Development of a pressure sensor network system for static and dynamic pressure measurements: application to the limb/prosthesis pressure mapping

Abstract

The present work relates to the development of a sensors network for mapping the pressure fields at the externa! prosthesis socket/stump interface, in particular at lower limbs. The project consists on the design and implementation of a sensor array from piezoresistive polymer based materiais to measure quasi-static and dynamic deformations. The sensors were prepared from poly(vinylidene fluoride) - PVDF and epoxy nanocomposites with carbon nanotubes or nanofibres. The development of thin film-based stretchable electrodes was carried out using the GLancing Angle Deposition, GLAD, technique. A specific electronic circuit for signal processing was used with a wireless data acquisition system. Finally, a prototype was designed , constructed and tested in four IO\.ver limb amputees, in laboratory conditions , under different types of solicitations at the Vocational Rehabilitation Center - CRPG (Centro de Reabilitação Profissional de Vila Nova de Gaia). The piezoresistive-based sensors were developed using two different approaches; a) nanocomposites composed of poly(vinylidene~ fluoride) filled with carbon nanotubes (CNT/PVDF); and b) epoxy resins filled with carbon nanotubes or nanofibres (CNT/EPOXY). The PVDF samples were prepared by hot pressing and spray printing with CNT sample concentrations up to loadings of 1 O wt.%. The phase present in the composites CNT/PVDF was the alfa-phase. Due to the fact that externa! limb prostheses must sustain cyclic loading and unloading during normal walking conditions, the correlation between the electrical resisitivity and mechanical solicitations was obtained for differents mechanical solicitations, including variations in deformation , temperature and velocity. ln relation to CNT/EPOXY, the electrical response is linear over a wide strain range and the values of the maximum gauge factor is ~2 . 8 . The stability of the signal over 32 cycles, the time response to deformatoins from 0.1 to 50 mm min- 1 and the stable temperature behaviour up to 60 °C shows the viability of these materiais to be used as piezoresistive sensors. ln the sarne way, the electrical and piezoresistive response of CNT/PVDF composites has been studied. The piezoresistive response, quantitatively analysed by the gauge factor, is maximized at concentrations around the percolation threshold, around 2 wt.% loading, and the maximum value of the gauge factor is ~6.2. The piezoresistive response is stable with the number of cycles and reversible up to temperatures below 100 °C. The linearity of the response over a wide strain range shows the viability of these materiais to be used as piezoresistive sensors. The development of stretchable electrodes was carried out using columnar Ti-Ag thin films with a Ag content of 8 at.% prepared by D.C. magnetron sputtering on CNT/PVDF piezoresistive composites. The Ti-Ag system was chosen to coat the polymers due to some important points related to its characteristics. First of ali, Ti-Ag thin films combine the excellent biocompatibility of Ti with the Ag antimicrobial properties, offering also good thermal, electrical , chemical and mechanical properties, together with good wear and corrosion resistance. Secondly, the addition of Ag was also thought in order to tailor the elasticity of the Ti films, allowing a better response of the coated polymer under any particular deformation or stretching of the composite sensor when in-service. Additionally, the deposition of the films by GLancing Angel Deposition , GLAD, instead of conventional Magnetron Sputtering Deposition , MSD, was also carried to allow and even extend this elasticity resistance. ln fact, by depositing films with some particular architectures , inclined, zigzag, etc., there is a real possibility to deposit thin films with extended capacities to resist to stretching or any common deformation that a polymeric-based sensor induce when in-service. Furthermore, there is also the possibility to improve the electrical response of the system and this, ali together, to improve the response and the adequacy of the ali sensor arrangement in this particular type of applications . By changing the typical columnar growth microstructure, obtained by conventional sputtering, the goal was to tune the mechanical and electrical responses of the materiais. Upon uniaxial stretching of the prepared zigzag thin films, the resistance of the thin film starts increasing smoothly for strains up to 3%. Above 10% strain a sharp increase of the electrical resistance is observed due to film mechanical failure and therefore interruption of the electrical conductivity pathways. The best results were obtained when the polymer was coated with intermediate incident angles (a = 60°). The results show that the electrodes structure has a pronounced influence on the overall sensor response leading to values of the GF up to 85 mainly due to the electromechanical contribution of the thin film, which stability has to be studied for potential use for sensor applications itself. Human study was conducted at the Vocational Rehabilitation Center- CRPG (Centro de Reabilitação Profissional de Vila Nova de Gaia). The subjects transfemoral (TF) and transtibial (TI) amputees , walked for 2 minutes in a crosswalk at a relatively comfortable speed of 0.33 m/s. During this time it was possible to simulate a normal walk of approximately 40 m and the results provided good indications that it is possible to identify areas of criticai pressure. Thus, it is expected that the present method will become helpful for comprehensively evaluating the biomechanical conditions of the residual limb and prosthesis interface. The system developed in this project may allow monitoring of the process of rehabilitation with a new prosthesis and will support clinical decisions in relation to the potential effects of modifications on the socket, when adjustments are required.

O presente trabalho descreve o desenvolvimento de uma matriz de sensores para mapear as pressão exercidas em próteses externas dos membros inferiores, na interface coto/prótese, baseados em materiais piezoresistivos para medir as deformações dinâmicas e quasi-estáticas . Os sensores foram preparados a partir de nanocompósitos de poli(fluoreto de vinilideno) - PVDF e resinas epoxy com nanotubos- CNT ou nanofibras- CNF de carbono. Adicionalmente, foram desenvolvidos elétrodos estiráveis baseados em filmes finos através da técnica de pulverização catódica GLAD, Glancing Angle Deposition. O circuito electrónico usado para o processamento de sinal foi desenvolvido com um sistema de aquisição de dados sem fios. Finalmente, foi construído um protótipo que foi testado em quatro pacientes amputados dos membros inferiores em condições de laboratório, sob diferentes tipos de solicitações no centro de reabilitação vocacional - CRPG (Centro de Reabilitação Profissional de Vila Nova de Gaia). Com base no efeito piezoresistivo , os sensores foram obtidos usando duas diferentes ... abordagens; a) compósitos de poli(fluoreto de vinilideno) com nanotubos de carbono (CNT/PVDF); e b) compósitos de resinas epóxi com nanotubos de carbono ou nanofibras (CNT/epóxi). As amostras de PVDF foram preparadas por prensagem a quente e/ou por spray com concentrações de CNT até 10 % em peso. A fase cristalina presente nos compósitos CNT/PVDF foi a fase alfa-PVDF. Foi obtida a correlação entre a resistividade elétrica e as diferentes solicitações mecânicas, através da deformação , da variação da temperatura, da velocidade e do tempo de resposta do compósito. Em relação aos compósitos de CNT/epóxi, obteve-se uma resposta elétrica linear e os valores de sensibilidade máxima (gauge factor) foram de ~ 2.8. Através das diferentes solicitações mecânicas , a estabilidade do sinal para mais de 32 ciclos, o tempo de resposta para deformações de 0.1 a 50 mm min· 1 e a estabilidade com a temperatura até 60 oc mostram a viabilidade destes materiais para serem utilizados como sensores piezoresistivos. Da mesma forma , a resposta elétrica e piezoresistiva dos compósitos de CNT/PVDF foi estudada. A resposta piezoresisitiva foi quantitativamente analisada pela sensibilidade do material (gauge factor) e verificou-se que é máxima para concentrações em tomo do limiar de percolação, ~2 % de CNT em peso, e o valor máximo obtido foi de ~ 6.2. A resposta piezoresistiva é estável em função do número de ciclos e reversível até temperaturas inferiores a 100 °C. A linearidade da resposta com a deformação mostra a viabilidade destes materiais para serem utilizados como sensores piezoresistivos. O desenvolvimento de elétrodos estiráveis foi realizado usando filmes finos com estrutura colunar de titânio e prata - Ti-Ag com um teor de Ag de 8 at.% preparados por pulverização catódica em compósitos piezoresistivos de CNT/PVDF. O sistema Ti-Ag foi escolhido para revestir os polímeros devido a alguns pontos importantes relacionados com as suas características. Primeiro de tudo , filmes finos de Ti-Ag combinam a excelente biocompatibilidade do titânio com as propriedades anti-microbianas da prata, oferecendo deste modo boas propriedades químicas, mecânicas e elétricas, juntamente com boas propriedades de resistência ao desgaste e corrosão. Segundo, a adição de prata também foi incluída com o objetivo de promover a elasticidade do filme de modo a permitir uma melhor adaptação do filme ao polímero. Por outro lado, o sistema GLAD teve por grande objetivo este mesmo propósito: melhorar a resposta elétrica e a elasticidade do sistema de modo a permitir uma melhor adequação à deposição dos elétrodos em materiais flexíveis. A técnica de GLAD foi usada para alterar a microestrutura típica de crescimento colunar obtida por pulverização catódica convencional , Magnetron Sputtering Deposition, MSD, em diferentes arquiteturas de crescimento , tais como colunas inclinadas e em ziguezague, a fim de ajustar as respostas meéânicas e elétricas dos materiais. Após estiramento uniaxial dos filmes finos em ziguezague, a resistência eléctrica do filme fino começa a aumentar tenuemente para tensões até 3%. Acima de 10% de estiramento dá-se um aumento acentuado da resistência eléctrica que é observado devido à falha mecânica do filme . Os melhores resultados foram obtidos quando o polímero foi revestido com filmes depositados com ângulos incidentes intermédios (a = 60 °). Os resultados mostram que a estrutura dos elétrodos tem uma acentuada influência sobre a resposta global do sensor levando a valores de sensibilidade até 85. Esta contribuição deve-se essencialmente à contribuição eletromecânica do filme fino. O estudo com Pacientes foi realizado no centro de reabilitação profissional- CRPG (Centro de Reabilitação Profissional de Gaia), com amputados transfemoral (TF) e amputados transtibial (TT), que caminharam durante 2 minutos numa passadeira eléctrica com uma velocidade relativamente confortável de 0,33 rn/s. Durante este tempo , foi possível simular uma marcha normal de aproximadamente 40m. Deste modo demonstrou-se que é possível identificar as áreas criticas de pressão. Espera-se que, o presente método, se tome útil para avaliar exaustivamente as interações biomecânicas entre o membro amputado e a prótese. O sistema desenvolvido neste projeto poderá permitir o monitoramento durante o processo de reabilitação e apoiar em decisões clínicas em relação aos potenciais efeitos e modificações do encaixe da prótese no coto .