Aplicación de sensores piezoeléctricos cerámicos a la caracterización biomecánica

Abstract

El presente trabajo analiza las aplicaciones potenciales de los sensores piezoeléctricos cerámicos para la medición de variables cinemáticas y cinéticas en las áreas de biomedicina y biomecánica. A partir del análisis teórico del sensor se realiza un análisis armónico por elementos finitos del mismo, que muestra la existencia de gradientes de potencial entre los pares de electrodos. Se propone un sensor triaxial piezoeléctrico para la medida concomitante de esfuerzos durante el contacto pie-suelo en el ciclo de marcha humana.Palabras clave: Sensor de presión, medida triaxial de fuerza, piezoeléctricos cerámicos. Ceramic Piezoelectric Sensors: Application to Biomecanic CharacterizationThis work analyzed the potential applications of ceramic piezoelectrics as sensors of kinematic and kinetic parameters in the field of the biomechanics and biomedicine. On the basis of a theoretically analysis of the sensor a Finite Element Analysis of the harmonic shown the appearance of field gradients between the electrodes. A piezoelectric sensor is proposed as triaxial force transducer for plantar pressure measurement during human walking.Keywords: Pressure sensor, triaxial force measurement, ceramic piezoelectrics. INTRODUCCIÓNLos fenómenos físicos que puedan dar lugar a la obtención de una deformación mecánica son susceptibles de ser medidos mediante el empleo de sensores piezoeléctricos. En efecto, en la actualidad y en nú-mero creciente, son comunes las aplicaciones en las que variables tales como la aceleración [1], fuerza, presión (y variables derivadas como campo acústico o campo ultrasónico [2]) se determinan en entornos industriales mediante sensores piezoeléctricos.Las nuevas tecnologías de medida y actuación están paulatinamente alcanzando otros ámbitos de aplicación además de las meramente industriales [3]. Un ejemplo de esta tendencia es el empleo de nuevos sensores y actuadores electrocerámicos en aplicaciones biomé-dicas y biomecánicas. Recientemente, se ha propuesto el empleo de motores piezoeléctricos para el accionamiento de prótesis avanzadas de miembro superior [4].Las aplicaciones biomédicas y en particular las biomecánicas requieren la determinación de variables tanto cinématicas (posición, velocidad o aceleración de distintos segmentos del cuerpo humano) como cinéticas. Entre estas últimas cabe destacar aquellas que requieren la caracterización del par y la potencia desarrollada durante la marcha, o la distribución de presiones entre elementos protésicos y el cuerpo humano. El desarrollo de aplicaciones en este campo está claramente limitado por la autonomía de las soluciones propuestas: cualquier aplicación autónoma requiere elementos sensores que puedan operar como elementos miniaturizados y compactos, y así ser integrables en sistemas portatiles.En este sentido existen ejemplos de sensores triaxiales de esfuerzo para ser integrados en calzado, [5], y obtener así una estimación de la presión plantar. También se han reportado desarrollos de sistemas portátiles para la monitorización triaxial de la condic...

Evolución del impacto del Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio

“…Si se pregunta a los encuestados por el tipo de trabajos que les ha resultado más interesante de los publicados en los últimos dos años se observa que los trabajos más apreciados han sido los de revisión (4-10), trabajos generales sobre el sector cerámico (2-4, 11), conformado de materiales cerámicos y diagramas de fase (12)(13)(14), métodos de caracterización y propiedades de materiales cerámicos estructurales (15)(16)(17)(18)(19)(20)(21), materiales electrocerámicos (22)(23)(24)(25)(26), materias primas y materiales o procesos de interés para la industria de pavimentos y revestimientos cerámicos (38), estudios de arqueometría y patrimonio histórico (39-42) y materiales relacionados con el medio ambiente (43-44) y vidrios (45). De entre todos ellos destaca el trabajo de revisión de P. N. de Aza y col. (4), que ha sido considerado en 19% de las encuestas.…”

Análisis de la distribución temática en el Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio

“…Los materiales ferroeléctricos constituyen el otro gran bloque temático dentro de la sección de electrocerámica, estando centrados en mayor número en las propiedades de estos materiales conformados en forma de lámina delgada (22)(23)(24)(25)(26) debido al fuerte interés europeo sobre la integración de dichos dispositivos en sistemas electrónicos, si bien no existen empresas nacionales de microelectrónica que puedan ser beneficiarias de este tipo de información; el estudio de fenómenos no lineales de piezoeléctricos masivos (27)(28), los nuevos materiales y sus propiedades (29-35) y las aplicaciones de dichos materiales (36)(37)(38), destacando en particular aquellas destinadas a la biomecánica debido al nacimiento de empresas en este sector como resultados de los procesos spin-off del Instituto de Automática industrial del CSIC. Los avances en cerámicas dieléctricas se han centrado en varistores cerámicos (39)(40)(41), estos trabajos presentan relación con la reciente iniciativas empresariales.…”

Un estudio comparativo de actuadores Piezoeléctricos y Magnetoestrictivos para estructuras inteligentes

“…Electroceramics have been proposed as the basis for developing acceleration sensors, (3), in the development of solid state gyroscopes or for pressure sensors in the field of biomechanics, (4). In all these instances, the direct piezoelectric effect is exploited and the deformation of the electroceramic is somehow related to the target physical variable to be sensed.…”

“…The equations governing the magnetostrictive effect, magnetostriction constitutive equations, contain both linear and quadratic terms in the magnetic field strength. In tensor notation this is: [4] where S ij is the mechanical strain, T kl is the mechanical stress, c H ijkl is the mechanical compliance under zero magnetic field (H=0), H m is the magnetic field strength, µ T km is the magnetic permeability under constant mechanical stress, d mij are the piezomagnetic displacement coefficients coupling linearly magnetic and mechanical variables, m ijkl is the magnetostrictive coefficient coupling quadratically magnetic and mechanical variables, and B k is the magnetic flux density.…”

“…The equation coupling strain to magnetic filed strength can be obtained from thermodynamic potential functions, and according to equation [4] it has the following form: [5] In equation [5], c 1 defines the piezomagnetic effect. In order for a material to exhibit piezomagnetism, the crystal structure must me anisotropic.…”