Optical fiber solutions to physical rehabilitation systems and e-Health applications

Abstract

In this dissertation a biaxial optical fiber sensor, based on Bragg gratings, is proposed for simultaneous monitoring of plantar and shear pressures. This work begins with the definition of the problem: the consequences of pathologies associated with diabetic foot and lower limbs disorders. It was analysed several previously published studies on plantar pressure sensors, the several methodologies and applications that already exist. A biomechanical research was carried out, with particular focus on gait pattern and human foot anatomy, in order to understand the different gait phases and points of greatest interest for foot pressure monitoring. Thus, the response of sensors based on Bragg gratings was studied in several configurations of sensing cells, then integrated in insoles. The sensitivities obtained for normal pressure were between 0.56 and 2.16 pm/kPa and, for shear pressure, between 0.51 and 3.98 pm/kPa. Those prove to be a non-invasive solution with potential to be included in e-health systems for real-time gait monitoring. They can be prepared for daily medical use, serving as important tools in aiding prevention and diagnosis, especially of foot diseases.

Nesta dissertação é proposto um sensor biaxial em fibra ótica, baseado em redes de Bragg, para monitorização simultânea de pressões plantar e de cisalhamento. Este trabalho começa com a definição do problema: as consequências de patologias associadas ao pé diabético e distúrbios na sincronização dos membros inferiores. Foram analisados vários estudos publicados anteriormente sobre sensores de pressão plantar, as diversas metodologias e aplicações já existentes. Foi realizada uma pesquisa na área da biomecânica, com particular foco no padrão de marcha e na anatomia do pé humano, de forma a compreender as diferentes fases da marcha e os pontos de maior interesse para monitorização da pressão do pé. Assim, foi desenvolvido um estudo sobre a resposta de sensores baseados em redes de Bragg à pressão, em várias configurações de células sensoriais, culminando na integração desses sensores em palmilhas. Foram obtidas sensibilidades para pressão normal entre 0,56 e 2,16 pm/kPa e, para pressão de cisalhamento, entre 0,51 e 3,98 pm/kPa. Estas demonstram ser uma solução não invasiva, com potencial de ser incluída em sistemas e-Health, para monitorização da marcha em tempo real. Podem ser preparadas para uso médico diário, servindo como importantes ferramentas no auxílio para a prevenção e diagnóstico, em especial de doenças do pé.