Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/36444
Title: Desenvolvimento de um sensor capacitivo para monitorizar a evolução de fraturas ósseas em implantes bioeletrónicos multifuncionais
Other Titles: Development of a capacitive sensor to monitor fracture healing stages for multifunctional bioelectronic implants
Author: Conceição, Cassandra Silva
Advisor: Santos, Marco Paulo Soares dos
Completo, António
Keywords: Dispositivo médico inteligente
Monitorização da fratura óssea
Sensor capacitivo
Estados de cicatrização de fraturas ósseas
Implante instrumentado
Medição fisiológica
Defense Date: 23-Nov-2022
Abstract: As fraturas ósseas são um problema global de saúde pública, representando um grande inconveniente económico. Atualmente, ocorrem milhões de fraturas ósseas por ano, o que implica enormes gastos a nível hospitalar. Além disso, nas últimas décadas tem-se observado aumentos sustentados no número de casos incidentes, no número de casos prevalecentes e no número de anos vividos com incapacidade, em grande parte devido ao crescimento populacional e ao envelhecimento. O aumento de fraturas ósseas em idades ativas demonstra o importante papel que a sua prevenção e melhoria do tratamento têm na redução das consequências devido à incapacidade, onde se incluem a produtividade e a qualidade de vida. As técnicas de monitorização atuais são baseadas na imagiologia pelo que apresentam subjetividade, sujeitam o paciente a elevadas taxas de radiação, apresentam custos elevados, não fornecem informação sobre o estado biomecânico da fratura e são incapazes de realizar uma monitorização contínua. Por isso, é urgente a criação de métodos fiáveis, não invasivos e objetivos, capazes de estabelecer quantitativamente e qualitativamente o estado de cicatrização óssea. Isto permitirá realizar ações preventivas, diminuir períodos de tratamento e prevenir reintervenções cirúrgicas adicionais. Por outras palavras, proporcionará reduzir custos hospitalares e melhorar a qualidade de vida do paciente. Uma forma de ultrapassar as limitações das técnicas atuais passa por conceber implantes bioeletrónicos multifuncionais. Neste sentido, a presente dissertação propõe o desenvolvimento de um sensor capacitivo para dispositivos médicos inteligentes capaz de monitorizar a evolução de fraturas ósseas. Este dispositivo baseia-se nas alterações de capacidade elétrica devido aos diferentes tecidos ósseos ao longo de uma fratura. Para atingir esse objetivo foram desenvolvidos modelos computacionais para simulação da variação de capacidade elétrica ao longo do processo de cicatrização e auxílio do projeto do sensor capacitivo, assim como realizados testes experimentais in vitro, de forma a avaliar o desempenho da tecnologia desenvolvida. Os testes in vitro com espécimes biológicas permitiram distinguir as diferentes fases de cicatrização óssea. As curvas de capacidade ao longo da região fraturada apresentam uma configuração de curva de distribuição normal, aumentando desde as extremidades até à zona central da fratura onde o hematoma/calo ósseo apresenta maiores dimensões. Os valores de capacidade diminuem à medida que o processo de cura avança, obtendo-se variações cada vez menores até que o osso apresente características iguais às do osso primitivo, onde a curva é, aproximadamente, constante. O valor máximo de capacidade obtido foi de 1,4972 pF e o valor mínimo de 1,4090 pF. Foram observados valores de correlação entre as curvas experimentais e as curvas numéricas iguais ou superiores a 90% em todos os casos, e o erro máximo obtido foi inferior a 5%. Com este estudo demonstra-se a capacidade de uma rede capacitiva para monitorizar diferentes fases de cicatrização óssea, fornecendo, pela primeira vez, resultados promissores inerentes à utilização de tecnologias capacitivas para implantes instrumentados, que têm potencial para ultrapassar as limitações das tecnologias atuais.
Bone fractures are a global public health problem, representing a major economic inconvenience. Nowadays, millions of bone fractures occur every year, which means huge hospital expenses. In addition, recent decades have seen sustained increases in the number of incident cases, the number of prevalent cases, and the number of years lived with disability, largely due to population growth and aging. The increase in bone fractures at active ages demonstrates the important role that their prevention and improved treatment have in the consequences reduction due to disability, including productivity and quality of life. Current monitoring techniques are image-based. So, they are subjective, subject the patient to high rates of radiation, are expensive, do not provide information about the biomechanical state of the fracture and are unable to perform continuous monitoring. Therefore, there is an urgent need for reliable, non-invasive and objective methods capable of establishing quantitatively and qualitatively the state of bone healing. This will allow preventive actions, shorten treatment periods, and prevent additional surgical reinterventions. In other words, it will reduce hospital costs and improve the patient’s quality of life. One way to overcome the limitations of current techniques is to design multifunctional bioelectronic implants. In this sense, the present dissertation proposes the development of a capacitive sensor for intelligent medical devices with ability to monitoring the evolution of bone fractures. This device is based on the changes of electrical capacitance due to the different bone tissues along a fracture. To achieve this goal, computer models were developed to simulate the variation of electrical capacitance along the healing process and help in the design of the capacitive sensor, as well as in vitro experimental tests, in order to evaluate the performance of the technology developed. In vitro tests with biological specimens allowed the different phases of bone healing to be distinguished. The capacity curves along the fracture region present a normal distribution curve configuration, increasing from the extremities to the central area of the fracture where the haematoma/callus presents larger dimensions. The capacity values decrease as the healing process progresses obtaining smaller and smaller variations until the bone presents characteristics equal to those of the primitive bone, where the curve is approximately constant. The maximum value of capacity obtained was 1.4972 pF, and the minimum value was 1.4090 pF. Correlation values between the experimental curves and the numerical curves equal to or greater than 90% were observed in all cases and the maximum error obtained was less than 5%. This study demonstrates the ability of a capacitive network to monitor different phases of bone healing, providing, for the first time, promising results inherent to the use of capacitive technologies for instrumented implants that have the potential to overcome the limitations of current technologies.
URI: http://hdl.handle.net/10773/36444
Appears in Collections:UA - Dissertações de mestrado
DEM - Dissertações de mestrado

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