Com o advento dos computadores surgiram problemas de saúde associados à tarefa da digitação, causados, principalmente, pela posição estática do corpo, pela repetitividade de movimentos dos membros superiores, pelas forças envolvidas, etc. Na tentativa de relacionar esses fatores com os distúrbios, iniciou-se, na década de 90, o estudo da força aplicada nos teclados de computador. O objetivo principal deste trabalho é desenvolver uma plataforma para medir a força aplicada nas teclas do teclado de um computador durante a digitação, para utilização em biomecânica. Foi projetada e construída uma plataforma de força que mede a força vertical, Fz, (direção z), a força horizontal (e transversal) ao teclado, Fy, (direção y) e o momento aplicado no eixo horizontal e longitudinal ao teclado, Mx, (eixo x). Com estes três componentes é possível, numa análise bidimensional (2D), determinar a magnitude do vetor força resultante, seu ângulo com plano horizontal e o ponto de aplicação sobre a superfície da tecla. Os sensores utilizados foram os extensômetros de resistência elétrica, colados em placas que deformam-se principalmente por flexão; estes sensores são ligados em ponte completa de Wheatstone para cada canal de aquisição, Fx, Fy e Mx. Foi construído um modelo em madeira, PVC e acrílico, na escala 4,5:1, para auxiliar na busca de soluções de problemas de construção. Com o objetivo de aperfeiçoar o modelo conceitual criado, utilizou-se modelamento numérico (elementos finitos) Os sinais adquiridos para cada canal são independentes, não necessitando de operações posteriores. O sistema de aquisição é composto por um computador para armazenar e posteriormente tratar matematicamente os dados coletados, por uma placa de aquisição (A/D) de dados, um condicionador de sinais e o programa SAD 2.0 para aquisição e processamento de dados. A linearidade da plataforma de força permaneceu dentro dos limites de 3 % durante a calibração estática. Os testes dinâmicos mostraram que a plataforma possui freqüência fundamental superior a 2300 Hz, o que permite que ela seja utilizada com segurança para a análise de forças aplicadas durante a digitação.

O principal objetivo deste estudo foi propor uma metodologia para calcular da força de contato patelofemoral in vivo durante uma atividade dinâmica. Para isso, um protocolo foi operacionalizado permitindo a determinação de parâmetros biomecânicos das articulações tibiofemoral e patelofemoral. Especificamente, os parâmetros determinados foram: centro de rotação tibiofemoral, centro de rotação patelofemoral, linha de ação do ligamento patelar, linha de ação do músculo quadríceps, distância perpendicular do ligamento patelar, distância perpendicular do músculo quadríceps, força do ligamento patelar e força do músculo quadríceps. Para a determinação dos parâmetros foram utilizadas imagens radiográficas dinâmicas, obtidas no plano sagital, de um indivíduo executando um exercício de extensão de joelho em cadeia cinética aberta, a uma velocidade de 45o/s, em seis situações distintas: sem carga externa e com caneleiras de 1 a 5kg (implementadas de 1kg em 1kg) aplicadas à tíbia. As imagens radiográficas foram captadas a uma freqüência de amostragem de 50 Hz, utilizando-se um videofluoroscópio de marca Axiom Siemens Iconos R100. As imagens obtidas foram reproduzidas e digitalizadas utilizando uma placa de captura da marca Silicon Graphics 320. Foram desenvolvidas rotinas computacionais utilizando o software MatlabÒ para a análise dos dados. A propagação do erro na determinação da força de contato patelofemoral foi calculada pelo método de Kleine & McClintock. O protocolo desenvolvido com base na videofluoroscopia permite determinar todos parâmetros biomecânicos necessários para o modelamento da articulação patelofemoral. Os resultados sugerem que, em comparação com a lei de Hooke, a utilização da dinâmica inversa como forma de determinação da força de contato patelofemoral é mais apropriada. Isso pode ser confirmado pelos menores níveis de erro apresentados pela dinâmica inversa. Com base no método de Kleine & McClintock, a linha de ação do músculo quadríceps parece ser um parâmetro crítico no cálculo da força de contato patelofemoral. / The primary goal of this study was to propose a method to calculate the patellofemoral contact force in vivo during a dynamic activity. In order to do that, a protocol was operacionalized allowing to determine the biomechanical parameters of the tibiofemoral and patellofemoral joints. Specifically, the parameters determinated were: tibiofemoral rotation center, patellofemoral rotation center, patellar ligament’s action line, quadriceps muscle’s action line, the patellar ligament moment arm, the quadriceps muscle moment arm, patellar ligament’s force and quadriceps muscle force. To determine such parameters were used dynamic radiographycal images, obtained in the sagital plane, from one individual executing an exercise of knee’s extension in open kinetic chain, in a speed of 45º/s, in six distinct situations: without external load and with weights of 1 to 5kg (implemented 1kg to 1kg) applied to the tibia. The radiographic images were captured in a sampling frequency of 50Hz, through a videofluoroscope from Axiom Siemens Iconos R100. The images obtained were reproduced and digitalized using a capture plate Slicon Graphics 320. Computer routines were developed with the software Matlab® to analyze the data. The error propagation on patelofemoral contact force determination was calculated by the method of Kleine & McClintock. The protocol developed based on the videofluoroscopy allow to determine all the biomechanical parameters needed to the modeling of the patelofemoral joint. The results suggest that, in comparison with Hooke’s law, the use of inverse dynamics as a way to determine the patellofemoral contact force is more appropriated. This can be confirmed by lower levels of error presented in the inverse dynamics. Based on the Kleine & McClintock’s method, the action line of the quadriceps muscle seems to be a critical parameter on the calculus of the patelofemoral’s contact force.

Tese de mestrado. Engenharia Biomédica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de Mestrado Integrado. Bioengenharia (Engenharia Biomédica). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Tese de doutoramento. Ciências de Engenharia. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:28:57Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2013-07-24Bitstream added on 2014-06-13T20:58:50Z : No. of bitstreams: 1 000758021.pdf: 2255697 bytes, checksum: 6788d35fffb3b6caf3a72279e1182869 (MD5) / O objetivo deste estudo foi avaliar a micro deformação ao redor de implantes hexágono interno e implantes com roscas platô sob carregamento vertical. Foram confeccionados 10 blocos de poliuretano com 190X30X12 mm. Na face de menor largura e maior comprimento de cada bloco foi inserido um implante de cada sistema (implante hexágono interno de 4 mm X 8,5 mm e implante platô de 4,5 mm X 8 mm) que depois receberam um pilar com 10 mm de altura. O pilar do implante hexágono interno recebeu torque de 20 N com auxilio de torquímetro manual, enquanto o pilar do implante platô foi inserido no implante com o auxilio de martelete. Quatro extensômetros foram colados ao redor dos implantes. Também foram colados extensômetros na lateral do bloco na região do terço médio e apical dos implantes. Os implantes foram submetidos a uma carga vertical estática de 30 Kg. Os dados foram submetidos a análise estatística ANOVA e Tukey (5%). Foi verificado que houve diferença estatística significante para a região cervical (horizontal) dos implantes em relação à região média e apical (vertical), sendo o P=0.0259. Com o teste Tukey, foi verificado que a região horizontal dos implantes platôs apresentaram uma maior micro deformação em relação a região vertical e da região horizontal e vertical dos implantes hexágono interno. Pode-se concluir que o implante platô demonstrou maior micro deformação do que o implante hexágono interno, a região cervical obteve uma maior concentração de tensões em relação à região do terço médio e apical e que o tipo de conexão pilar/implante interfere na micro deformação distribuída ao redor do implante / The aim of the study was to evaluate the micro strain around internal hexagon implant and plateau screws implant under vertical load. 10 polyurethane blocks were produce with 190X30X12 mm. On the narrower face of each block was inserted in each system implant (internal hexagon implant 4 mm X 8,5 mm and plateau implant 4,5 mm X 8 mm) which then received one abutment with 10 mm high. The internal hexagon abutment received torque of 20 N with aid manual torquemeter and plateau abutment was inserted with surgical mallet. Four strain gauge were bonded around of the implants. Also the strain gauges were bonded in the lateral block in the middle and apical region implants. The implants were subjected to a static vertical load of 30 kg. The data were submitted to ANOVA and Tukey (5%). It was found that there was statistically significant difference for the cervical region (horizontal) of the implants to the middle and apical region (vertical), with P = 0.0259. In the Tukey test, it was found that the horizontal region of the plateau implants was higher micro strain than vertical region of the plateau implants and horizontal and vertical region of the internal hexagon implants. It concluded that the implant had a higher plateau micro strain of the implant internal hexagon, the cervical region showed a higher stress concentration towards the region of the middle and apical, and the connection type abutment/implant interferes with micro strain distributed around the implant

Orientador: Jose Elias Tomazini / Banca: Jose Geraldo Trani Brandão / Banca: Rodrigo Silva e Santos / Resumo: A articulação do tornozelo é um segmento complexo no qual todas as suas estruturas necessitam agir harmoniosamente para se obter um movimento cadenciado durante as funções dos membros inferiores. Porém, com o processo de envelhecimento essas funções sofrem alterações como uma redução da amplitude dos movimentos, diminuição da força muscular, enrijecimento das articulações e um declínio da flexibilidade, que contribuem para a baixa eficiência mecânica da marcha aumentando o risco de quedas. Assim, na tentativa de conhecer cada vez mais esses parâmetros que envolvem a mecânica da marcha, instrumentos vêm sendo criados para facilitar e tornar mais precisa as avaliações biomecânicas e consequentemente elaborar programas de tratamento fisioterapêutico mais efetivos. Diante deste contexto o objetivo do estudo foi construir um dispositivo mecânico novo, de baixo custo, para avaliar quantitativamente a rigidez de tornozelo e fazer uma análise comparativa deste parâmetro entre adultos e idosos saudáveis. Esta avaliação foi efetuada por meio de um potenciômetro angular para a medição do deslocamento angular da referida articulação, e um sistema de viga-transdutor com extensômetros colados para a medição do momento aplicado pelo pé no dispositivo. Após a construção e calibração do dispositivo foi realizada a coleta de dados em uma amostra formada por dois grupos sendo um grupo controle com 12 indivíduos com idades entre vinte e cinquenta anos e um grupo idoso com 13 indivíduos com idades acima de sessenta anos. A partir dos resultados dos parâmetros analisados foi observado que idosos apresentam rigidez de tornozelo maior que adultos. Assim, conclui-se que o dispositivo em questão permite a avaliação da rigidez de tornozelo além de possibilitar o acompanhamento do tratamento de pacientes com problemas nesta articulação / Abstract: The ankle joint is a complex segment in which all structures need to act in harmony to achieve a rhythmic movement during the functions of the lower limbs. But with the aging process, these functions are altered as a reduced range of motion, decreased muscle strength, joint stiffness and a decline in flexibility, contributing to the low mechanical efficiency of walking and increases the risk of falls. Thus, trying to know more and more these parameters involving the mechanics of motion, instruments are being created to facilitate and make more accurate assessments biomechanical and consequently develop programs of physiotherapy more effective. Given this context, the objective was to build a new mechanical device, low cost, to quantitatively assess the stiffness of the ankle and make a comparative analysis of this parameter between adults and seniors. This evaluation is done by means of a angular potentiometer to measure the displacement angle of that joint, and a system of beam transducer with strain gauges glued to the measurement of torque used by standing on the device. After construction and calibration of the device it was collected in a data sample consisting of two groups: one control group of 12 subjects aged between twenty and fifty years and a group of 13 elderly individuals aged over sixty years. From the results of the parameters analyzed was observed that the elderly have rigid ankle higher than adults. Thus, we conclude that the device in question allows the evaluation of the stiffness of the ankle and allow the monitoring of treatment of patients with problems in this joint / Mestre

O principal objetivo deste estudo foi propor uma metodologia para calcular da força de contato patelofemoral in vivo durante uma atividade dinâmica. Para isso, um protocolo foi operacionalizado permitindo a determinação de parâmetros biomecânicos das articulações tibiofemoral e patelofemoral. Especificamente, os parâmetros determinados foram: centro de rotação tibiofemoral, centro de rotação patelofemoral, linha de ação do ligamento patelar, linha de ação do músculo quadríceps, distância perpendicular do ligamento patelar, distância perpendicular do músculo quadríceps, força do ligamento patelar e força do músculo quadríceps. Para a determinação dos parâmetros foram utilizadas imagens radiográficas dinâmicas, obtidas no plano sagital, de um indivíduo executando um exercício de extensão de joelho em cadeia cinética aberta, a uma velocidade de 45o/s, em seis situações distintas: sem carga externa e com caneleiras de 1 a 5kg (implementadas de 1kg em 1kg) aplicadas à tíbia. As imagens radiográficas foram captadas a uma freqüência de amostragem de 50 Hz, utilizando-se um videofluoroscópio de marca Axiom Siemens Iconos R100. As imagens obtidas foram reproduzidas e digitalizadas utilizando uma placa de captura da marca Silicon Graphics 320. Foram desenvolvidas rotinas computacionais utilizando o software MatlabÒ para a análise dos dados. A propagação do erro na determinação da força de contato patelofemoral foi calculada pelo método de Kleine & McClintock. O protocolo desenvolvido com base na videofluoroscopia permite determinar todos parâmetros biomecânicos necessários para o modelamento da articulação patelofemoral. Os resultados sugerem que, em comparação com a lei de Hooke, a utilização da dinâmica inversa como forma de determinação da força de contato patelofemoral é mais apropriada. Isso pode ser confirmado pelos menores níveis de erro apresentados pela dinâmica inversa. Com base no método de Kleine & McClintock, a linha de ação do músculo quadríceps parece ser um parâmetro crítico no cálculo da força de contato patelofemoral. / The primary goal of this study was to propose a method to calculate the patellofemoral contact force in vivo during a dynamic activity. In order to do that, a protocol was operacionalized allowing to determine the biomechanical parameters of the tibiofemoral and patellofemoral joints. Specifically, the parameters determinated were: tibiofemoral rotation center, patellofemoral rotation center, patellar ligament’s action line, quadriceps muscle’s action line, the patellar ligament moment arm, the quadriceps muscle moment arm, patellar ligament’s force and quadriceps muscle force. To determine such parameters were used dynamic radiographycal images, obtained in the sagital plane, from one individual executing an exercise of knee’s extension in open kinetic chain, in a speed of 45º/s, in six distinct situations: without external load and with weights of 1 to 5kg (implemented 1kg to 1kg) applied to the tibia. The radiographic images were captured in a sampling frequency of 50Hz, through a videofluoroscope from Axiom Siemens Iconos R100. The images obtained were reproduced and digitalized using a capture plate Slicon Graphics 320. Computer routines were developed with the software Matlab® to analyze the data. The error propagation on patelofemoral contact force determination was calculated by the method of Kleine & McClintock. The protocol developed based on the videofluoroscopy allow to determine all the biomechanical parameters needed to the modeling of the patelofemoral joint. The results suggest that, in comparison with Hooke’s law, the use of inverse dynamics as a way to determine the patellofemoral contact force is more appropriated. This can be confirmed by lower levels of error presented in the inverse dynamics. Based on the Kleine & McClintock’s method, the action line of the quadriceps muscle seems to be a critical parameter on the calculus of the patelofemoral’s contact force.

Orientador: Edson Antonio Capello Sousa / Banca: Bento Rodrigues de Pontes Junior / Banca: Antonio Pedro Clapis / Resumo:O objetivo deste trabalho foi simular pelo método dos Elementos Finitos a estrutura óssea de coelhos (tíbia), quando sujeita a uma determinada carga transversal estática, e validar o modelo numérico obtido no software Ansys. O comportamento mecânico de estruturas biomecânicas, tais como tíbia, fêmur, ossos em geral, são muito similares a estruturas mecânicas, por exemplo vigas, barras, tubos, pontes, treliças, e outros. Houve algumas dificuldades em gerar o modelo tridimensional; pode-se numerálas. A primeira foi construir o modelo exatamente com todas as superfícies irregulares. Para resolver este problema, mediu-se ao longo do comprimento da tíbia a cada 5 milímetros, começando na posição do implante. A segunda dificuldade foi separar materiais distintos que constituem o osso, por exemplo, osso cortical e osso medular, bem como o da região do implante de titânio. Diferenciou-se as regiões onde ocorrem cada tipo de osso, incluindo a região osseointegrada. A terceira dificuldade foi representar a carga que agiu sobre a estrutura óssea. Adotou-se a carga como uma pressão distribuída que agiu sobre a região do implante. A quarta dificuldade foi adaptar e reconhecer os termos da bioengenharia, que representam novidades para os engenheiros mecânicos e para os engenheiros em geral. O modelo de elementos finitos foi simulado pelo software Ansys, onde foram aplicados elementos tetraédricos. Para validar o modelo, os resultados foram checados com a revisão bibliográfica. Foram comparados os resultados de tensões máximas geradas pelo modelo com as tensões máximas obtidas experimentalmente. Concluiu-se que a aproximação foi satisfatória,considerando a precisão do modelo construído computacionalmente. / Abstract: The goal of this paper was to simulate through the Finite Element Method, the bone structure of rabbits (tibia), when subjected to a determined static transversal loading, and validate the numerical model obtained in the software Ansys. The mechanical behaviour of biomechanical structures, as tibia, femur, bones in general, are too much similar as mechanical structures, for example beams, bars, pipes, bridges, trusses, and so on. There were several difficulties in generating the three-dimensional model; we can numerate them. The first was to build the model exactly with all the irregular surfaces. For solve this problem, we measured along the length of the tibia for each five millimeters, beginning on the position of the implant. The second difficulty was to separate different materials that constitute the body of the bone, for instance, the cortical bone and the medular bone, as well as the region of implant of titanium. We differentiate the regions where each type of bone occurs, including the osseointegrated region. The third difficulty was to represent the load that acted over the bone structure. We adopt the load as a distributed pressure located over the region of the implant. The finite element model was simulated by Ansys software, where was applied tetrahedricals elements. For validating the model, the results were checked with the bibliography revision. We compare the results of intensity of maximal stress generated by the model with the maximal stress obtained experimentally. We conclude that was a reasonable approach, considering the accuracy of the constructed model. / Mestre

Com o advento dos computadores surgiram problemas de saúde associados à tarefa da digitação, causados, principalmente, pela posição estática do corpo, pela repetitividade de movimentos dos membros superiores, pelas forças envolvidas, etc. Na tentativa de relacionar esses fatores com os distúrbios, iniciou-se, na década de 90, o estudo da força aplicada nos teclados de computador. O objetivo principal deste trabalho é desenvolver uma plataforma para medir a força aplicada nas teclas do teclado de um computador durante a digitação, para utilização em biomecânica. Foi projetada e construída uma plataforma de força que mede a força vertical, Fz, (direção z), a força horizontal (e transversal) ao teclado, Fy, (direção y) e o momento aplicado no eixo horizontal e longitudinal ao teclado, Mx, (eixo x). Com estes três componentes é possível, numa análise bidimensional (2D), determinar a magnitude do vetor força resultante, seu ângulo com plano horizontal e o ponto de aplicação sobre a superfície da tecla. Os sensores utilizados foram os extensômetros de resistência elétrica, colados em placas que deformam-se principalmente por flexão; estes sensores são ligados em ponte completa de Wheatstone para cada canal de aquisição, Fx, Fy e Mx. Foi construído um modelo em madeira, PVC e acrílico, na escala 4,5:1, para auxiliar na busca de soluções de problemas de construção. Com o objetivo de aperfeiçoar o modelo conceitual criado, utilizou-se modelamento numérico (elementos finitos) Os sinais adquiridos para cada canal são independentes, não necessitando de operações posteriores. O sistema de aquisição é composto por um computador para armazenar e posteriormente tratar matematicamente os dados coletados, por uma placa de aquisição (A/D) de dados, um condicionador de sinais e o programa SAD 2.0 para aquisição e processamento de dados. A linearidade da plataforma de força permaneceu dentro dos limites de 3 % durante a calibração estática. Os testes dinâmicos mostraram que a plataforma possui freqüência fundamental superior a 2300 Hz, o que permite que ela seja utilizada com segurança para a análise de forças aplicadas durante a digitação.