Estudo comparativo de geradores eletromagnéticos para prótese de anca

Abstract

A necessidade de substituir os tradicionais métodos de alimentação de dispositivos médicos instrumentados implantáveis, baseados em baterias, por sistemas alternativos de durabilidade superior conduziu à crescente investigação nesta área. Após a verificação precedente desta dissertação do melhor desempenho da indução eletromagnética relativamente a outros sistemas de geração de energia, partindo do movimento humano, este trabalho descreve a conceção e avaliação comparativa de geradores eletromagnéticos, focado na implementação destes em próteses de anca em pacientes. Estes foram criados com o objetivo de operar sob movimento análogo ao da anca humana, tanto em regime de repetibilidade, recorrendo a um manipulador robótico, como em regime empírico, acoplando-o à zona da anca de um indivíduo. Uma análise comparativa foi efetuada entre diversas configurações de geradores com o intuito de, no futuro, uma otimização recorrente a modelos matemáticos não lineares seja validada e aplicada. Os resultados revelaram que a extrapolação dos dados obtidos pelos ensaios realizados no manipulador para o ciclo de marcha humano contínuo apresentou um grau considerável de discrepância para com o teste empírico. O melhor ensaio do manipulador, obtido ao longo de um período de marcha, quando multiplicado por ciclos perfaz um total de , enquanto o ensaio empírico gerou durante os mesmos ciclos de marcha. Considerando que o ensaio de marcha executado empiricamente apresenta movimento aproximadamente equivalente ao do interior de uma prótese de anca, verificou-se a geração de energia considerável para alimentar um implante inteligente, ainda que as dimensões do gerador testado sejam ainda relativamente elevadas.

The need of replacing traditional methods of feeding implantable instrumented medical devices, based on batteries, by alternative systems of superior lifetime led to an increasing investigation in this area. After the verification, preceding this dissertation, of the electromagnetic induction better performance relatively to other energy harvesting systems using human motion, this work describes the conception and comparative evaluation of electromagnetic generators, focused on their implementation in hip prostheses on patients. A comparative analysis was performed between different generator configurations, with the goal of, in the future, validating and applying an optimization resorting to non linear mathematical models. These were created with the goal of operating under motion analogous to the human hip, in either a state of repeatability, resorting to a robotic manipulator, as in empiric state, attaching it to one’s hip. The results revealed that the extrapolation of the obtained data from the trials obtained from the manipulator into a continuous human gait cycle presented a considerable degree of discrepancy with the empiric test. The best manipulator trial, obtained from one gait cycle period, when multiplied by cycles totals a harvested energy of , whilst the empiric rehearsal generated over the same gait cycle periods. Considering that the walking rehearse tested empirically presents motion approximately equivalent to the interior of a hip prosthesis, considerable energy harvesting to feed an intelligent implant was verified, although the tested generator’s dimensions are still relatively large.