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CPGEI (Mestrado): Alessandra Kalinowski-26/04/17

Defesa Pública de Mestrado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
Quando 26/04/2017
das 13h30 até 16h30
Onde Sede Central: Sala B-205
Nome do Contato Prof. Jean Carlos Cardozo da Silva
Participantes Prof. Jean Carlos Cardozo da Silva, Dr. Orientador - UTFPR
Prof. Leandro Zen Karam, Dr. Co-orientador - PUCPR
Banca examinadora:
Prof. Jean Carlos Cardozo da Silva, Dr. Presidente - UTFPR
Prof. Anselmo Frizera Neto, Dr. - UFES
Profa. Ilda Abe, Dra. - UTFPR
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Caracterização e calibração de um sensor a fibra ótica baseado em redes de Bragg para análise biomecânica in vivo

Resumo:  O presente trabalho estuda o comportamento de um biosensor que utiliza redes de Bragg em fibra ótica capaz de mensurar deformações em tecido ósseo. O objetivo é calibrar e caracterizar o sensor com seu encapsulamento para que este possa futuramente ser implantado em um animal vivo e assim permita aprimorar estudos a respeito do comportamento ósseo em sua microestrutura. Para o desenvolvimento deste estudo é preciso conhecer o comportamento ósseo como um todo, a biomecânica do local específico onde pretende-se implantar o sensor, o funcionamento do sensor, bem como o comportamento de seu encapsulamento; portanto, todos esses aspectos são estudados. Para caracterização e calibração do sensor encapsulado foi realizado teste de tração em software (simulação numérica) e arranjo experimental de calibração (teste prático), para que seja possível sua aplicação final desejada. Os testes realizados são descritos neste trabalho. Os resultados obtidos demonstram que o transdutor e o encapsulamento utilizado são adequados para captar deformações inferiores à 0,1 N, apresentam resposta linear, com um coeficiente de correlação da média dos 5 sensores testados em 0,999, incerteza expandida de 0,07 N e coeficiente de carga de 77 pm/N; boa repetibilidade, e componentes biocompatíveis, sendo assim, o sensor é adequado para aplicações in vivo. Através dos testes também foi possível determinar o melhor local e maneira para sua implementação em uma aplicação específica, que é a análise de deformação óssea em uma superfície externa de mandíbula bovina durante movimentos mastigatórios de diferentes alimentos.
Palavras-chave: Biomecânica, Biosensor, Redes de Bragg, Monitoração In Vivo, Sensores em fibra ótica

Characterization and calibration of a fiber optical sensor based on Bragg gratings for biomechanical analysis in vivo

Abstract: The present work studies behavior of a biosensor that uses Bragg gratings in optical fibers, capable to measuring deformations in bone tissue. The aim is to characterize and calibrate the sensor with its encapsulation so that it can be implanted in a living animal in the future and thus allow to improve studies about bone behavior in its microstructure. For the development of this study it is necessary to know the bone behavior as a whole, the biomechanics of the specific area where the sensor will be implanted, the sensor operation, as well as the behavior of its encapsulation; therefore, all these aspects are studied. For the characterization and calibration of the encapsulated sensor, a software traction test (numerical simulation) and an experimental calibration arrangement (practical test) were carried out, so that its desired final application could be possible. The tests performed are described in this work. The results show that the transducer and the encapsulation used are adequate to capture deformations lower than 0.1 N, presented a linear response, with a correlation coefficient of the average of 5 sensors at 0.999, expanded uncertainty of 0.07 N and slope 77 pm/N; good repeatability, and biocompatible components. The sensor is suitable for in vivo applications. Through the tests it was also possible to determine the best place and way for its implementation in a specific application, that is the analysis of bone deformation on an external surface of bovine mandible during chewing movements of different foods.
Keywords: Biomechanics, Biosensor, Bragg gratings, In vivo monitoring, Optical-fiber sensors

Lista de publicações:

KALINOWSKI, A.; RENZO, A. B. ; KARAM, L. Z. ; PEGORINI, V. ; CARDOSO, R. ; KALINOWSKI, H. J. ; SILVA, J. C. C. . Sensor a fibra ótica utilizando redes de Bragg para análise de tensão óssea. In: XXV Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica, 2016, Foz do Iguaçu. Anais do XXV Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica, 2016.

KALINOWSKI, A,; KARAM, L. Z.; PEGORINI, V.; RENZO, A. B.; PITTA, C. S. R.; CARDOSO, R.; ASSMANN, T. S.; KALINOWSKI, H. J.; SILVA, J. C. C. Optical Fiber Bragg Grating Strain Sensor for Bone Stress Analysis in Bovine during Masticatory Movements. IEEE Sensors Journal, vol.17, no.8, pp. 2385-2392, 2017.

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