Research on Biomedical Engineering
https://rbejournal.org/article/doi/10.4322/rbeb.2012.062
Research on Biomedical Engineering
Original Article

Reconstrução e geração de malhas em estruturas biomecânicas tridimensionais para análise por elementos finitos

Reconstruction and mesh generation in three-dimensional biomechanical structures for finite elements analysis

Filho, Paulo Jóia; Sousa, Edson Antonio Capello

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Resumo

Uma das primeiras fases da análise estrutural por elemen­ tos finitos é a criação do modelo geométrico. Este modelo deve representar fielmente a estrutura no que diz respeito a ângulos, dimensões e forma. Quando os objetos de estudo são estruturas biomecânicas, a dificuldade na realização das análises aumenta, primeiro porque as estruturas considera­ das apresentam geometria quase sempre irregular; segundo pela dificuldade na realização de experimentos práticos para fins comparativos, uma vez que os objetos de estudo são, em geral, organismos e tecidos vivos. Inserido, portanto, no con­ texto de Modelagem Científica Computacional, este trabalho procurou aplicar a computação a outras áreas do conhe­ cimento, com o objetivo de criar modelos computacionais para situações em que é inviável testar ou medir as diversas soluções possíveis para um fenômeno a partir de modelos experimentais, neste caso, regiões ósseas. Para atingir este objetivo um programa computacional foi desenvolvido: o bioMeshCreate. O bioMeshCreate é uma aplicação final, inde­ pendente, multi­plataforma, baseada em objetos (Rumbaugh et al., 1991), implementada em C++ com o auxílio de um toolkit de visualização científica, o VTK (The Visualization Toolkit), e seu principal objetivo é reconstruir estruturas ós­ seas tridimensionais a partir de seções planas, normalmente imagens médicas digitais obtidas por exames de tomogra­ fia computadorizada ou ressonância magnética. A aplicação também permite visualizar as fatias planas, gerar a malha sobre a superfície reconstruída, aplicar filtros de redução de elementos e suavização de superfícies, e integrar o volume obtido com softwares de análise por elementos finitos

Palavras-chave

Biomecânica, Elementos finitos, Imagem médica, Reconstrução tridimensional, Geração de malha.

Abstract

One of the first phases of the structural analysis by finite elements is the creation of the geometric model. This model must rigorously rep resent the structure in terms of angles, dimensions and form. When the study objects are biomechanical structures, the level of difficulty in the accomplishment of the analyses increases, firstly because the considered models present geometry almost always irregular, sec ondly for the difficulty for the accomplishment of experiments of this nature, as they involve, in general, organisms and living tis sues. Inserted, therefore, in the context of Scientific Computational Modeling, this work tried to apply the computation to other areas of knowledge, with the objective of creating computational models for situations in which testing or measuring the several possible solu tions for a phenomenon starting from experimental models is not vi able, in this case, bone areas. To reach this purpose, a computational program was developed: the bioMeshCreate. The bioMeshCreate is a final application, independent, multi-platform, object-oriented, de veloped in C++ with the support of a toolkit for scientific visualiza tion, the VTK (The Visualization Toolkit), and its main objective is to rebuild three-dimensional bone structures starting from plane sec tions, usually digital medical images obtained by exams of computed tomography or magnetic resonance. The application also permits to visualize plane slices, to generate the mesh on the rebuilt surface, to apply filters of elements reduction and mesh smoothing and to inte grate the volume obtained with finite elements analysis software, in order to complete the analysis on the obtained structure.

Keywords

Biomechanics, Finite elements, Medical image, Three dimensional reconstruction, Mesh generation.
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