se pretende realizar. Por sua vez será construído um modelo em FEM do componente ósseo que irá receber as forças dinâmicas calculadas através modelo MDS. Os dois modelos encontrar-se-ão integrados numa única ferramenta computacional que reunirá a versatilidade dos modelos MDS no cálculo das forças dinâmicas desenvolvidas na estrutura musculo-equelética e a robustez dos modelos FEM no cálculo de tensões e extensões do componente ósseo em análise. O modelo multicorpo deverá ainda incluir a dinâmica de contracção muscular através da utilização de modelos musculares do tipo Hill, sendo o problema da redundância muscular resolvido utilizando métodos de optimização estática.

Descrição

Plano de trabalhos (para 14 semanas): 1.Pesquisa bibliográfica . Pesquisa sobre outros trabalhos e modelos de caracter semelhante. . Estado da técnica sobre modelos hibridos MSD e FEM. . Pesquisa sobre os diferentes modos de resolver o problema redundante. . Pesquisa sobre os diferentes critérios de optimização estática. 2.Construção do modelo computacional . Criação do modelo de corpos múltiplos. . Criação do sistema muscular esquelético para o sistema em estudo. . Criação do módulo de optimização estática para resolução do problema redundante. . Criação do modelo de elementos finitos da estrutura óssea a analizar. . Acopolamento dos dois modelos e construção da ferramenta computacional integrada. 3.Recolha de Resultados . Aquisição laboratorial da cinemática, cinética e electromiografia relativa ao movimento seleccionado. . Correlação os resultados obtidos no modelo computacional desenvolvido com os obtidos noutros estudos. 4.Elaboração do Relatório Final . Escrita da tese de mestrado

Requisitos: (e.g. média,disciplinas concluídas)

Programação MATLAB, FORTRAN. Utilização de software de FEM.

Resultado esperado

Como resultado pretende-se que deste trabalho resulte um modelo computacional, de resposta tridimensional, da estrutura músculo-esquelética de uma parte do corpo humano e que permitirá realizar a análise estrutural dinâmica com cálculo de tensões e extensões de um componente ósseo pertencente a essa estrutura esquelética. Será um modelo de aplicação genérica, podendo ser utilizado como ferramenta de análise e apoio à decisão em situações de projecto, análise de performance e diagnóstico clínico.