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 Aplicações das redes de Bragg na biomecânica
Please use this identifier to cite or link to this item http://hdl.handle.net/10773/4836

title: Aplicações das redes de Bragg na biomecânica
authors: Schiller, Marcelo Weber
advisors: Lopes, Paulo Artur Pinto de Oliveira
keywords: Física
Sensores de fibras ópticas
Redes de Bragg
Biomecânica
Implantes
issue date: 2009
publisher: Universidade de Aveiro
abstract: O presente trabalho tem como objectivo o estudo, desenvolvimento e aplicações na área da biomecânica de sensores intrínsecos baseados em redes de Bragg em fibras ópticas (FBG). As aplicações são feitas em modelos biomecânicos in vitro tais como: implantes de anca, prótese de joelho, placas de osteossíntese e implantes dentários. A optimização do desenvolvimento de próteses e respectivos elementos de fixação é actualmente dependente da geração e validação experimental de seus modelos computacionais. A validação destes modelos é normalmente feita utilizando-se dados de ensaios não invasivos e invasivos em modelos sintéticos. Em ensaios in vitro os sensores convencionais têm um princípio de funcionamento eléctrico e apresentam por vezes dimensões inadequadas. Existem situações exploradas no presente trabalho, tais como sensoriamento de superfícies irregulares e junções ou ainda análises de deformações internas, onde é recomendável a utilização de sensores FBG, pois apresentam dimensões reduzidas e flexibilidade o que permite efectuar medidas localizadas. O desenvolvimento de um protocolo de utilização de FBG e a sua aplicação no contexto apresentado demonstrou-se mais adequado, pela precisão e segurança futura oferecidas. Foi desenvolvida uma metodologia experimental para medidas de deformações utilizando FBG ao longo de uma placa de osteossíntese metálica aparafusada a um fémur sintético fracturado. Foi efectuada a monitorização da cura do cimento ósseo utilizado como fixador do prato tibial na artroplastia total do joelho através da medida da sua contracção e temperatura. Foi também desenvolvido um sistema refrigerador com resposta às leituras de temperatura com vista a evitar a necrose do osso. Foram efectuados estudos de deformação nesse cimento após a sua cura, como resultado da aplicação de cargas mecânicas estáticas. Foram efectuados estudos da cura de cimento ósseo aplicado a próteses de anca e também de deformações nestas próteses. Foi ainda efectuado o estudo comparativo de vários implantes dentários através da medida da distribuição de deformações como resposta a excitações mecânicas impulsivas. Para a desmodulação das FBG foram inicialmente utilizados sistemas comerciais. Entretanto algumas aplicações não puderam ser implementadas com estes sistemas comerciais devido à baixa reflectividade das FBG utilizadas, mas fundamentalmente devido à necessidade de executar testes com uma taxa de aquisição maior do que os 5 Hz disponíveis (cerca de 15 kHz). Por estes motivos foi desenvolvido um sistema optoelectrónico completo de desmodulação de FBG baseado num filtro sintonizável e que tem como característica principal a alta taxa de aquisição (até 1,2 MHz) mas também se destaca pela facilidade na reconfiguração dos parâmetros de leitura, pela apresentação duma interface de utilizador amigável e pela capacidade de operar com até 5 FBG na mesma fibra óptica.

The aim of this work is to study, develop and apply sensors based in optical fiber Bragg grating (FBG) in the field of biomechanics. The specific applications are models in vitro: hip prosthesis, knee prosthesis, osteosynthesis bone plates and dental implants. The optimization of those experimental studies is made dependent on the results obtained from valid computational models. In order to firstly validate those models, either invasive or non-invasive experimental tests are initially carried out in synthetic models or bone. Using conventional sensors in invasive tests is usually not advised not only for security reasons but also to avoid external interference since they work electrically. Furthermore their dimensions may not be adequate. There are situations explored in this work, like sensing irregular joint surfaces or internal analysis of inner deformation, in which the need for extremely localised measures requires the use of sensors based in optical fiber because of their low dimensions and flexibility. Special procedures for the use and installation of FBG in order to obtain more precision were developed. A new methodology to measure strain along an osteosynthesis bone plate attached to a synthetic femur was adopted. The solidification process of the cement used to fix the tibial plate in a total knee arthroplasty was monitored. A cooler system using temperature readings was also developed to deal with the intense heating and so diminish necrosis hazards to the bone. Strain measurements of that cement after curing were carried out for static loads. Similar studies of the cement curing process were carried out for the case of hip prosthesis. Studies of load transfer around dental implants as a result of dynamic mechanical stress were also carried out. The demodulation of the FGB was initially done using commercial systems. For some applications, however, these commercial systems are unsuitable. One reason is the low reflectivity of some FBG; but the main reason is the need for a sampling rate higher than those available 5 Hz, namely around 15 kHz. For that reason a whole new optoelectronic device built around a tunable filter was developed and assembled. This device may reach the high sampling rate of 1.2 MHz and also has a friendly user interface, allows an easy configuration of parameters and is capable of reading up to 5 FBG written in a same sensing fiber.
description: Doutoramento em Física
URI: http://hdl.handle.net/10773/4836
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FIS - Teses de doutoramento

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