Mestrado Acadêmico em Engenharia Mecânica - PPGEM

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Análise do escoamento em um dispositivo de assistência ventricular
(Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP), 24/10/2018) Hernandes, Mariana Maria Aparecida Pinto; Bock, Eduardo Guy Perpétuo
Este trabalho apresenta a análise do escoamento de um Dispositivo de Assistência Ventricular (DAV) desenvolvido no Laboratório de Bioengenharia e Biomateriais (BIOENG) chamado Cardiac Assistant Recovery of Life (CARoL). Os DAVs são utilizados para o tratamento de pacientes com Insuficiência Cardíaca (IC), seja como ponte para o transplante ou como terapia de destino, o fluxo contínuo da bomba auxilia no bombeamento vital de sangue para o corpo. Visando a concepção e avaliação das medidas de segurança adotadas para evitar danos ao corpo do paciente implantado com DAV e o prolongamento da vida-útil deste, algumas etapas de ensaios são necessárias. A metodologia de análise do escoamento é dividida em: simulação numérica computacional do escoamento no interior da bomba, ensaio de desempenho hidrodinâmico, ensaio de velocimetria de imagens de partículas e ensaio da hemólise sanguínea (em ambiente virtual e in vitro). A análise do escoamento no interior da bomba CARoL ocorreu durante a sua fase de concepção e projeto mecânico, por meio da construção de um modelo tridimensional e da simulação numérica computacional no ambiente virtual do programa Ansys-CFX empregando o uso de modelagem de Transporte de Tensão de Cisalhamento com uma malha de 99 elementos/mm³. Os ensaios hidrodinâmicos foram realizados objetivando a determinação das curvas características em condições semelhantes ao corpo humano, pressão diferencial de 100 mmHg e fluxo de 5 L/min. O ensaio de PIV foi realizado em um protótipo em acrílico, visando a análise visual das regiões de turbulência da bomba. Com estes parâmetros, foi realizada a análise da hemólise em ambiente virtual utilizando a parametrização da equação de Carreau-Yasuda, com condições de contorno do limite do rompimento mecânico das hemácias de 200 Pa com exposição de 0,4 s a 0,6 s. Os ensaios de hemólise in vitro objetivando determinar a taxa de Hemoglobina Livre (HL) no sangue foram realizados nos laboratórios do Instituto de Ciências Biomédicas (ICB) da Universidade de São Paulo (USP), utilizando dois procedimentos: Harboe e reagente Tetrametilbenzedina (Tmb). Os ensaios de escoamento no interior da bomba CARoL permitiram a definição da geometria e configurações das aletas com resultados satisfatórios para a aplicação, reduzindo inúmeros protótipos e ensaios. Com as curvas características, foi possível estabelecer a rotação nominal da bomba para manutenção do fluxo sanguíneo nas condições fisiológicas a 2100 rpm. O resultado dos ensaios de hemólise do DAV em ambiente virtual foi satisfatório, apresentando o resultado de tensão cisalhante de 130 Pa com o tempo de exposição variando de 0,1 s a 100 s. Os resultados de HL no plasma foram considerados satisfatórios, apresentando valores nos procedimentos Harboe e TMB, de 35 mg/dl e 30 mg/dl, respectivamente, sendo condizente com os resultados obtidos em ambiente virtual com erro menor que 5% na estimação numérica. Futuros trabalhos devem aprimorar a técnica de PIV para análise de outras possíveis variáveis danosas ao sangue como áreas de estagnação e recirculação, propensas à formação de trombos
Controle inteligente embarcado para dispositivos de assistência ventricular
(Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP), 2020-02-17) Santos, Bruno Jesus dos; Bock, Eduardo Guy Perpétuo
Este projeto consiste na concepção de estratégias para implementação de uma Técnica de Controle Automático (TCA) para Dispositivos de Assistência Ventricular (DAVs) em um sistema embarcado, com características de um sistema inteligente pela integração do processamento de dados em tempo real, arquitetura reconfigurável e com protocolos de comunicação baseado nos conceitos da Saúde 4.0. Os DAVs são utilizados para o tratamento de pacientes com Insuficiência Cardíaca (IC), seja como ponte para o transplante, recuperação ou como terapia de destino. Os principais componentes de um DAV são bomba de sangue rotatória, um controlador e baterias. O controlador é um equipamento que implementa as técnicas de controle para melhorar a eficiência e qualidade da assistência prestada pelo DAV. A Técnica de Controle Automático (TCA) aqui adotada envolve um sistema que ajuste a rotação da bomba de forma harmoniosa com os sistemas fisiológicos, sem o uso de sensores, e que considere o estado clínico e o nível de atividade física do paciente. Três camadas compõem a TCA: (i) controle Proporcional-Integral da velocidade de rotação do motor do DAV; (ii) controle de fluxo baseado em parâmetros fisiológicos estimados; e (iii) controle automático da velocidade de rotação do motor do DAV por lógica fuzzy. A TCA foi testada inicialmente em computador e sistemas de aquisição de dados, mas com esta estrutura não se tem a portabilidade do controlador, por isso, neste trabalho, como proposta de controle inteligente e reconfigurável em tempo real, a TCA foi embarcada e otimizada. O resultado da migração da 1ª Camada da TCA apresentou estabilidade no controle e aquisição de dados do atuador. O resultado da migração da 2ª Camada da TCA apresentou valores de estimação com erro médio 2,6 ± 0,7 % (ƿ=0,94; α=0,05) para o fluxo, 0,34 ± 0,1 % (ƿ=0,8; α=0,05) para o diferencial de pressão e 0,72 ± 0,7 % (ƿ=0,91; α=0,05) para a frequência cardíaca. O resultado da migração da 3ª Camada da TCA apresentou valores semelhantes entre o controle da lógica fuzzy rodando em PC e sistema embarcado. No ensaio in vitro do controle rotação de um protótipo de DAV acoplado a um simulador cardíaco, o valor ajustado de rotação do motor do DAV foi conservado mesmo com variação da resistência de bombeamento causado pelo sistema fisiológico, e no modo de controle automático da rotação do motor do DAV, ele acompanhou a demanda de assistência necessária, seja na evolução da IC, aumentando a assistência, ou na recuperação da função sistólica, diminuindo a assistência do DAV.
Controle inteligente embarcado para dispositivos de assistência ventricular
(Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP), 2020-02-17) Santos, Bruno Jesus do; Bock , Eduardo Guy Perpétuo; Leão, Tarcisio Fernandes; Bock, Eduardo Guy Perpétuo; Toufen, Dennis Lozano; Miyagi, Paulo Eigi
Este projeto consiste na concepção de estratégias para implementação de uma Técnica de Controle Automático (TCA) para Dispositivos de Assistência Ventricular (DAVs) em um sistema embarcado, com características de um sistema inteligente pela integração do processamento de dados em tempo real, arquitetura reconfigurável e com protocolos de comunicação baseado nos conceitos da Saúde 4.0. Os DAVs são utilizados para o tratamento de pacientes com Insuficiência Cardíaca (IC), seja como ponte para o transplante, recuperação ou como terapia de destino. Os principais componentes de um DAV são bomba de sangue rotatória, um controlador e baterias. O controlador é um equipamento que implementa as técnicas de controle para melhorar a eficiência e qualidade da assistência prestada pelo DAV. A Técnica de Controle Automático (TCA) aqui adotada envolve um sistema que ajuste a rotação da bomba de forma harmoniosa com os sistemas fisiológicos, sem o uso de sensores, e que considere o estado clínico e o nível de atividade física do paciente. Três camadas compõem a TCA: (i) controle Proporcional-Integral da velocidade de rotação do motor do DAV; (ii) controle de fluxo baseado em parâmetros fisiológicos estimados; e (iii) controle automático da velocidade de rotação do motor do DAV por lógica fuzzy. A TCA foi testada inicialmente em computador e sistemas de aquisição de dados, mas com esta estrutura não se tem a portabilidade do controlador, por isso, neste trabalho, como proposta de controle inteligente e reconfigurável em tempo real, a TCA foi embarcada e otimizada. O resultado da migração da 1ª Camada da TCA apresentou estabilidade no controle e aquisição de dados do atuador. O resultado da migração da 2ª Camada da TCA apresentou valores de estimação com erro médio 2,6 ± 0,7 % (ƿ=0,94; α=0,05) para o fluxo, 0,34 ± 0,1 % (ƿ=0,8; α=0,05) para o diferencial de pressão e 0,72 ± 0,7 % (ƿ=0,91; α=0,05) para a frequência cardíaca. O resultado da migração da 3ª Camada da TCA apresentou valores semelhantes entre o controle da lógica fuzzy rodando em PC e sistema embarcado. No ensaio in vitro do controle rotação de um protótipo de DAV acoplado a um simulador cardíaco, o valor ajustado de rotação do motor do DAV foi conservado mesmo com variação da resistência de bombeamento causado pelo sistema fisiológico, e no modo de controle automático da rotação do motor do DAV, ele acompanhou a demanda de assistência necessária, seja na evolução da IC, aumentando a assistência, ou na recuperação da função sistólica, diminuindo a assistência do DAV.
Metodologia 4.0 lean manufacturing para aumento da produtividade e qualidade em empresas do ramo metal mecânico
(Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP), 2020-02-05) Palma, Ricardo Virgilio de; Bock, Eduardo Guy Perpétuo
O presente trabalho descreve um estudo de caso sobre a utilização da metodologia Lean Manufacturing na indústria com o conceito 4.0, em uma multinacional do ramo metalúrgico na grande São Paulo. O projeto se apresenta em três etapas, uma revisão bibliográfica sobre a evolução do conceito de qualidade, ferramentas da qualidade, metodologias de melhoria contínua e resolução de problemas e ferramentas utilizadas na área de desenvolvimento de fornecedores, processos e consumidor final. Em seguida há uma explicação sobre o método de trabalho contextualizado na empresa. Esta análise tem a finalidade de convergir a metodologia Lean Manufacturing aplicada na teoria considerando as divergências e tendências com os resultados esperados na prática no chão de fábrica. O padrão da empresa aborda toda a teoria, sendo mais descritivo em suas práticas e ações. Já a prática da empresa consegue satisfazer a teoria, porém não converge totalmente com o modelo da empresa, já que há falhas no que diz respeito a prazos e análise de dados. Nas conclusões fica claro as vantagens da aplicação da metodologia Lean Manufacturing no conceito 4.0 por ser um recurso sistêmico, contínuo e que aborda todas as etapas de um processo.
Metodologia de avaliação de eixos cerâmicos (Al2O3) por Gelcasting para dispositivos de assistência ventricular
(Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP), 2021-05-14) Silva, Pâmela Catherine Florentino da; Bock, Eduardo Guy Perpétuo
Os Dispositivos de Assistência Ventricular (DAV) são utilizados como equipamentos para prolongamento e melhoria de vida para pacientes com insuficiência cardíaca. O modelo CARoL desenvolvido e utilizado no Laboratório de Bioengenharia e Biomateriais (Bioeng) do IFSP está em constante estudo de seus componentes para melhoria. O estudo em foco está no funcionamento do rotor, que ocorre através do contato de eixos cerâmicos e mancais poliméricos, podendo ocorrer desgaste entre eles. Os biomateriais cerâmicos possuem características semelhantes quanto à resistência ao desgaste, conforme estudos realizados anteriormente no Bioeng, com Zircônia (ZrO2) e Alumina (Al2O3). Observou-se a necessidade de um estudo de obtenção destes conjuntos e eixo-mancais, em específico dos eixos hemisféricos de sustentação no mancal, antes obtidos por CAD-CAM, e usinados individualmente elevando o custo de sua aquisição. Para a fabricação dos eixos de biomaterial cerâmico Alumina (Al2O3) por Gelcasting, propõe-se a metodologia de ensaio tribológico in loco no DAV e sua caracterização. Foram realizadas metodologias produtivas, como Colagem de Barbotina e Gelcasting, na qual observou-se que o último processo atende aos requisitos iniciais do projeto, minimizando custos e otimizando o tempo de processamento. A metodologia proposta foi considerada satisfatória para o desenvolvimento de futuros mancais pelo processo de Gelcasting.
Microusinagem de oxido de zircônio pré-sinterizado e PEEK no desenvolvimento de dispositivos de assistência ventricular
(Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP), 24/03/2017) Rocha, Joaquim Antonio Ferreira da; Bock, Eduardo Guy Perpétuo; Leão, Tarcísio Fernandes
A bioengenharia tem avançado recentemente com resultados surpreendentes, em parte, devido aos recursos disponíveis de software, máquinas, ferramentas, materiais e mão de obra, que possibilitam colocar em prática a criatividade na confecção de novos produtos e acessórios, com suas formas, encaixes e adaptações complexas, bem como os processos de fabricação. Este trabalho tem como objetivo apresentar técnicas utilizadas como a simulação computacional e o projeto de confecção de um DAV ? Dispositivo de Assistência Ventricular que está em desenvolvimento no Laboratório de Bioengenharia e Biomateriais do IFSP ? Instituto Federal de São Paulo. O desenvolvimento de dispositivos que auxiliam o sistema circulatório de pacientes cardíacos passa a ser influenciado de forma significativa pelos avanços nos processos de fabricação, possibilitando esta melhoria contínua. As técnicas empregadas na confecção do dispositivo foram de microusinagem realizadas em máquinas CNC ? Comando Numérico Computadorizado e mostraram-se capazes de obter peças com a qualidade necessária para a fabricação do dispositivo. A simulação numérica computacional foi realizada criando diversos cenários de rotação, velocidade do fluxo e vazão para simulação com modelo de turbulência k-? RNG. Os testes em bancada de desempenho hidrodinâmico apresentaram vazões de até 10 L/min a 1800 rpm, com capacidade de fornecer fluxo sanguíneo em condições fisiológicas de pressão e vazão. Os testes práticos permitem comparar os resultados da simulação numérica computacional. Assim, foi possível verificar as zonas críticas de cada cenário e propor alterações no projeto mecânico da bomba. Os resultados iniciais indicam zonas críticas na região de saída com risco prévio de hemólise. As alterações realizadas para correção, bem como outras melhorias, serão testadas em trabalhos futuros em bancada com fluido de viscosidade similar ao sangue
Módulo de pré-carga para o simulador híbrido do sistema cardiovascular
(Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP) , 20/03/2018) Nishida, Breno Yuzo Tachibana; Bock, Eduardo Guy Perpétuo
Simuladores são ferramentas que utilizam diferentes tipos de aproximações para criar um ambiente ou comportamento semelhante a um fenômeno real para pesquisa. Os simuladores do sistema cardiovascular humano podem ser construídos através de modelos elétricos, mecânicos ou puramente matemáticos e podem ser categorizadas através do ambiente simulado, que pode ser de células, de tecidos, de órgãos ou do sistema cardiovascular completo. Um tipo de simulador é o Simulador Híbrido do Sistema Cardiovascular, essa ferramenta é caracterizada por simular a dinâmica do sistema cardiovascular humano pelo método de Windkessel que modela a elasticidade das artérias e da resistência vascular de forma concentrada, trabalhando em ambiente computacional e em bancada para testes in vitro. Uma das propostas de otimização é a automatização total dos testes e possibilitar maior número de simulações que podem ser feitos, já que as ferramentas em desenvolvimento atualmente possuem aplicações clínicas e de ensino também. Como um primeiro passo desse trabalho, foi projetada a automatização da pré-carga para a melhoria da simulação do enchimento do ventrículo. A metodologia se baseou no estudo de vários tipos de simulações e a comparação com a técnica usada para representar o enchimento do ventrículo com a aplicação do SHSC. Nestes estudos, foi utilizada a pressão interna do reservatório que, através do modelo Windkessel, é possível variar a pressão do enchimento pela quantidade de ar. Após a construção do módulo, foram feitas comparações com os resultados adquiridos de um simulador computacional feito em Pspice e nos resultados de um simulador numérico em Labview que utiliza dados de pacientes reais através dos Diagramas PV para representar formas de Insuficiência Cardíaca Congestiva (ICC) no SHSC com o módulo já implementado. Depois da comparação, foi possível observar que os resultados das simulações estão de acordo com a literatura, porém será necessário pesquisar novas técnicas para simular outros tipos de doenças na bancada do Simulador Híbrido do Sistema Cardiovascular
Obtenção e caracterização do rotor em alumínio do Dispositivo de Assistência Ventricular com revestimento cerâmico por Plasma Eletrolítico de Oxidação
(Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP), 2021-12-01) Viana, José Luís; Bock, Eduardo Guy Perpétuo
A assistência circulatória mecânica consiste no principal tratamento invasivo para Insuficiência Cardíaca utilizando Dispositivos de Assistência Ventricular (DAV) e visando manter as condições hemodinâmicas do paciente. Este tipo de equipamento médico é fabricado normalmente em Titânio comercialmente puro (c.p.) e suas ligas. O objetivo deste trabalho é a obtenção e caracterização do rotor da Bomba Centrífuga desenvolvida no Laboratório de Bioengenharia e Biomateriais do IFSP com revestimento de Filme Fino de Óxido de Titânio (TiO2) pelo processo de Oxidação Eletrolítica a Plasma (PEO) para uso como material biofuncional. Possibilitando uma alternativa de material do Rotor DAV além do Titânio c.p. e do Bio Polímero utilizados até o momento. Em trabalhos anteriores do grupo, artigos e mestrados, alguns processos de modificação superficial com um material bioinerte foram elaborados e testados utilizando a técnica de PEO a fim de atribuir uma superfície característica de scaffolds, passível de endotelização dos componentes fixos de DAVs, tornando-o biofuncional. Este é o primeiro trabalho com componentes móveis da bomba com substrato em alumínio. Espera-se, assim, obter resultados superiores ao Titânio com o rotor usinado em alumínio recoberto com o filme cerâmico.

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Navegando Mestrado Acadêmico em Engenharia Mecânica - PPGEM por Autor "Bock, Eduardo Guy Perpétuo"

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