Publicação

Identificação numérica e experimental das propriedades elásticas do tecido ósseo cortical ao nível do órgão

Detalhes bibliográficos
Resumo:	O objetivo central desta dissertação é o desenvolvimento de um protocolo para a identificação das propriedades elásticas do tecido ósseo cortical através de ensaios mecânicos à escala do osso (órgão), que seja uma alternativa aos ensaios mecânicos convencionais que empregam provetes com formas geométricas simples e excisados da diáfise dos ossos longos. O trabalho incidiu sobre o tecido cortical de tíbias, fémures e úmeros de cabras jovens. Para o efeito, foram realizados ensaios de flexão em três pontos na diáfise dos referidos ossos e ensaios de compressão numa secção central dessas diáfises. O ensaio de flexão em três pontos destina-se à identificação do módulo de elasticidade longitudinal. Cada ensaio de flexão foi instrumentado com três sensores de Bragg em fibra ótica, para a medição das deformações lineares na direção longitudinal das diáfises. Foram empregues dois métodos de tratamento da informação experimental (força e deformações lineares), para a determinação do módulo de elasticidade longitudinal: um método direto e um método inverso. O método direto baseia-se na teoria de vigas de Bernoulli-Euler e requer apenas as grandezas medidas diretamente nos ensaios experimentais. O método inverso combina a informação experimental com a simulação por elementos finitos do ensaio de flexão em três pontos, através de um algoritmo de otimização. Para cada diáfise tibial foi elaborado um modelo de elementos finitos, a partir de imagens obtidas por tomografia axial computorizada. Os resultados obtidos revelaram que o método direto subestima, até pelo menos 26%, o valor do módulo de elasticidade longitudinal. O ensaio de compressão na secção central das diáfises visa a identificação das propriedades elásticas do tecido ósseo cortical no plano de simetria RT (radial-tangencial), admitindo que o tecido ósseo é transversalmente isotrópico: o módulo de elasticidade transversal, ER=ET, e o coeficiente de Poisson RT. Nestes ensaios foi utilizada a técnica da correlação digital de imagem, para a medição das deformações no plano RT. A identificação das propriedades elásticas baseou-se nestes campos de deformações e na força resultante aplicada nos provetes. Para o efeito foi implementado um método de identificação inversa, que combina a mencionada informação experimental com os resultados da simulação dos ensaios por elementos finitos, através de um algoritmo de otimização. Para cada provete dos ensaios de compressão foi construído um modelo de elementos finitos que reproduzem a sua geometria real, a partir de imagens digitais de luz branca. Os resultados obtidos nos ensaios de compressão mostraram que a metodologia desenvolvida apenas permite a identificação do módulo de elasticidade transversal (ER=ET).
Autores principais:	Pereira, Beatriz Carvalho
Assunto:	Tecido ósseo cortical Propriedades elásticas
Ano:	2017
País:	Portugal
Tipo de documento:	dissertação de mestrado
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
Idioma:	português
Origem:	Repositório da UTAD

Descrição
Resumo:	O objetivo central desta dissertação é o desenvolvimento de um protocolo para a identificação das propriedades elásticas do tecido ósseo cortical através de ensaios mecânicos à escala do osso (órgão), que seja uma alternativa aos ensaios mecânicos convencionais que empregam provetes com formas geométricas simples e excisados da diáfise dos ossos longos. O trabalho incidiu sobre o tecido cortical de tíbias, fémures e úmeros de cabras jovens. Para o efeito, foram realizados ensaios de flexão em três pontos na diáfise dos referidos ossos e ensaios de compressão numa secção central dessas diáfises. O ensaio de flexão em três pontos destina-se à identificação do módulo de elasticidade longitudinal. Cada ensaio de flexão foi instrumentado com três sensores de Bragg em fibra ótica, para a medição das deformações lineares na direção longitudinal das diáfises. Foram empregues dois métodos de tratamento da informação experimental (força e deformações lineares), para a determinação do módulo de elasticidade longitudinal: um método direto e um método inverso. O método direto baseia-se na teoria de vigas de Bernoulli-Euler e requer apenas as grandezas medidas diretamente nos ensaios experimentais. O método inverso combina a informação experimental com a simulação por elementos finitos do ensaio de flexão em três pontos, através de um algoritmo de otimização. Para cada diáfise tibial foi elaborado um modelo de elementos finitos, a partir de imagens obtidas por tomografia axial computorizada. Os resultados obtidos revelaram que o método direto subestima, até pelo menos 26%, o valor do módulo de elasticidade longitudinal. O ensaio de compressão na secção central das diáfises visa a identificação das propriedades elásticas do tecido ósseo cortical no plano de simetria RT (radial-tangencial), admitindo que o tecido ósseo é transversalmente isotrópico: o módulo de elasticidade transversal, ER=ET, e o coeficiente de Poisson RT. Nestes ensaios foi utilizada a técnica da correlação digital de imagem, para a medição das deformações no plano RT. A identificação das propriedades elásticas baseou-se nestes campos de deformações e na força resultante aplicada nos provetes. Para o efeito foi implementado um método de identificação inversa, que combina a mencionada informação experimental com os resultados da simulação dos ensaios por elementos finitos, através de um algoritmo de otimização. Para cada provete dos ensaios de compressão foi construído um modelo de elementos finitos que reproduzem a sua geometria real, a partir de imagens digitais de luz branca. Os resultados obtidos nos ensaios de compressão mostraram que a metodologia desenvolvida apenas permite a identificação do módulo de elasticidade transversal (ER=ET).