Construção do fantoma físico

Os fantomas físicos com formato anatómico foram obtidos a partir das mesmas imagens médicas, utilizando o modelo 3D descrito previamente para a construção dos fantomas numéricos. Neste caso, foram criados vários fantomas físicos, alguns homogéneos e um heterogéneo com três camadas. Sendo que, os primeiros foram construído a uma escala de 1:3 e o segundo à escala real.

Na prática, os modelos numéricos, foram impressos, em formato papel, segundo fatias axiais1_,

de modo a permitir a criação manual dos moldes que permitiram conformar o fantoma físico. Cada uma das fatias para a construção do molde dos fantomas homogéneos e heterogéneo possuíam uma espessura de 3 e 2,5 mm, respetivamente.

1 _{As fatias axiais do modelo 3D foram obtidas utilizando a aplicação gratuita Paraview.}

Pele Cérebro

Crânio

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As vinte e oito fatias que deram forma ao molde dos fantomas homogéneos foram construídas em papel pluma2_{, com 3 mm de espessura; este material permitiu obter facilmente um molde}

resistente e com bons acabamentos, devido à sua fácil manipulação, rigidez e textura, outra vantagem no uso deste material foi a sua impermeabilidade. Antes do enchimento, a cavidade do molde foi untada com glicerina líquida, que funcionou como lubrificante, evitando a adesão do modelo da cabeça ao molde e facilitando a sua extração. Como o objetivo do fantoma físico era apenas a demonstração de conceitos, o modelo foi produzido inicialmente com silicone comercial; este material caracteriza-se por ser leve, facilmente moldável, ter boa aderência, curar rápido e ter elevada durabilidade, preservando a forma por longos períodos de tempo. A figura 4.11 ilustra o enchimento e o abate do molde para o modelo físico homogéneo construído em silicone, na figura 4.12 encontra-se representado, em várias perspetivas, o modelo final.

Figura 4.11 – Enchimento do molde do modelo homogéneo da cabeça com silicone e desmantelamento do mesmo.

Figura 4.12 – Modelo homogéneo da cabeça construído em silicone, visto em várias perspetivas. Além do modelo em silicone, utilizando o mesmo molde, foi ainda construído um fantoma em gesso e outro em silicone líquido. A figura 4.13 ilustra os três modelos homogéneos

87 construídos com os diferentes materiais. O modelo de gesso é o que apresenta um acabamento mais imperfeito, enquanto o modelo em silicone liquido depois de curado a conformação é modificada irreversivelmente sob pressão.

Figura 4.13 – Fantomas homogéneos construídos em silicone liquido, gesso e silicone comum (da esquerda para a direita).

Para medidas realistas e validação de modelos a ideia seria a construção de fantomas em materiais híbridos, à base de hidrogéis, especificamente sintetizados de modo a apresentarem as mesmas características dielétricas dos tecidos na gama de frequências utilizada.

Para a construção do fantoma heterogéneo foram também elaboradas fatias em papel cartonado com 2,5 mm de espessura. Neste caso, devido à permeabilidade do molde foi utilizada laca de cabelo como agente desmoldante, uma vez que esta permite a criação de um filme fino de maneira a evitar a aderência do modelo ao molde.

No molde do cérebro, constituído por 54 fatias, foi considerada uma linha de apartação que dividia o cérebro exatamente a meia altura, portanto com o mesmo número de fatias; esta linha permitiu criar duas apartações independentes do molde que foram preenchidas com dois diferentes tipos de silicone comerciais; sendo um ligeiramente mais viscoso que outro, de modo a testar materiais (contração e resistência da forma à compressão), bem como a técnica de construção. A figura 4.14 ilustra alguns dos passos realizados na construção do modelo do cérebro.

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Figura 4.14 – Construção do modelo do cérebro, nas figuras acima ilustra-se o abate do molde e nas figuras abaixo o aspeto final do modelo.

A construção do crânio, devido à sua complexa morfologia e também para facilitar a extração do molde, foi realizada com uma série de peças separadas (figura 4.15). A caixa craniana foi dividida em duas partes, exatamente ao nível da linha de apartação criada para o cérebro, de modo a possibilitar o acesso ao interior da cavidade craniana para medição. A coluna vertebral foi dividida em uma série de peças praticamente coincidentes com as vértebras. Para a construção desta camada, como material, foi escolhido o gesso fino.

O modelo 3D do esqueleto é sem dúvida a parte mais exigente e complicada devido a problemas de continuidade. A sua construção numérica e depois na construção dos moldes e respetivo enchimento é particularmente difícil.

Por outro lado o gesso (sulfato de cálcio semi-hidratado) depois de seco apresenta boa agregação e tem uma densidade (2,3 a 2,4 g/cm3_{) próxima da hidroxapatite (3,12 a 3,14 g/cm}3₎

que constitui o osso, que no entanto não é homogéneo e tem porosidade variável). No entanto o material é higroscópio, que torna problemático o seu processamento com materiais híbridos.

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Figura 4.15 – Aspeto do modelo do crânio dividido ainda dividido em várias peças.

No molde da camada mais externa do modelo, circunscrito pelo músculo, gordura e superfície da pele, foi produzido em silicone líquido, para facilitar o vazamento e enchimento do molde. Sendo que o crânio e o cérebro se encontravam devidamente posicionados no interior do molde de modo a ocuparem a sua posição correta; o molde, na prática, definia o limite externo da cabeça e o esqueleto funcionou como um macho de moldação. A vantagem da utilização do silicone líquido foi a sua baixa viscosidade o que permitiu o enchimento total do molde sem a criação de bolhas e incongruências de apartação, pois o molde cartonado seria perdido. A figura 4.16 ilustra os principais passos para a construção desta camada mais externa do modelo da cabeça.

Figura 4.16 – Construção da camada mais externa do fantoma da cabeça (A) posicionamento do crânio no interior do molde; (B) abate do molde; (c) e (D) aspeto final do modelo dividido em duas

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Note-se que, o modelo final possui uma linha de partição comum às três camadas localizada exatamente a meio do cérebro (figura 4.17), o que possibilita o acesso ao interior do córtex cerebral e portanto permite testar antenas de transmissão no interior do cérebro, como se prevê para as novas próteses de visão biónica (Li, 2013).

Figura 4.17 – Resultado final da construção do fantoma físico.

Concluindo, esta prova de conceito será necessária para a investigação de materiais para uma construção expedita. No caso dos ossos do esqueleto será necessário substituir o gesso (essencialmente 2CaSO4.H2O, sulfato de cálcio semi-hidratado) por um composto de cálcio

91 menos higroscópico e que seja simultaneamente fácil de moldar e com forte coesão depois de seco. No caso dos tecidos moles, como já se referiu, os híbridos de hidrogéis serão a primeira escolha para testes, devido à facilidade de moldação e por serem fáceis de sintetizar com as características requeridas (Mobashsher & Abbosh, 2015).

4.4

SIMULAÇÃO DE ANTENAS UTILIZANDO FANTOMAS

A presente secção visa a simulação e avaliação de antenas para WBAN, no caso particular da cabeça humana em contexto real utilizando fantomas numéricos. As simulações numéricas foram realizadas no software Comsol Multiphysics® 5.0, um programa que utiliza o método dos elementos finitos para a resolução de problemas com modelos conhecidos. Como referido, a cabeça aparece a parte mais delicada para o desenvolvimento de próteses implantáveis, nomeadamente para o fabrico de próteses para visão biónica e novas próteses auditivas.

Os efeitos induzidos pela radiação EM das antenas foram avaliados nos tecidos da cabeça humana, uma vez que estes são considerados mais vulneráveis. Como disse Wessapan & Phadungsak (2012), no cérebro humano um incremento de temperatura igual a 3,5 ºC é conhecido como o limite máximo permitido de modo a não ocorrerem danos fisiológicos irreversíveis. É ainda referido que um pequeno aumento de temperatura, na ordem dos 0,2 a 0,3 ºC, no hipotálamo conduz a uma alteração do mecanismo de termorregulação, útil para o bem-estar e conforto do indivíduo.

Para a compreensão dos fenómenos que ocorrem nos tecidos da cabeça, pela exposição a um campo EM, foi investigada a propagação das ondas EM e a transferência de calor nos tecidos biológicos quando expostos a essa radiação através das equações de Maxwell e da condução térmica, respetivamente. A simulação permitiu analisar numericamente, a distribuição da energia absorvida e a temperatura no modelo 3D. A simulação permitiu avaliar os efeitos da radiação no aumento da temperatura dos tecidos biológicos na vizinhança das antenas e compreender como o tipo, forma e condições funcionamento influenciam espacialmente tais efeitos.

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