Mathematical modeling of human skin simulator to analyze the force applied by the needle

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade Gama, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Biomédica, 2014.Um dos grandes desafios da ciência atualmente é traduzir em termos e relações matemáticas o funcionamento de fenômenos e sistemas que compõem o universo. Deseja-se desenvolver e usar esse conhecimento de como os fatores de um sistema se relacionam para adequar e melhorar os processos que interagem com tal sistema. Sob o enfoque da Bioengenharia, é inserido este trabalho, que apresenta o processo de modelagem matemática da pele humana com intuito de melhorar os processos de perfuração com agulhas na região abdominal. A pele sofre uma distribuição da pressão e força de elasticidade ao ser perfurada pela agulha. Existe a necessidade de mensurar as propriedades mecânicas da pele humana por uma representação matemática capaz de simular as deformações que nela ocorrem durante os movimentos do corpo e os processos de perfuração com agulhas, visto que a pele apresenta propriedades mecânicas não lineares, anisotrópica e viscoelástica que variam. Diante disso, é proposta a utilização da teoria de Bond Graph para modelagem matemática de sistemas fisiológicos complexos para a geração de parâmetros que podem ser mais eficazes. A teoria de Bond Graph é uma representação unificada de sistemas dinâmicos, nos quais os elementos interagem entre si por meio de portas, alocados dentro do sistema, onde ocorrerá a troca de energia. Esta dissertação apresenta dois objetivos: modelagem matemática usando a técnica de modelagem pela física do processo e modelagem utilizando Bond Graph; e uma análise dinâmica desse sistema é apresentada com uma comparação dos dois métodos. O sistema modelado apresentou estabilidade, o que é um aspecto positivo e que condiz com o fato de o sistema tender a se estabilizar no decorrer do procedimento de perfuração por agulha após o primeiro contato com a pele.A major challenge now is to translate science and mathematical relationships in terms of the operating systems and phenomena that make up the universe. We intend to develop and use this knowledge as factors of a system relate to adapt and improve processes that interact with such a system. Under the focus of this work is inserted Bioengineering, which presents the process of mathematical modeling of the human skin with the aim of improving the processes of drilling needles in the abdominal region. The skin undergoes a pressure distribution of elasticity and strength to be pierced by the needle. There is a need to measure the mechanical properties of human skin by a mathematical representation capable of simulating the deformation that occurs therein during movement of the body and drilling processes with needles, since the skin has non-linear viscoelastic and anisotropic mechanical properties ranging. Therefore, we propose the use of Bond Graph theory for mathematical modeling of complex physiological systems to generate parameters that can be most effective. Bond Graph theory is a unified representation of dynamic systems in which elements interact with each other through ports allocated within the system, where the exchange of energy occurs. This work has two objectives: mathematical modeling using the technique of modeling the physics of the process and modeling using Bond Graph; and a dynamic analysis of such systems is presented with a comparison of two methods. The modeled system was stable, which is positive and which is consistent with the fact that the system tends to stabilize during the needle drilling procedure after the first contact with the skin