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Type: Tese
Title: Ferramenta computacional para planejamento cirúrgico tridimensional otimizado da osteotomia periacetabular de Ganz via algoritmos genéticos e método dos elementos finitos
Author: Ferraz, Marcus Vinicius de Souza
First Advisor: Bastos, Flávia de Souza
Co-Advisor: Vecchio, Sara Del
Referee Member: Toledo, Elson Magalhães
Referee Member: Rocha, Bernardo Martins
Referee Member: Guerreiro, João Nisan Correia
Referee Member: Vimieiro, Claysson Bruno Santos
Referee Member: Zamboni, Caio
Resumo: A displasia do desenvolvimento do quadril (DDQ) é uma patologia que se caracteriza pela relação anormal entre cabeça femoral e acetábulo. A osteotomia periacetabular (OPA) é uma cirurgia preservadora do quadril, que visa aumentar a cobertura acetabular da cabeça femoral, minimizando as pressões de contato, por meio do reposicionamento da articulação coxofemoral. Nesse contexto, a presente tese busca desenvolver uma ferramenta computacional que foi testada para aplicação em pacientes com deformidades articulares nos quadris. Esses casos foram essenciais para testar e avaliar a ferramenta desenvolvida, visando implementar uma aplicação clínica-cirúrgica de método de planejamento cirúrgico tridimensional otimizado por parâmetros biomecânicos, como pressão de contato, área de contato e força de contato. O objetivo é avaliar a segurança, acurácia e reprodutibilidade da metodologia proposta. O planejamento é obtido a partir do processamento digital de imagens de tomografias computadorizadas de pacientes diagnosticados com deformidade nos quadris e indicação de osteotomias acetabulares e/ou femorais, por um cirurgião habilitado e com ampla experiência na técnica digital. A otimização do posicionamento das correções (utilizando-se duas estratégias distintas) é derivada da análise computadorizada das interações simuladas entre as superfícies articulares do quadril utilizando análise com elementos finitos via Abaqus® e seleção dos ângulos otimizados de reposicionamento do fragmento acetabular, com base em um algoritmo genético. A acurácia da correção obtida pelo planejamento otimizado é comparada com os modelos pré-operatórios e planejados virtualmente pelo cirurgião, e identificou-se que estes apresentaram melhor desempenho em relação ao modelo patológico em todos os estudos de caso. Os ajustes na correção, propostos pela técnica evolucionista (AG), foram validados através da análise dos parâmetros clínicoradiográficos em todos os estudos de casos testados, levando em consideração os limites de normalidade dos mesmos.
Abstract: Developmental dysplasia of the hip (DDH) is a condition characterized by an abnormal relationship between the femoral head and the acetabulum. Periacetabular osteotomy (PAO) is a hip-preserving surgery that aims to increase acetabular coverage of the femoral head, reducing contact pressures by repositioning the hip joint. In this context, the present thesis aims to develop a computational tool applied to three patients with hip joint deformities. These cases were essential for testing and evaluating the developed tool, with the objective of implementing a clinical-surgical application of a three-dimensional surgical planning method optimized by biomechanical parameters, such as contact pressure, contact area, and contact force. The goal is to assess the safety, accuracy, and reproducibility of the proposed methodology. The planning is obtained through the digital processing of computerized tomography images of patients diagnosed with hip deformities and indications for acetabular and/or femoral osteotomies, performed by a qualified surgeon with extensive experience in digital techniques. The optimization of correction positioning (using two distinct strategies) is derived from computerized analysis of simulated interactions between hip joint surfaces using finite element analysis via Abaqus®, and selection of optimized angles for repositioning the acetabular fragment based on a genetic algorithm. The accuracy of the correction achieved through optimized planning is compared with the pre-operative models and those virtually planned by the surgeon, and it was identified that the latter showed better performance in relation to the pathological model in all case studies. The adjustments in correction proposed by the evolutionary technique (AG) were validated through the analysis of clinical-radiographic parameters in all tested case studies, taking into consideration their normal limits.
Keywords: Displasia do desenvolvimento do quadril
Modelagem geométrica préoperatória
Simulação cirúrgica
Método dos elementos finitos
Algoritmos de otimização
Developmental dysplasia of the hip
Preoperative geometric modeling
Surgical simulation
Finite element method
Genetic algorithm
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional
Access Type: Acesso Aberto
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
DOI: https://doi.org/10.34019/ufjf/te/2023/00118
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/16170
Issue Date: 23-Aug-2023
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