Estudo experimental das propriedades elásticas de ossos trabeculares utilizando ensaios mecânicos computacionais e microtomografia por raios-X

• Autor(a) principal: Silva, Alessandro Márcio Hakme da
• Data de Publicação: 2014
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
• Texto Completo: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/82/82131/tde-30102014-160356/
• topic: Elementos finitos; Finite element analysis; Human vertebraes; Microtomografia por raio-X (&#956CT); Módulo de Poisson; Módulo de torção; Módulo de Young; Osso trabecular; Poisson's Modulus; Shear's modulus; Trabecular bone; Vértebras humanas; X-Ray microtomograph (&#956CT); Young's Modulus

Ossos trabeculares possuem uma microestrutura porosa e podem ser modelados como um sólido elástico linear, heterogêneo e anisotrópico. A microtomografia tridimensional por raios-x (&#956CT) tem sido mundialmente utilizada para a caracterização de osso trabecular em pesquisas relacionadas à qualidade óssea e a doenças do metabolismo ósseo como a osteoporose. Na literatura existem poucas investigações sobre a influência de diferentes subvolumes amostrais na caracterização de propriedades mecânicas de osso trabecular humano através de &#956CT e ensaio mecânico computacional pelo método de Elementos Finitos. Nesta investigação doze vértebras humanas da região lombar foram utilizadas para a caracterização das propriedades mecânicas do osso trabecular através de &#956CT e modelagem computacional por elementos finitos. Uma amostra cúbica virtual com 18,5 mm de lado foi extraída de cada vértebra e quatro cubos menores centrais foram obtidos a partir dela com reduções de 20%, 40%, 60%, 80% do volume original de cada cubo. A abordagem Direct Mechanics por meio de análise de elementos finitos foi realizada através do Software FAIM (v6.0, Numerics88 Solutions Ltd). Os valores médios nas três direções principais de carregamento para os módulos de Young, Poisson e Torção obtidos foram, respectivamente, E1 = 294 MPa , E2 = 258 MPa , E3 = 153 MPa, G23 = 86 MPa, G31 = 103 MPa, G12 = 100 MPa, v21 = 0,121, v31 = 0,076, v12 = 0,137, v32 = 0,077, v13 = 0,141 e v23 = 0,140. O teste estatístico de Kruskal - Wallis ANOVA fator único foi aplicado com os procedimentos de comparação aos pares (teste de Tukey) mostrou que E1 &#8800 E3, E2 &#8800 E3 e E1 = E2. Isso indica que há a tendência para duas direções diferentes de carregamento mecânico nas amostras de osso trabecular das vértebras humanas analisadas, caracterizando uma simetria transversalmente isotrópica. Entretanto, os autovalores da matriz M (tensor anisotropia) expressaram uma tendência da microestrutura trabecular das vértebras humanas para a simetria ortotrópica, mostrando que a análise do fabric não classifica adequadamente a simetria da estrutura. A avaliação dos parâmetros microestruturais mostrou a tendência de um aumento do grau de conectividade das trabéculas a medida que ocorre uma redução dos subvolumes analisados (100% para 20% ou em milímetros de 18,5 para 3,7) acompanhado de um acréscimo dos valores da fração de volume ósseo. Esta tendência reforça a ideia de analisar-se as possíveis variações dos parâmetros morfométricos e mecânicos em domínios específicos. Em outras palavras, uma avaliação local com a escolha de volumes menores dos parâmetros microestruturais fração de volume, conectividade, espessura trabecular, separação trabecular, número trabecular e parâmetros mecânicos (Módulos de Young, Poisson e Torção) podem melhorar o prognóstico da resistência óssea, a qual prediz o risco de fratura de estruturas de osso esponjoso com precisão. Quando as propriedades mecânicas estão associadas com informações microestruturais por &#956CT são gerados mais parâmetros para se avaliar a qualidade óssea no diagnóstico de doenças do metabolismo ósseo. Portanto, a microtomografia de raios-X e análise de elementos finitos oferecem uma técnica não-invasiva com grande potencial para a avaliação da qualidade óssea.