Análise Estrutural via MEF de um Fêmur Reconstruído a partir de Imagens de Tomografia com Mapeamento de Densidades

Abstract

Este artigo apresenta uma análise estrutural por elementos finitos de um fêmur fraturado reconstruído numericamente com mapeamento de propriedades materiais isotrópicas não homogêneas acessadas de imagens de tomografia computadorizada. O modelo sólido foi obtido a partir das imagens de tomografia de um fêmur proximal apresentando uma fratura atípica na região sub trocantérica com deslocamento total e não continuidade entre os fragmentos. A reconstrução envolveu procedimentos tais como: reconstrução volumétrica de imagens, segmentação por thresholding, rotulagem de componentes conectados e também alinhamento de nuvem de pontos utilizando o algoritmo Iterative Closest Point. O sólido tridimensional gerado a partir da nuvem de pontos foi analisado pelo método de elementos finitos. Os valores dos tons de cinza acessados das imagens de tomografia foram convertidos em módulos de elasticidade locais e exportados para o modelo, gerando uma distribuição não homogênea da propriedade material. Outro modelo de elementos finitos com distribuição homogênea de módulo elástico nas regiões cortical e trabecular foi simulado para comparar os resultados. Os valores de tensões e deformações principais obtidos ficaram bastante próximos para a tração. No caso da compressão observaram-se diferenças significativas entre os dois modelos, indicando que o modelo não homogêneo captura melhor o comportamento mecânico na compressão. Os resultados obtidos estão de acordo com o comportamento biomecânico esperado do osso. A exportação de propriedades materiais não homogêneas para o modelo de elementos finitos torna a análise estrutural biomecânica mais realística e adequada ao contexto de modelos específicos para o paciente em estudo. Além disto, o procedimento implementado para a reconstrução de osso fraturado usando imagens de tomografia oferece novas possibilidades para analisar a fratura óssea visto que permite o resgate parcial do estado de tensões e deformações no sólido no momento anterior a falha.