Caracterização de um handgrip com mola e um bracelete instrumentados com sensores FBG e aplicação dos dispositivos em um estudo de caso de fadiga muscular
This work presents the characterization of a spring handgrip and a forearm band instrumented with sensors based on optical fiber Bragg gratings (FBGs) and application of these devices in a case study to assess muscle fatigue. Optical fiber sensors have been applied in biotechnology research, especia...
| Autor principal: | Pereira, Fábio Santana |
|---|---|
| Formato: | Dissertação |
| Idioma: | Português |
| Publicado em: |
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
2022
|
| Assuntos: | |
| Acesso em linha: |
http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/28826 |
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riut-1-288262022-06-16T06:06:22Z Caracterização de um handgrip com mola e um bracelete instrumentados com sensores FBG e aplicação dos dispositivos em um estudo de caso de fadiga muscular Characterization of a spring handgrip and a bracelet instrumented with FBG sensors and application of the devices in a case study of muscle fatigue Pereira, Fábio Santana Abe, Ilda https://orcid.org/0000-0003-1142-8996 http://lattes.cnpq.br/6430809426743411 Oliveira, Valmir de https://orcid.org/0000-0001-5731-6127 http://lattes.cnpq.br/1276189869170012 Abe, Ilda https://orcid.org/0000-0003-1142-8996 http://lattes.cnpq.br/6430809426743411 Pereira, Julimar Luiz http://lattes.cnpq.br/7400744036330254 Souza, Mauren Abreu de https://orcid.org/0000-0001-6137-918X http://lattes.cnpq.br/7932254008088709 Fibras ópticas Fadiga - Músculos Sensores Tendões flexores Optical fibers Fatigue - Muscles Sensors Flexor tendons CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA::BIOENGENHARIA Engenharia Elétrica This work presents the characterization of a spring handgrip and a forearm band instrumented with sensors based on optical fiber Bragg gratings (FBGs) and application of these devices in a case study to assess muscle fatigue. Optical fiber sensors have been applied in biotechnology research, especially FBG, due to their ability to detect changes in temperature and mechanical loads. Optical fiber sensors have advantages such as reduced size, ease of implementation, being multiplexed, cost-effective and biocompatible. Handgrip force is a variable widely used in epidemiological studies. It is characterized as a predictor of a general health status of the subject and is considered a non-invasive method of assessment. There is a correlation between handgrip force and the intensity of muscle fatigue. In the present study, sensors based on FBGs were fixed on two devices, commercial handgrips and forearm bands. The demodulation technique consists of monitoring the variation of the Bragg wavelength of the grating when the subject performs a movement of flexion of the fingers pressing the instrument. After characterizing the instruments through mechanical assays, it is possible to relate the wavelength variations to handgrip forces. The handgrip apparatus with different loads were instrumented. The instrumented devices were evaluated in an in vivo case study, in the assessment of muscle fatigue during isometric contraction assays of maximum strength of the carpal flexor muscles of a single subject. Handgrip forces data as a function of the time were obtained for both, dominant and non-dominant, hands of the subject. The highest forces obtained were of the order of 160 N and are related to the non-dominant hand and the device with the highest load. Strain values were also obtained through the instrumented band and are related to variations in the forearm muscle volume. Maximum strain values of 4383,58 µε were obtained for the assays performed with the handgrip of the lowest load. Through these data, it was also possible to analyze muscle fatigue and its variation in relation to the load of the devices. The shortest fatigue times, 43 s, were obtained for the highest loads and for the non-dominant hand. These data agree with the exercise physiology literature. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Esse trabalho apresenta a caracterização de um handgrip com mola e um bracelete instrumentados com sensores baseados em redes de Bragg em fibras óticas (FBGs) e aplicação destes dispositivos em um estudo de caso para avaliação da fadiga muscular. Os sensores a fibra ótica têm sido aplicados em pesquisas de biotecnologia, sobretudo a FBG, devido a sua capacidade de detecção de mudanças de temperatura e cargas mecânicas. Os sensores a fibra ótica possuem vantagens como tamanho reduzido, facilidade de implementação, poderem ser multiplexados, boa relação custobenefício e serem biocompatíveis. A força de preensão manual é uma variável amplamente utilizada em estudos epidemiológicos. Ela é caracterizada como uma preditora do estado de saúde geral de um indivíduo e é considerada um método não invasivo de avaliação. Existe uma correlação entre a força de preensão manual e a intensidade da fadiga muscular. No presente estudo os sensores baseados FBGs foram fixados em dois dispositivos, em aparelhos comerciais de handgrip e em braceletes. A técnica de demodulação consiste na monitoração da variação do comprimento de onda de Bragg da rede quando o sujeito realiza um movimento de flexão dos dedos pressionando o instrumento. Após a caracterização dos instrumentos através de ensaios mecânicos é possível relacionar as variações do comprimento de onda para forças de preensão manual. O aparelho de handgrip com diferentes cargas foram instrumentados. Os dispositivos instrumentados foram avaliados em um estudo de caso in vivo, na avaliação da fadiga muscular durante ensaios de contração isométrica de força máxima dos músculos flexores do carpo de um único sujeito. Foram obtidos dados de força de preensão manual em função do tempo, para ambas as mãos, dominante e não-dominante, do sujeito. As maiores forças obtidas foram da ordem de 160 N e estão relacionadas à mão não-dominante e ao aparelho com maior carga. Os valores de deformações também foram obtidos através do bracelete instrumentado e estão relacionados às variações do volume muscular do antebraço. Valores de deformação máximos de 4383,58 µε foram obtidos para os ensaios realizados com o handgrip de menor carga. Através destes dados foi possível também analisar a fadiga muscular e sua variação em relação às cargas dos aparelhos. Os menores tempos para a fadiga, 43 s, foram obtidos para as maiores cargas e para a mão não dominante. Estes dados estão em conformidade com a literatura de fisiologia de exercícios. 2022-06-15T13:19:41Z 2022-06-15T13:19:41Z 2022-04-29 masterThesis PEREIRA, Fabio Santana. Caracterização de um handgrip com mola e um bracelete instrumentados com sensores FBG e aplicação dos dispositivos em um estudo de caso de fadiga muscular. 2022. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/28826 por openAccess http://creativecommons.org/licenses/by-nc/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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Fibras ópticas Fadiga - Músculos Sensores Tendões flexores Optical fibers Fatigue - Muscles Sensors Flexor tendons CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA::BIOENGENHARIA Engenharia Elétrica Pereira, Fábio Santana Caracterização de um handgrip com mola e um bracelete instrumentados com sensores FBG e aplicação dos dispositivos em um estudo de caso de fadiga muscular |
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This work presents the characterization of a spring handgrip and a forearm band instrumented with sensors based on optical fiber Bragg gratings (FBGs) and application of these devices in a case study to assess muscle fatigue. Optical fiber sensors have been applied in biotechnology research, especially FBG, due to their ability to detect changes in temperature and mechanical loads. Optical fiber sensors have advantages such as reduced size, ease of implementation, being multiplexed, cost-effective and biocompatible. Handgrip force is a variable widely used in epidemiological studies. It is characterized as a predictor of a general health status of the subject and is considered a non-invasive method of assessment. There is a correlation between handgrip force and the intensity of muscle fatigue. In the present study, sensors based on FBGs were fixed on two devices, commercial handgrips and forearm bands. The demodulation technique consists of monitoring the variation of the Bragg wavelength of the grating when the subject performs a movement of flexion of the fingers pressing the instrument. After characterizing the instruments through mechanical assays, it is possible to relate the wavelength variations to handgrip forces. The handgrip apparatus with different loads were instrumented. The instrumented devices were evaluated in an in vivo case study, in the assessment of muscle fatigue during isometric contraction assays of maximum strength of the carpal flexor muscles of a single subject. Handgrip forces data as a function of the time were obtained for both, dominant and non-dominant, hands of the subject. The highest forces obtained were of the order of 160 N and are related to the non-dominant hand and the device with the highest load. Strain values were also obtained through the instrumented band and are related to variations in the forearm muscle volume. Maximum strain values of 4383,58 µε were obtained for the assays performed with the handgrip of the lowest load. Through these data, it was also possible to analyze muscle fatigue and its variation in relation to the load of the devices. The shortest fatigue times, 43 s, were obtained for the highest loads and for the non-dominant hand. These data agree with the exercise physiology literature. |
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Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
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PEREIRA, Fabio Santana. Caracterização de um handgrip com mola e um bracelete instrumentados com sensores FBG e aplicação dos dispositivos em um estudo de caso de fadiga muscular. 2022. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022. |
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