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Título: Protocolo para modelagem e fabricação de biomodelos de coração canino por manufatura aditiva
Título(s) alternativo(s): Protocol for modeling and manufacture of canine heart biomodels by additive manufacturing
Autor(es): Lisboa, Luiz Eduardo Oliveira
Orientador(es): Foggiatto, José Aguiomar
Palavras-chave: Impressão tridimensional - Uso terapêutico
Coração - Anatomia - Modelos
Anatomia veterinária - Estudo e ensino
Modelagem tridimensional
Design e ciência - Modelos
Three-dimensional printing - Therapeutic use
Heart - Anatomy - Models
Veterinary anatomy - Study and teaching
Three-dimensional modeling
Design and science - Models
Data do documento: 29-Ago-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: LISBOA, Luiz Eduardo Oliveira. Protocolo para modelagem e fabricação de biomodelos de coração canino por manufatura aditiva. 2026. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2025.
Resumo: Os métodos tradicionais de ensino da anatomia veterinária, embora fundamentais, enfrentam desafios éticos e logísticos, como a escassez e a degradação de peças cadavéricas. A Manufatura Aditiva, conhecida como impressão 3D, apresenta-se como uma solução tecnológica viável, permitindo a criação de réplicas físicas a partir de exames de imagem. Contudo, a aplicação desta tecnologia na área é frequentemente marcada pelo empirismo, carecendo de uma abordagem sistemática que garanta a fidelidade anatômica e a repetibilidade, especialmente para órgãos de geometria complexa como o coração canino. Esta dissertação teve como objetivo principal o desenvolvimento e a avaliação de biomodelos de corações caninos, e como objetivo secundário, o estabelecimento de um protocolo de engenharia detalhado para sua modelagem e fabricação, visando o ensino da anatomia. A metodologia Design Science Research foi adotada como estrutura para guiar o processo iterativo de desenvolvimento e avaliação dos artefatos. O protocolo de fabricação teve início com a seleção de imagens de Tomografia Computadorizada de alta resolução e com contraste, em formato DICOM, de dois cães de raças distintas. A etapa de segmentação de imagem, identificada como a mais crítica do processo, foi executada em software especializado. O método desenvolvido para superar as dificuldades de segmentação consistiu em uma abordagem de dupla máscara: uma primeira máscara foi criada para as cavidades internas, conhecidas como blood pool, e uma segunda máscara foi gerada para a massa muscular cardíaca total. Uma operação booleana de subtração foi então aplicada para fundir estas máscaras, resultando em um modelo tridimensional oco e com alta fidelidade anatômica. Posteriormente, a malha tridimensional foi refinada em software de edição de malhas para correção e suavização. Os biomodelos foram então preparados em duas configurações: uma integral, para estudo externo, e outra seccionada no septo atrioventricular, para estudo interno. A fabricação dos biomodelos, os artefatos primários desta pesquisa, foi realizada por duas tecnologias distintas: Extrusão de Material com filamento de PLA e Fotopolimerização em Cuba com resina. Para avaliar a eficácia destes artefatos, os biomodelos foram submetidos a um processo de validação por um painel de especialistas, composto por médicos veterinários cardiologistas e engenheiros. Esta avaliação foi conduzida por meio de questionários estruturados em escala Likert. Os resultados da validação demonstraram uma forte aceitação dos biomodelos. Os modelos seccionados em PLA foram considerados excelentes para o ensino de macroestruturas internas, como a espessura do miocárdio, sendo valorizados pela robustez e baixo custo. Os modelos integrais em resina foram validados como superiores na representação de detalhes anatômicos finos e da complexa vasculatura externa da base do coração. A principal limitação identificada pelos especialistas foi a percepção tátil não realista dos materiais rígidos. Conclui-se que os biomodelos desenvolvidos são artefatos precisos e de alta utilidade pedagógica. O protocolo desenvolvido, por sua vez, provou ser um método de engenharia eficaz e reprodutível, preenchendo a lacuna metodológica de padronização identificada na literatura.
Abstract: Traditional veterinary anatomy teaching methods, while fundamental, face ethical and logistical challenges, such as the scarcity and degradation of cadaveric specimens. Additive Manufacturing, known as 3D printing, presents itself as a viable technological solution, allowing the creation of physical replicas from medical imaging. However, the application of this technology in the field is frequently marked by empiricism, lacking a systematic approach that guarantees anatomical fidelity and repeatability, especially for organs with complex geometry like the canine heart. This dissertation’s main objective was the development and evaluation of canine heart biomodels, and its secondary objective, the establishment of a detailed engineering protocol for their modeling and manufacturing, aimed at anatomy education. The Design Science Research methodology was adopted as a framework to guide the iterative development and evaluation process of the artifacts. The manufacturing protocol began with the selection of high-resolution, contrast-enhanced Computed Tomography images in DICOM format from two dogs of different breeds. The image segmentation stage, identified as the most critical part of the process, was executed in specialized software. The method developed to overcome segmentation difficulties consisted of a dual-mask approach: a first mask was created for the internal cavities, known as the blood pool, and a second mask was generated for the total cardiac muscle mass. A Boolean subtraction operation was then applied to merge these masks, resulting in a hollow 3D model with high anatomical fidelity. Subsequently, the 3D mesh was refined in mesh-editing software for correction and smoothing. The biomodels were then prepared in two configurations: an integral one for external study, and a sectioned one at the atrioventricular septum for internal study. The manufacturing of the biomodels, the primary artifacts of this research, was carried out using two distinct technologies: Material Extrusion with PLA filament and Vat Photopolymerization with resin. To assess the efficacy of these artifacts, the biomodels underwent a validation process by an expert panel composed of veterinary cardiologists and engineers. This evaluation was conducted through structured Likert scale questionnaires. The validation results demonstrated strong acceptance of the biomodels. The sectioned PLA models were considered excellent for teaching internal macrostructures, such as the myocardial thickness, and were valued for their robustness and low cost. The integral resin models were validated as superior in representing fine anatomical details and the complex external vasculature of the heart’s base. The main limitation identified by the specialists was the unrealistic tactile perception of the rigid materials. It is concluded that the developed biomodels are precise artifacts of high pedagogical utility. The developed protocol, in turn, proved to be an effective and reproducible engineering method, filling the methodological gap of standardization identified in the literature.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39670
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