ISEP - DM – Engenharia Biomédica
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Browsing ISEP - DM – Engenharia Biomédica by advisor "Belinha, Jorge Américo de Oliveira Pinto"
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- Análise da distribuíção de dose em tratamentos de Radioterapia no Carcinoma da próstata, em pacientes com próteses femoraisPublication . Peixoto, Patrícia Araújo; Belinha, Jorge Américo de Oliveira PintoA radioterapia é uma das modalidades mais usadas para o tratamento do cancro da próstata, apresentando bons resultados quer em termos de controlo tumoral, quer em termos de sobrevida livre de doença. No entanto, pacientes portadores de próteses femorais representam um desafio para a radioterapia. Numa primeira fase, a prótese metálica gera artefacto nas imagens de TC que servem de base para o planeamento do tratamento de radioterapia. Nesse sentido, os scanners de TC devem ser portadores de uma profundidade de bits abrangente para a variação de densidade dos materiais presentes na imagem. As definições do equipamento aliadas a uma curva de calibração adequada permitem gerar imagens com mais qualidade e definição, cujos voxeis apresentam valores de densidade fidedignos. Estas estratégias suportam uma correta delineação de volumes e o cálculo da distribuição de dose, que é objeto do presente estudo. Para o cálculo da distribuição de dose na presença de materiais de alta densidade, é necessária a aplicação de um algoritmo de cálculo que contabilize todas interações da radiação com a matéria. Este trabalho consistiu na avaliação da distribuição de dose de um tratamento de radioterapia para o cancro da próstata em um paciente com prótese femoral. Para essa avaliação, foram testados três materiais de diferentes densidades, aplicados no formato de próteses sólidas, ocas ou combinação de materiais. O paciente alvo do estudo não possuía prótese femoral, de forma a reduzir imprecisões associadas ao artefacto gerado pelo implante, pelo que as densidades dos materiais da prótese foram impostas manualmente. Foram desenvolvidos dois planos de tratamento, aplicados ao paciente em estudo e os mesmos planos simulados para o esse paciente na presença de diferentes próteses femorais. Um dos planos consistiu numa irradiação ao longo de 360°, enquanto o plano alternativo possuía uma secção de bloqueio de irradiação, com o intuito de evitar a irradiação direta da prótese. Das simulações geradas foi avaliado o prejuízo em termos de cobertura do volume alvo, bem como o impacto na dose recebida pelas estruturas saudáveis circundantes. Adicionalmente ao foco deste estudo foi feita uma simulação do comportamento da radiação na interface tecido-implante, através de um campo direto à prótese femoral. Para esta avaliação foram definidos três pontos anteriores à prótese e três pontos posteriores, nos quais foi registada a dose detetada
- Development of a 3D computational heart model for virtual and augmented realityPublication . Almeida, Rita Marques; Belinha, Jorge Américo de Oliveira PintoThe work described in this dissertation is part of the field of technology applied to health, particularly cardiovascular diseases, and aims to develop a parameterized 3D model of the heart for virtual and augmented reality, using techniques such as the finite element method (FEM). This development can be used in the areas of education and/or training, by medical/nursing students, using virtual or augmented reality, as it allows them to virtually learn the various clinical tasks/surgical procedures, taking the pressure off the patient's injury/death and, in the future, minimizing the errors made during the procedure and leading to a better outcome for the patient and less associated costs. In addition, this tool can be implemented as an aid to the analysis of medical images currently used, such as computed tomography, so that the diagnosis can be more complete. This development focused on the study of the heart, since cardiovascular diseases, which include this organ, have high prevalence rates and are on the rise, which is a huge economic burden for the health systems of industrialized countries. A computerized tomography scan was used to build the model and, through the use of various tools, a 3D model was built that allows the different structures that make up the heart to be identified. In order to test its effectiveness, the model was run on a finite element tool and functional models were obtained.
- Development of computational techniques to explicitly simulate angiogenesisPublication . Sousa, Tomás Almeida de; Belinha, Jorge Américo de Oliveira PintoA angiogénese é o processo pelo qual os novos capilares são formados a partir da vasculatura pré-existente e é um evento fulcral na cicatrização de feridas e no crescimento de tumores. Compreender os mecanismos pelos quais a angiogénese é regulada é fundamental para desenvolver novas terapias para tumores ou feridas crónicas. Os biomateriais são candidatos a ser utilizados em futuras terapias que envolvam tanto inibição como indução da angiogénese. Contudo, estudar in vivo os efeitos dos biomateriais na angiogénese é financeiramente dispendioso e existem várias variáveis que são difíceis de controlar. O desenvolvimento de modelos in silico surge como uma opção para testar hipóteses num ambiente completamente manipulável que proporciona resultados comparáveis com estudos experimentais. Neste trabalho um método numérico 2D que simula a angiogénese é proposto. O modelo computacional considera que as células endoteliais migram de acordo com uma equação de reação-difusão que governa o fator de crescimento endotelial vascular (VEGF) e utiliza um método sem malha para resolver as equações que o governam. Um ensaio de angiogénese in vivo foi utilizado para obter redes capilares comparáveis às obtidas pelo modelo. Os efeitos na angiogénese da difusão constante e variável de VEGF por parte de um biomaterial foram estudados. Verificou-se a migração de células endoteliais na direção da maior concentração de VEGF e a obtenção de redes capilares realistas. A uma difusão constante, quão maior a concentração de VEGF no biomaterial mais rápido as células endoteliais começavam a migrar na sua direção e a penetrá-lo. A uma difusão variável, a penetração do biomaterial por parte dos capilares ocorreu em concentrações mais elevadas de VEGF em comparação com resultados obtidos para uma concentração constante. O modelo apresentou bons resultados de acordo com a literatura e foi validado com sucesso recorrendo ao ensaio in vivo. Contudo, os resultados referentes às simulações com o biomaterial ainda requerem validação experimental.
- Simulação Biomecânica de Células de Eritrócitos e Ovalócitos utilizando Diferentes Técnicas NuméricasPublication . Gomes, Nelma Marques; Belinha, Jorge Américo de Oliveira PintoOs eritrócitos saudáveis são células fundamentais do sangue humano, apresentando geralmente a forma de um disco bicôncavo. Devido à sua conformação, estas células possuem capacidades únicas de sofrer deformação celular, o que lhes facilita a passagem por capilares mais pequenos que o seu diâmetro, enquanto transportam o oxigénio e o dióxido de carbono. Cada vez mais, existem estudos que apontam que a deformabilidade dos eritrócitos é afetada por certas condições patológicas, tais como Esferocitose Hereditária, Eliptocitose Hereditária, Ovalócitose Hereditária, Doença Falciforme, entre outras. Estudos indicaram que a deformabilidade dos eritrócitos infetados com P. falciparum é mais reduzida, pois existe um aumento na rigidez dos glóbulos vermelhos. A esferocitose hereditária é caracterizada pela presença de eritrócitos de formato esferócito. Por outro lado, na eliptocitose hereditária os eritrócitos apresentam formato elíptico e, na ovalócitose, os eritrócitos são arredondados ou ovoides. Estas irregularidades na forma dos glóbulos vermelhos, assim como outras características, podem fornecer importantes informações na determinação de um diagnóstico. Esta dissertação tem como objetivo determinar a frequência de vibração livre de modelos tridimensionais de eritrócitos humanos saudáveis e com patologia. Deste modo, é possível compreender como é que estas células reagem quando é induzida uma determinada frequência de vibração, o que pode vir a ser utilizado como forma de diagnóstico. Para isso, recorreu-se à literatura para obter as suas características geométricas e as suas respetivas propriedades mecânicas, tanto para o estado saudável como para a ovalócitose, a patologia considerada para o presente trabalho. As metodologias utilizadas foram o Método dos Elementos Finitos e o Método de Interpolação de Ponto Radial. Assim, no futuro, pretende-se que o trabalho desenvolvido neste projeto ajude no desenvolvimento de novas ferramentas de diagnóstico e de novas alternativas terapêuticas de modo a combater as doenças associadas a este tipo de células.
- Simulação biomecânica de implantes dentários “all-on-four” recorrendo a método sem malhaPublication . Pereira, Carlos Manuel Carvalho; Belinha, Jorge Américo de Oliveira PintoO edentulismo, ou perda dentária, é dos piores problemas a nível da saúde oral. Normalmente, é o resultado de efeitos acumulativos de outras doenças orais combinados com alguns fatores socioeconómicos. A falta de dentes tem um impacto direto na qualidade de vida da pessoa, uma vez que, esta perda dentária leva a uma capacidade funcional deficiente, bem como a desafios nutricionais, estéticos e psicológicos, como baixa autoestima e baixa integração social. Estima-se que no ano de 2010, existiam cerca de 158 milhões de pessoas afetadas com esta condição [1]. Os implantes dentários surgiram como solução para este problema, existindo presentemente várias soluções em forma e em tipo de material. No sentido de garantir o sucesso a longo prazo do implante, é de extrema importância que este seja o mais adequado para determinada situação e patologia. Adicionalmente, é necessário que o implante seja confortável (mimetize a dentição natural) e que os materiais utilizados resistam às cargas instaladas. Para realizar estes estudos biomecânicos, surgem as simulações numéricas, como o Método dos Elementos Finitos e Método Sem Malha. Hoje em dia, o método numérico mais utilizado para simular problemas dentários é o Método dos Elementos Finitos. No entanto, este apresenta algumas desvantagens numéricas. Assim, a comunidade científica tem presenciado a implementação e desenvolvimento dos Métodos Sem Malha, que são métodos numéricos mais flexíveis e precisos, principalmente na obtenção do campo de tensões. O objetivo deste trabalho passa pela extensão dos Métodos Sem Malha à análise elástica e estática de implantes em barra complexos, bem como estudar as implicações numéricas da interface osso-implante.
- Simulação biomecânica de próteses para cãesPublication . Teixeira, Mariana Filipa Madanços; Belinha, Jorge Américo de Oliveira PintoCom a evolução da tecnologia na medicina veterinária ao longo do tempo, a indústria das próteses nesta área tem vindo a progredir também. As próteses de substituição de membros permitem estabilizar a marcha e proporcionam uma melhor qualidade de vida. No entanto, os métodos de fabrico convencionais não são baratos. A impressão 3D é de elevado interesse para o campo da indústria protética animal, uma vez que permite o fabrico personalizado, mais rápido e barato que o convencional. Para garantir o sucesso de uma prótese a longo prazo, é essencial assegurar a sua fiabilidade e estabilidade. Uma simulação numérica eficiente é fundamental para prever problemas estruturais neste tipo de dispositivo. A definição correta das propriedades dos materiais usados e da magnitude e direção das forças envolvidas no processo são também fatores essenciais na simulação numérica, podendo mesmo determinar o sucesso ou o fracasso da prótese. Atualmente, o método numérico mais utilizado para simular problemas estruturais biomecânicos é o Método dos Elementos Finitos. O presente trabalho visa desenhar cinco próteses diferentes para substituição de um membro torácico num cão, bem como fazer a sua análise aplicando o Método dos Elementos Finitos. De seguida, pretende-se escolher a prótese que melhor se adequa ao animal e produzi-la numa impressora 3D. Os resultados da análise obtidos para a prótese que foi impressa indicaram que esta é suficientemente forte para resistir às tensões e forças exercidas pelo paciente canino aquando da sua locomoção, sendo este dispositivo do comprimento correto para redistribuir o peso por quatro membros e estabilizar a marcha do canino. Futuramente, deverão ser realizados ensaios de fadiga na prótese impressa para determinar tanto o tempo de uso como os limites de tensão a que pode estar sujeita.
- Simulação Numérica de um Implante Tibial e Previsão da Remodelação Óssea após a sua InserçãoPublication . Moreira, Catarina Cardoso; Belinha, Jorge Américo de Oliveira PintoA Artroplastia Total do Joelho (ATJ) é um dos procedimentos cirúrgicos com maior taxa de aplicação, tornando-se o método padrão ouro para osteoartrite avançada do joelho. Porém, as próteses de joelho empregues nos dias de hoje ainda necessitam de soluções de design apropriadas. O presente trabalho teve como principais finalidades o estudo computacional do comportamento mecânico de um implante para a articulação do joelho, bem como do processo de remodelação óssea que ocorre na tíbia após a inserção do implante. Assim, ao longo desta dissertação, foi feita uma revisão bibliográfica, a qual inclui as noções essenciais para a compreensão do estudo em questão. Inicialmente, realizou-se uma abordagem teórica acerca do tecido ósseo em geral, assim como do seu processo de remodelação. Estudou-se também a articulação do joelho e os diversos tipos de implantes que já existem no mercado para esta articulação. De seguida descreveu-se os métodos numéricos a utilizar (MEF e RPIM) e fez-se uma breve revisão do estado da arte da aplicação dos mesmos neste contexto. Posteriormente e já na parte prática deste trabalho, investigou-se como os parâmetros de design do implante, a geometria da haste neste caso, afetam a performance da prótese. Utilizou-se uma tomografia computadorizada de uma tíbia para simular múltiplas configurações de ATJs e assim se proceder às análises, recorrendo ao MEF e ao RPIM. Através dos resultados obtidos, concluiu-se que com a introdução do implante, as tensões na tíbia aumentam ligeiramente, mas os valores do campo de deslocamentos diminuem. Contatou-se também que uma haste mais curta é o ideal. Por fim, através da combinação do MEF com um algoritmo de remodelação óssea, simulou-se o processo de remodelação óssea que ocorre na tíbia, após a inserção do implante.
- The Biomechanical Analysis of Bone Callus using a Meshless MethodPublication . Oliveira, Andreia Filipa Fernandes; Belinha, Jorge Américo de Oliveira PintoO osso é um tecido fisiologicamente dinâmico e que quando lesionado tem a capacidade de se reparar com o próprio tecido, não envolvendo um tecido cicatrizante, ao contrário de outros tecidos. Esta característica torna-o particularmente interessante para investigar os processos inerentes de fraturas ósseas. A maior parte das fraturas cicatriza através de uma sequência de processos de diferenciação de tecidos, desde os processos iniciais de hematoma, aos tecidos conjuntivos, e através da cartilagem ao osso. No entanto, qualquer falha neste processo pode resultar em uniões tardias, más uniões ou não uniões. A compreensão na totalidade deste processo ainda constitui um desafio. Os mecanismos que envolvem os processos de estimulação mecânica não se encontram bem compreendidos, em consequência da complexidade dos testes experimentais in vivo, que se tornam dependentes de dados in vitro, tornando difícil validar os pressupostos biológicos. Consequentemente, os modelos computacionais têm demonstrado serem bastante úteis e eficazes na investigação sobre a cicatrização óssea. Desta forma, com o presente trabalho foi possível analisar as condições mecânicas de um calo ósseo resultante de uma fratura, assim como compreender as metodologias de análise numérica aplicadas. O modelo teve por base um estudo in vivo de forma a obter uma variação temporal progressiva da forma do calo e das propriedades mecânicas durante a cicatrização óssea. Com este modelo obtiveram-se os campos de tensão e deformação nas diferentes fases do processo de regeneração, obtendo-se resultados que se encontram em conformidade com a literatura. Adicionalmente, foi aplicado um algoritmo de remodelação óssea em combinação com o Radial Point Interpolation Method (RPIM) que foi capaz de reproduzir as condições apresentadas pela respetiva imagem histológica nesta fase. Por último, espera-se que os trabalhos desenvolvidos neste âmbito possibilitem a conceção de estratégias mais precisas e eficazes tanto para o tratamento como para aceleração da cura. De forma complementar, encontram-se em desenvolvimento modelos específicos dos pacientes e que incorporam variabilidade genética.