O Método dos Elementos Finitos na Simulação de Fixadores de Coluna

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1 O Método dos Elementos Finitos na Simulação de Fixadores de Coluna Antonio Marcos dos Santos 1, José B. P. Paulin 2 1,2 Programa de Pós Graduação Interunidades em Bioengenharia (EESC/FMRP/IQSC), Universidade de São Paulo, Brasil, Fone: (16) , Fax: (16) Departamento de Biomecânica, Medicina e Reabilitação do Aparelho Locomotor da FMRP/USP Universidade de São Paulo, Brasil, Fone: (16) , Fax: (16) Resumo Várias são as doenças que podem levar à instabilidade da coluna vertebral. Dentre as principais causas temos: os traumatismos, os tumores e as doenças degenerativas. Ao longo dos anos, muitas técnicas e instrumentais cirúrgicos têm sido desenvolvidos com o objetivo de fixar a coluna vertebral. A Biomecânica tem por sua vez importância fundamental no auxílio da fixação da coluna, onde realiza testes experimentais In Vitro tomando como relações fundamentais à padronização e os ensaios realizados. Através do software CAD SOLID EDGE foram construídos modelos geométricos das peças do fixador e da montagem do conjunto e em seguida transferidos para o software ANSYS 5.5 ANSYS, Inc., que consiste de várias ferramentas para análise do projeto baseado no método dos elementos finitos. Este trabalho servirá para analisar as possíveis deformações sofridas pelo fixador após a aplicação de determinadas cargas em pontos de interesse, além do estudo do comportamento da propriedade dos matérias. Palavras -chave: : Finite elements, internal fixator, simulation Abstract Several they are the diseases that can take to the instability of the spine. Among the principal causes we have: the concussion, the tumors and the degenerative diseases. Along the years, a lot of techniques and you score surgical they have been developed with the objective of fastening the spine. The Biomechanics has a your chance fundamental importance in the aid of the fixation of the column, where it accomplishes experimental tests " In Vitro " taking as fundamental relationships to the standardization and the accomplished rehearsals. Through the software CAD SOLID EDGE geometric models of the pieces of the fixator were built and of the assembly of the group and soon after transferred for the software ANSYS ANSYS, Inc., that consists of several tools for analysis of the project of the method of the finite elements. Key-words : : Finite elements, internal fixator, simulation Introdução A coluna vertebral contém vértebras ósseas alternadas com discos fibrocartilaginosos, conectados por ligamentos fortes e sustentadas por uma musculatura que se estende desde o crânio até à pelve, dando sustentação axial ao corpo. Do ponto de vista macroscópico o sistema muscular proporciona movimento aos ossos que são elementos inertes, assim a coluna vertebral normal tem ampla movimentação. O ser humano possui 33 vértebras sendo 7 cervicais, 12 torácicas, 5 lombares, 5 sacrais e 4 coccígeas (Fig. 1). Cada vértebra tem duas partes distintas: uma anterior, formada pelo corpo vertebral e disco intervertebral, que é um suporte de sustentação e amortecedor de choque; e outra um segmento posterior que consiste em lâmina de arco vertebral, processos espinhoso e

2 transverso e duas facetas articulares; este último segmento tem como função principal à orientação dos movimentos (MERCÚRIO, 1940). montagem. Do ponto de vista do projetista os comandos foram desenvolvidos com a finalidade de acelerar o máximo o desenvolvimento de produtos. Fixador Interno Fig. 1 A coluna vertebral Tipo mais sério de fratura, no qual há risco de deslocamento posterior em virtude da instabilidade é recomendada a fixação interna da região afetada da coluna onde a reabilitação do paciente pode ser acelerada. Ao nível da coluna lombar baixa o emprego da fixação e artrodese monossegmentar apresenta seus maiores benefícios, pelas características anatômicas e importância desse segmento da coluna vertebral. Sua realização é também facilitada pela possibilidade da abordagem anterior retroperitoneal do segmento vertebral lesado, que tem menor morbidade quando comparada com a toracofrenolaparotomia, (DEFINO, H.L.A. et al. 1998). Geralmente a fixação é realizada com bastonetes de Harrington (HARRINGTON, 1962), presos nos processos articulatórios ou lâminas das vértebras apropriadas de modo que a força de extensão ou se necessário de compressão possa ser aplicada (Fig. 2). Assim o segmento lesado ficará de maneira rígida, ao mesmo tempo em que a deformidade pode ser corrigida. O Software Solid Edge É um software CAD parametrizado desenvolvido para engenheiros mecânicos para modelagem sólidos inteligentes, montagens com grande número de componentes, elementos normalizados baseados em cálculos de engenharia e realizar simulações de movimentos. Através dos modelos 3D são construídos os desenhos de vistas e cortes. Desenhos de conjunto e vista explodida são criados ã partir da Fig. 2 Fixador Interno de coluna Com o modelo sólido 3D de peças e montagens consegue-se ver exatamente o que é o projeto e como ele se enquadra na estrutura da montagem antes da construção de uma peça e permite que os engenheiros avaliem visualmente os ajustes, interferências e ambiente de trabalho com maior precisão e de forma rápida (Fig. 3). Fig. 3 - Modelagem no Solid Edge Solid Edge Copyright UGS O Software ANSYS Os usuários do software ANSYS são as indústrias (automobilísticas, aeronáutica, térmica, eletro-eletrônico), em presas de engenharia (construtoras, consultoria, projetos), órgãos governamentais (agências espaciais, militares), universidades. A interatividade gráfica do software é total, ou seja, tanto a nível de processamento

3 como a nível de pós-processamento e poderá ser visualizado através de gráficos, pois o software suporta alta resolução e mais de 256 cores. A linguagem do pacote é parametrizada APDL (ANSYS Parametric Desing Language) permitindo a automatização do processo através de um analisador inteligente ou seja através de um sofisticado sistema de entrada de dados, dando ao usuário o controle total de qualquer parâmetro do projeto como: dimensões, materiais, cargas, restrições e otimizações. Qualquer tipo de problema das diferentes áreas de engenharia existentes, da civil até a eletrônica, passando pela mecânica, biomecânica, química, metalúrgica, pode ser aplicado virtualmente pelo ANSYS. O Método dos Elementos Finitos Esse método foi desenvolvido pelo matemático Courant em 1943, com proposta da divisão da área contínua em regiões triangulares passo a passo. O computador é requerido por causa do número astronômico dos cálculos necessários para uma analise de estrutura grande e devido a potência e o custo baixo de computadores. Na área Médica atua especificamente na Ortopedia e Biomecânica tornando-se uma ferramenta importante para estudos, pesquisas e simulações de problemas mecânicos em ossos, (SHIMANO, 1994). O MEF é um método de simulação que proporciona o dimensionamento e levanta as propriedades geométricas e mecânicas da região óssea. A análise finita do elemento é feita principalmente com softwares comerciais. Estes pacotes podem incluir o pré-processamento que pode criar a geometria da estrutura, ou importá-la de um outro software CAD. Os softwares FEA possuem módulos para analisar o problema definido e para rever os resultados da análise através de formulários impressos e em resultados traçados tais como mapas do contorno da tensão, conjunto de deflexão e gráficos de parâmetros de saída. Fig. 3 - Montagem do Fixador O modelo experimental tinha como finalidade avaliar o efeito de cargas sobre o fixador interno de coluna, respeitando a geometria da montagem (forma, ângulos e distâncias) e as características biomecânicas locais (Fig. 4). Ponto de aplicação das cargas Metodologia O material utilizado no sistema de fixação interna (porca, parafusos, haste e sapatas) é de Titânio ou Alumínio. Foi utilizado a montagem feita na prática clínica para as simulações computadorizada (Fig. 3). 1 Utilização de parafuso maciço; 2 Utilização de haste maciça; 3 Utilização de sapata na fixação da haste; 4 Utilização de rosca; 5 Utilização da montagem do parafuso, haste, sapata, rosca; 6 Avaliação do sistema de fixação. Fig. 4 Aplicação de uma carga de Flexocompressão As peças dos fixadores foram modeladas separadamente através do software Solid Edge por ser parametrizado, trabalhar com features, possuir uma interface amigável e trabalhar com modelagem de sólidos. Após feita a modelagem da haste do Fixador Interno de Coluna no Software Solid Edge Copyright o mesmo foi salvo com uma extensão IGES que possibilitou uma exportação para o

4 Software ANSYS que realizou a simulação do Fixador utilizando Elementos Finitos (Fig. 5). O Software Solid Edge Copyright possui uma interface muito amigável e parecida com a do Windows, sendo assim os comandos básicos para se salvar um arquivo são iguais ao mesmo. condições fossem des critas em uma Seção conhecida. Fig. 6 Direções das tensões e Produções de tensões Fig. 21 Haste do Fixador salvo com a extensão IGES Para a realização das simulações foram necessárias algumas propriedades dos materiais Titânio e Alumínio. Tabela Propriedades dos materiais Em qualquer análise, é necessário partir de uma biblioteca de elementos e definir o mais apropriado. O tipo de elemento determina, entre outras coisas, o conjunto de graus de liberdade (deslocamento, rotações, temperaturas, etc), a forma do elemento (linha, quadrilátero, tetraedro, etc), O resultado final temos o sólido formado por elementos tetraedros (Fig. 7). TITÂNIO Módulo de elasticidade 116 GPa 116*10 3 N/mm 2 Coeficiente de Poisson 0,34 0,34 ALUMÍNIO Módulo de 69* GPa elasticidade N/mm 2 Coeficiente de Poisson 0,38 0,38 São ilustrados vários itens na Figura 6. As direções de tensão do elemento são paralelas ao sistema de coordenadas do elemento. As produções de tensão da superfície estão no sistema de coordenada da superfície e são avaliadas para qualquer face (KEYOPT(6)). O sistema de coordenada para face JIK é mostrado na Figura 6. Os outros sistemas de coordenada da superfície seguem orientações semelhantes como indicado pela pressão da face nodal descrita. A tensão da superfície só é válida se as Fig. 7 Elementos tetraedros do fixador Discussão e Conclusões O trabalho tem por finalidade analisar o comportamento da montagem dos fixadores de coluna vertebral fornecendo valores de cargas em pontos de interesse através da simulação computadorizada utilizando um programa de elementos finitos. Com este tipo de procedimento seria desnecessário a utilização da Máquina Universal

5 de Ensaio passando assim a utilização do computador. Através da simulação podemos analisar o comportamento das propriedades dos materiais e suas possíveis deformações antes de uma cirurgia e também fazer a verificação do comportamento do fixador após alguns movimentos realizados pela coluna vertebral. O trabalho identificou o estudo das propriedades dos matérias provando a maior resistência ao fixador feito de titânio e a maior deformação ao de alumínio. 1. Artigos em Revistas e Anais e Capítulos de Livros Brasil, A.V.B., Coelho, D.G., Leivas, T.P., Pereira, C.A.M., Filho, T.E.P.B., Braga, F.M. - Um método para medida de movimento em estudos biomecânicos de coluna vertebral, v. 34, n. 2, p , Fevereiro. Basile JR., R., Filho, T.E.P.B., Oliveira, R.P., Uhlendorff, E.F.V., Pedrosa, F.M., Nardelli, J., Amatuzzi, M.M. Lesões da coluna vertebral nos esportes. Revista Brasileira de Ortopedia, v. 34, n. 2, p , Fevereiro. Cristante, A.F., Gebrin, A.S., Sorrilha, A., Marcon, R.M., Filho, T.E.P.B., Oliveira, R.P. Novo sistema de classificação das lesões traumáticas da coluna vertebral. Estudo crítico de 100 casos. Revista de Medicina, v. 77, n. 1, p , Jan/Fev. Cunningham, B.W., Sefter, J.C., Shono, Y. McAfee, P.C. Static and cyclical biomechanical analysis of pedicle screw. Spine, v. 18, n. 12, p , May. Defino, H.L.A. et al. fixação monossegmentar das fraturas da coluna toracolom bar. Revista Brasileira de Ortopedia, v. 33, n. 2, p , Fevereiro. Defino, H.L.A., Fluentes, A.E.R., Remondi, P.H., Vallim, E.C. - Avaliação da angulação dos parafusos e utilização do estabilizador transversal na estabilidade do sistema de fixação pedicular. Revista Brasileira de Ortopedia, v. 31, n. 11, Filho, T.E.P.B., Rossi, J.D.M.B.A. Tratamento das fraturas - luxações do segmento toracolombar da coluna pelo método de Harrington Luque. Revista Brasileira de Ortopedia, v. 23, n. 5, p , Maio. Filho, T.E.P.B. & ROSSI, J.D.M.B.A. Prevenção de Fraturas da coluna vertebral. Revista de Medicina, v. 71, n. 6, p , Julho. Harrington, P.R. treatment of scoliosis. Correction and internal fixation by spine instrumentation. J. Bone Joint Surg., p Louis, R. - Fusion of the lumbar sacral spine by internal fixation with screws plates. Clin Orthop, v. 203, p Mercúrio, Ruy O que você deve saber sobre coluna vertebral. 2ª ed., São Paulo, Editora Nobel S.A., p, Serdeira, A., Barros Fº, T. E. P., Puertas, E. B., Filho, J. L., Leivas, T. P. Estudo de implante para fixação do segmento lombossacro da coluna vertebral. Acta Ortopédica Brasileira, v. 08, n. 03, p , Jul/Set. Shimano, A.C. et al. Estabilidade Mecánica de um Sistema de Fixação Vertebral, Anais do Fórum Nacional de Ciência e Tecnologia em Saúde, Curitiba PR, SOUZA, S.A. Ensaios Tecnológicos dos Matérias, ed. McGraw-Hill, Zagottis, D. Conceituação do Método dos Elementos Finitos. Construção Pesada, p , maio. 1.1 Livros e Teses Shimano, A.C. - Análise das Propriedades Geométricas e Mecânicas de Tíbia Humana: Proposta de Metodologia, São Carlos, Dissertação (Doutorado) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo.

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