Modelação e Simulação Biomédica

São recomendados os conhecimentos adquiridos nas unidades curriculares de: Desenho e Técnicas de Modelação 3D; Mecânica dos Meios Contínuos.

Na componente teórica da unidade curricular é utilizado o método expositivo associado a momentos de pesquisa a realizar pelos estudantes no decorrer das aulas. Esta metodologia de ensino privilegia a discussão e troca de ideias, pesquisa, identificação e resolução dos problemas pelos próprios estudantes no decorrer da aula, assim como a sua apresentação perante a turma.

Na sequência da aquisição dos conhecimentos teóricos são executados exemplos de aplicação nas aulas laboratoriais. Recorre-se a equipamentos laboratoriais e softwares de apoio à aprendizagem, sendo implementada a metodologia “hands-on”, envolvendo exemplos de utilização, com a orientação e acompanhamento dos docentes. Após a aquisição dos conhecimentos de base, será atribuído um trabalho de grupo, aglutinador, e que pretende aprofundar e cimentar as competências. Os alunos são estimulados a realizar pesquisas bibliográficas que lhes permita conhecer e adquirir o necessário conhecimento científico no âmbito do trabalho a desenvolver e a consubstanciarem esse conhecimento. A componente teórica da unidade curricular deve assim ser versada no trabalho a realizar.

O conhecimento de ferramentas de modelação e simulação é fundamental no contexto da formação em engenharia biomédica. Esta unidade curricular garante aos estudantes o contacto com algumas ferramentas que permitem a abordagem ao desenvolvimento de sistemas biomecânicos de suporte e simulação, em particular no domínio da biomecânica. A unidade curricular compreende uma componente teórica e outra laboratorial, que se interligam, permitindo a manipulação de software e equipamento laboratorial.

A unidade curricular tem como objetivo permitir aos estudantes a aquisição de conhecimentos e competências no domínio da modelação e simulação. Assenta numa forte componente laboratorial, sendo abordada a forma de obter a geometria de elementos da estrutura anatómica humana a partir de uma Tomografia Axial (TAC) ou de uma Ressonância Magnética (RM). Envolve ainda, de modo complementar, o recurso a técnicas de digitalização para gerar e otimizar a geometria de sistemas biomecânicos.

A unidade curricular tem ainda como objetivo a aquisição de conhecimentos e competências de base, numa linha de utilizador, quanto à utilização de ferramentas de simulação computacional, de modo a definir e analisar modelos de previsão do comportamento estrutural de elementos biomecânicos.

Componente Teórica:

Biomecânica das articulações (cartilagem articular; tendões, ligamentos e músculos): Considerações anatómicas; Sua recuperação; Fixação de fraturas; Artroplastias.

Biomecânica dos tecidos e de estruturas do sistema músculo-esquelético: Conceitos e terminologia; Biomecânica da locomoção; Modelos biomecânicos; Análise qualitativa e quantitativa; Antropometria.

Engenharia Inversa em Biomédica: Da segmentação de imagem médica ao modelo 3D. Da digitalização 3D ao modelo 3D; Ferramentas de engenharia inversa; Softwares para reconstrução de imagens médicas a partir de uma Tomografia Axial (TAC) ou de uma Ressonância Magnética (RM).

Simulação computacional: Bases de dados de materiais e dispositivos biomédicos; Seleção de Materiais para dispositivos biomédicos; Classificação e propriedades fundamentais. 

Introdução às ferramentas computacionais de simulação: Softwares comerciais. Conceitos associados aos elementos finitos; Do modelo geométrico ao modelo de elementos finitos; Definição adequada de um modelo de simulação com elementos finitos; Precauções do utilizador.

Componente Laboratorial:

A Plataforma livre de imagem médica 3D Slicer. Exemplos de utilização a partir de uma Tomografia Axial (TAC) e de uma Ressonância Magnética (RM).

Obtenção de modelos 3D a partir de um Scaner. Exemplos de utilização.

Da segmentação de imagem ao modelo 3D. Utilização do software Solidworks e do software Geomagic. Desenvolvimento e implementação de exemplos demonstrativos.

Apresentação do software Solidworks Simulation. Desenvolvimento e implementação de exemplos demonstrativos da análise de componentes mecânicos.

Execução de um trabalho prático aglutinador dos conceitos apreendidos.

NAO

Neto, M. A., Amaro, A., Roseiro, L., Cirne, J. & Leal, R. (2015). Engineering Computation of Structures: The Finite Element Method. Springer. ISBN 978-3-319-17709-0.

Teixeira-Dias, F., Sousa, R., Valente, R. & Pinho-da-Cruz, J. (2010). Método dos Elementos Finitos – Técnicas de Simulação Numérica em Engenharia. ETEP – Edições Técnicas e Profissionais.

Hutton, D. V. (2004). Fundamentals of Finite Element Analysis. McGraw-Hill. ISBN 0072922362

Completo, A., & Fonseca, F. (2019). Fundamentos de Biomecânica: Músculo, Esquelética e Ortopédica. MedicaBook. EAN 78-9898927491

Software:

Solidworks Manual, V. 2023. (https://www.solidworks.com)

Geomagic Manual, V. 2022. (https://www.3dsystems.com)

3D Slicer image computing platform, 2024. (https://www.slicer.org)