Research on Biomedical Engineering
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Research on Biomedical Engineering
Original Article

Metodología de construcción de muslos 3D para estimar variables eléctricas inducidas por campos magnéticos de baja frecuencia

Methodology for building 3D model of thigh to estimate electric variables induced by low-frequency magnetic fields

Moncada, María Elena; Ramírez, Héctor Cadavid

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Resumo

La construcción de modelos geométricos de tejidos biológicos es un tema de investigación actual, ya que permiten estimar y evaluar a priori señales de interés para ser posteriormente llevadas a estudios experimentales, ahorrando tiempos de investigación y dinero. En este artículo se presenta una me todología para la construcción de modelos 3D de muslo con fractura de diáfisis femoral estimulados magnéticamente. La metodología utiliza tres herramientas computacionales para crear el modelo del muslo del paciente y la fuente de estimu lación. El modelo 3D del muslo considera seis modelos vo lumétricos personalizados de: piel, músculo, hueso cortical, mé dula, clavo y la forma de fractura. Las propiedades eléctricas para el muslo son anisotrópicas. La fuente generadora es una bobina Helmholtz circular cuyo radio varía con el diámetro del muslo del paciente. Las señales de estimulación varían entre 0,5 y 2 mT, y entre 5 y 100 Hz. Las señales evaluadas fueron el campo magnético total, la densidad de corriente total y el campo eléctrico. Los resultados indicaran que la densidad de corriente inducida aumentó hasta 500 veces mientras el campo eléctrico inducido no presentó cambios cuando la frecuencia aumentó de 5 a 100 Hz. Cuando el cam po magnético incrementó de 0,5 mT a 2 mT, la densidad de corriente inducida aumentó hasta 15 veces mientras el cam po eléctrico inducido aumentó hasta 22 veces.

Palavras-chave

Modelos magnéticos 3D, Estimulación magnética, Fractura diafisaria de fémur, Estimación de variables eléctricas.

Abstract

The construction of geometric models of biological tissues is a cur rent research topic once it allows an a priori estimation and evalu ation of signals of interest for a later experimental investigation. It reduces investigation time and money. In this article a meth odology for the construction of 3D models of thighs fractured in its femoral diaphysis and with magnetic stimulation is presented. The methodology employs three computer programs (AutoCad®, Rhinoceros®, and Ansys®) to build the patient thigh model and the stimulation source. The 3D thigh model considers personal ized volumetric models of skin, muscle, cortical bone, bone mar row, nail, and the shape of the fracture. The electrical properties used were anisotropic. The generating source of magnetic field is a circular Helmholtz coil which radio varies with the diameter of pa tient’s thigh. The stimulation signal varied between 0.5 and 2 mT and between 5 and 100 Hz. Electric field, magnetic field, and cur rent density were evaluated. When the frequency increased from 5 to 100 Hz, the induced current density increased about 500 times, and the induced electric field did not present any change. When the magnetic field increased from 0.5 to 2 mT, the induced current density increased 15 times, and the induced electric field increased 22 times.

Keywords

3D Magnetic models, Magnetic stimulation, Femur diaphysis fracture, Electrical variables estimation.
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