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Análise biomecânica e cinesiológica humana utilizando redes de bragg em fibra ótica

One of the categories of surgical treatment for complex, infected and/or unconsolidated bone fractures is external fixation. Successful treatment with external fixators requires the right time for removal and therefore a reliable consolidation assessment. Early fixator removal can lead to bone refra...

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Autor principal:	Kalinowski, Alessandra
Formato:	Tese
Idioma:	Português
Publicado em:	Universidade Tecnológica Federal do Paraná 2022
Assuntos:	Fibras ópticas Biomecânica - Análises Fraturas - Fixação externa Cinesiologia Detectores ópticos Análise numérica Optical fibers Biomechanics - Analysis External Skeletal fixation (Surgery) Kinesiology Optical detectors Numerical analysis CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA Engenharia Elétrica
Acesso em linha:	http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/27909
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spelling	riut-1-279092022-04-09T06:07:39Z Análise biomecânica e cinesiológica humana utilizando redes de bragg em fibra ótica Biomechanical and kinesiological analysis using fiber bragg gratings Kalinowski, Alessandra Silva, Jean Carlos Cardozo da https://orcid.org/0000-0003-2310-9159 http://lattes.cnpq.br/9949032159595994 Karam, Leandro Zen https://orcid.org/ 0000-0003-0008-1851 http://lattes.cnpq.br/3098825752151765 Frizera Neto, Anselmo https://orcid.org/0000-0002-0687-3967 http://lattes.cnpq.br/8928890008799265 Ramos, Antonio Manuel de Amaral Monteiro . Abe, Ilda https://orcid.org/0000-0003-1142-8996 http://lattes.cnpq.br/6430809426743411 Silva, Jean Carlos Cardozo da https://orcid.org/0000-0003-2310-9159 http://lattes.cnpq.br/9949032159595994 Domingues, Maria de Fatima Fonseca Fibras ópticas Biomecânica - Análises Fraturas - Fixação externa Cinesiologia Detectores ópticos Análise numérica Optical fibers Biomechanics - Analysis External Skeletal fixation (Surgery) Kinesiology Optical detectors Numerical analysis CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA Engenharia Elétrica One of the categories of surgical treatment for complex, infected and/or unconsolidated bone fractures is external fixation. Successful treatment with external fixators requires the right time for removal and therefore a reliable consolidation assessment. Early fixator removal can lead to bone refracture, while delayed removal results in unnecessarily prolonged and expensive treatments. Currently, fixator removal follows radiographic evaluation, as the main information resource. This method has disadvantages, patients may be exposed to radiation many times during their treatment and depends on subjective evaluation. Radiographs provide non-specific information about the mechanical quality of the bone callus, só quantitative data are needed to optimize treatment. This work aims to create a new non-invasive tool for the analysis of bone consolidation using optical sensors, optical fiber Bragg gratings – FBG. This work consists of simulation, instrumentation and characterization of the mechanical behavior of Schanz pins of a circular external fixator instrumented to a fêmur. The study of the external fixator was done through finite element analysis, experimental analysis in the laboratory and in vivo analysis. Each analysis was performed in two stages: static and dynamic studies. The results of the static study with the synthetic fêmur showed that at the beginning of the bone union phase, the forces were concentrated on the pins close to the fracture and as the consolidation occurs, the forces gradually began to be concentrated on the more distal pins, according to the results of numerical analysis. The evolution of tension/compression on the pins from the fractured fêmur to the intact fêmur was greater than 90% in all pins. It was possible to differentiate the bone callus stiffness through the deformation detected in the Schanz pins. The results of the dynamic analysis indicated that among all the resonant frequencies, the first seems to be more related to the bone healing process, showing a variation of approximately 22% between the fracture situation and the union, as measured by FBG sensors. In the preliminary in vivo tests, the FBG sensor results demonstrated its technical feasibility to detect the bone callus healing stage. As a non-invasive technology, it has the potential to become an important tool to assist medical staff in analyzing bone consolidation. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Uma das categorias de tratamento cirúrgico de fraturas ósseas complexas, infectadas e/ou não consolidadas é a fixação externa. O tratamento bem-sucedido com fixadores externos requer o momento correto para sua remoção e, portanto, uma avaliação de consolidação confiável. A remoção precoce do fixador pode levar à refratura óssea, enquanto a remoção retardada resulta em tratamentos desnecessariamente prolongados e caros. Atualmente, a remoção do fixador segue a avaliação radiográfica como principal recurso de informação. Esse método apresenta desvantagens, pois os pacientes podem ser expostos à radiação muitas vezes durante seu tratamento e o mesmo depende de uma avaliação subjetiva. Radiografias fornecem informações não específicas sobre a qualidade mecânica do calo ósseo, portanto, dados quantitativos são necessários para otimizar o tratamento. Este trabalho tem por objetivo criar uma nova ferramenta não invasiva de análise de consolidação óssea utilizando sensores óticos, redes de Bragg em fibra ótica – FBG. Este trabalho é composto por simulação, instrumentação e caracterização do comportamento mecânico dos pinos de Schanz de um fixador externo circular instrumentado à um fêmur. O estudo do fixador externo foi feito através da análise de elementos finitos, análise experimental em laboratório e análise in vivo – estudo de caso. Cada análise foi realizada em duas etapas: estudos estático e dinâmico. Os resultados do estudo estático com o fêmur sintético demonstraram que no início da fase de consolidação óssea, as forças se concentraram nos pinos próximos a fratura e conforme ocorre a consolidação, as forças gradualmente passam a se concentrar sobre os pinos mais distais, conforme os resultados da análise numérica. A diminuição da tração/compressão sobre os pinos do fêmur fraturado para o fêmur íntegro foi maior do que 90% em todos os pinos. Foi possível diferenciar a rigidez do calo ósseo por meio da deformação detectada nos pinos de Schanz. Os resultados da análise dinâmica indicaram que, entre todas as frequências ressonantes, a primeira parece estar mais relacionada com o processo de consolidação óssea, apresentando uma variação de aproximadamente 22% entre a situação da fratura até a consolidação, medida pelos sensores FBG. Nos testes preliminares in vivo, os resultados do sensor FBG demonstraram sua viabilidade técnica para detectar o estágio de consolidação do calo ósseo. Por ser uma tecnologia não invasiva, ela tem potencial para se tornar uma ferramenta importante para auxiliar a equipe médica na análise de consolidação óssea. 2022-04-08T14:56:00Z 2022-04-08T14:56:00Z 2021-12-06 doctoralThesis KALINOWSKI, Alessandra. Análise biomecânica e cinesiológica humana utilizando redes de bragg em fibra ótica. 2021. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2021. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/27909 por openAccess http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Curitiba Brasil Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial UTFPR
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topic	Fibras ópticas Biomecânica - Análises Fraturas - Fixação externa Cinesiologia Detectores ópticos Análise numérica Optical fibers Biomechanics - Analysis External Skeletal fixation (Surgery) Kinesiology Optical detectors Numerical analysis CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA Engenharia Elétrica
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description	One of the categories of surgical treatment for complex, infected and/or unconsolidated bone fractures is external fixation. Successful treatment with external fixators requires the right time for removal and therefore a reliable consolidation assessment. Early fixator removal can lead to bone refracture, while delayed removal results in unnecessarily prolonged and expensive treatments. Currently, fixator removal follows radiographic evaluation, as the main information resource. This method has disadvantages, patients may be exposed to radiation many times during their treatment and depends on subjective evaluation. Radiographs provide non-specific information about the mechanical quality of the bone callus, só quantitative data are needed to optimize treatment. This work aims to create a new non-invasive tool for the analysis of bone consolidation using optical sensors, optical fiber Bragg gratings – FBG. This work consists of simulation, instrumentation and characterization of the mechanical behavior of Schanz pins of a circular external fixator instrumented to a fêmur. The study of the external fixator was done through finite element analysis, experimental analysis in the laboratory and in vivo analysis. Each analysis was performed in two stages: static and dynamic studies. The results of the static study with the synthetic fêmur showed that at the beginning of the bone union phase, the forces were concentrated on the pins close to the fracture and as the consolidation occurs, the forces gradually began to be concentrated on the more distal pins, according to the results of numerical analysis. The evolution of tension/compression on the pins from the fractured fêmur to the intact fêmur was greater than 90% in all pins. It was possible to differentiate the bone callus stiffness through the deformation detected in the Schanz pins. The results of the dynamic analysis indicated that among all the resonant frequencies, the first seems to be more related to the bone healing process, showing a variation of approximately 22% between the fracture situation and the union, as measured by FBG sensors. In the preliminary in vivo tests, the FBG sensor results demonstrated its technical feasibility to detect the bone callus healing stage. As a non-invasive technology, it has the potential to become an important tool to assist medical staff in analyzing bone consolidation.
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Análise biomecânica e cinesiológica humana utilizando redes de bragg em fibra ótica

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