SENSORES BASEADOS EM REDES DE BRAGG EM FIBRAS...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E

INFORMÁTICA INDUSTRIAL

PAULA FERNANDES DO NASCIMENTO

SENSORES BASEADOS EM REDES DE BRAGG EM FIBRAS ÓTICAS PARA ANÁLISE DE MOVIMENTOS MANDIBULARES E

FORÇAS DE MORDIDA

DISSERTAÇÃO

CURITIBA

2018

PAULA FERNANDES DO NASCIMENTO

SENSORES BASEADOS EM REDES DE BRAGG EM FIBRAS ÓTICAS PARA ANÁLISE DE MOVIMENTOS MANDIBULARES E

FORÇAS DE MORDIDA

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, como requisito parcial para a obtenção do grau de “Mestre em Ciências” – Área de Concentração: Fotônica em Engenharia.

Orientador: Profª. Drª. Ilda Abe Coorientador: Profª. Drª. Ana Paula Gebert de Oliveira Franco

CURITIBA 2018

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação

N244s Nascimento, Paula Fernandes do 2018 Sensores baseados em redes de Bragg em fibras óticas para análise de movimentos mandibulares e forças de mordida / Paula Fernandes do Nascimento.-- 2018. 104 f.: il.; 30 cm. Disponível também via World Wide Web. Texto em português com resumo em inglês. Dissertação (Mestrado) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial. Área de Concentração: Fotônica em Engenharia, Curitiba, 2018. Bibliografia: f. 98-104. 1. Redes de Bragg. 2. Detectores de fibra óptica. 3. Mandíbula - Movimentos. 4. Articulação temporomandibular. 5. Oclusão (Odontologia). 6. Biomecânica. 7. Métodos de simulação. 8. Fotônica. 9. Engenharia elétrica - Dissertações. I. Abe, Ilda, orient. II. Franco, Ana Paula Gebert de Oliveira, coorient. III. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial. IV. Título. CDD: Ed. 22 -- 621.3

Biblioteca Central do Câmpus Curitiba – UTFPR Bibliotecária: Luiza Aquemi Matsumoto CRB-9/794

Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Diretoria de Pesquisa e Pós-Graduação

TERMO DE APROVAÇÃO DE DISSERTAÇÃO Nº 782

A Dissertação de Mestrado intitulada “Sensores baseados em Redes de Bragg em fibras óticas para análise de movimentos mandibulares e forças de mordida” defendida em sessão pública pelo(a) candidato(a) Paula Fernandes do Nascimento, no dia 09 de fevereiro de 2018, foi julgada para a obtenção do título de Mestre em Ciências, área de concentração Fotônica em Engenharia, e aprovada em sua forma final, pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial.

BANCA EXAMINADORA:

Prof(a). Dr(a). Ilda Abe - Presidente – (UTFPR)

Prof(a). Dr(a). Meire Cristina Fugihara - (UTFPR)

Prof(a). Dr(a). Elisa Souza Camargo - (PUC-PR)

A via original deste documento encontra-se arquivada na Secretaria do Programa, contendo a

assinatura da Coordenação após a entrega da versão corrigida do trabalho.

Curitiba, 09 de fevereiro de 2018.

AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradeço a Deus pela força e sustento, sem os quais nada disto

teria sido possível.

Agradeço à minha família, em especial minha mãe Aldaci, minha irmã Gabriela

e minha prima Thamires pelo amor, amizade, compreensão e apoio aos estudos.

Aos meus amigos de São Paulo que me ajudaram em alguma etapa desta

trajetória, desde minha mudança para Curitiba até a minha defesa, em especial à

Tatiane e ao Henrique, que me acompanham durante todo o processo.

À Aliança Bíblica Universitária do Brasil (ABU), em especial à ABU Curitiba pelo

acolhimento na cidade e apoio espiritual.

Ao Jhonny pelo amor e compreensão nos momentos mais difíceis ao longo

deste trabalho.

À minha orientadora Prof. Drª Ilda Abe pelo direcionamento da pesquisa, por

compartilhar conhecimentos e ter me orientado com muita paciência e generosidade.

À minha coorientadora Prof. Drª Ana Paula Gebert de Oliveira Franco pela

orientação em laboratório, pelo compartilhamento de conhecimentos da odontologia e

por todo o apoio oferecido ao longo do mestrado.

Aos membros da banca, pela disposição e tempo para examinarem este

trabalho.

E, por fim, a todos que de alguma forma contribuíram para a realização deste

trabalho.

“Penso noventa e nove vezes e

nada descubro; deixo de pensar,

mergulho em profundo silêncio e eis

que a verdade se me revela.”

(Albert Einstein)

RESUMO

NASCIMENTO, Paula Fernandes do. SENSORES BASEADOS EM REDES DE BRAGG EM FIBRAS ÓTICAS PARA ANÁLISE DE MOVIMENTOS MANDIBULARES E FORÇAS DE MORDIDA. 2018. 108 f. Dissertação (Mestrado em Ciências) -Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e informática Industrial, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2018. Neste trabalho é relatado o desenvolvimento de um método para caracterização de movimentos mandibulares e forças de mordida baseados em redes de Bragg em fibras óticas. As redes são inseridas em dispositivos interoclusais, normalmente utilizados para alívio de sintomas causados por hábitos parafuncionais, como bruxismo do sono, e/ ou alterações oclusais. Os sensores são posicionados nos primeiros molares maxilares na região dos pontos de contato com os dentes antagonistas. Os experimentos foram realizados in vivo por um paciente com bruxismo do sono e os sensores foram utilizados para medir movimentos mandibulares. A caracterização de distribuição de forças nos dispositivos é realizado usando diferentes movimentos induzidos pelo voluntário. São investigados dois dispositivos interoclusais diferentes, sendo um resiliente e outro rígido, através dos resultados obtidos com os sensores. Análise de fadiga muscular é realizada no paciente usando um dispositivo interoclusal resiliente. Forças máximas de mordida são utilizadas para induzir rápida exaustão para a análise de fadiga. Além disso, os sensores também são usados para monitorar a distribuição da força no voluntário com bruxismo que utiliza um dispositivo interoclusal resiliente durante o sono. Os resultados indicam que o método proposto é uma potente ferramenta para a caracterização de dispositivo interoclusais e para a investigação de problemas parafuncionais como fadiga e bruxismo. Palavras chave: Redes de Bragg, sensores a fibra ótica, movimentos mandibulares.

ABSTRACT

NASCIMENTO, Paula Fernandes do. SENSORS BASED ON BRAGG GRATINGS IN OPTICAL FIBERS FOR ANALYSIS OF MANDIBULAR MOVEMENTS AND BITE FORCES. 2018. 108 f. Dissertação (Mestrado em Ciências) -Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2018. In this work we report the development of a method to characterize mandibular movements and bite force based on Bragg Gratings in optical fibers. The gratings are inserted in to the occlusal splints, usually used to treatment of muscle pain resulting from parafunctional habit and or occlusal alterations. The sensors are positioned in the maxillary first molars regions above the points of contact with opposing teeth. The experiments are realized in vivo by patients with occlusal parafunction and the sensors are used to measure different jaw movements. The characterizations of the force distribution in the splints are realized by using different movements induced by the volunteer. Two different occlusal splints are investigated, resilient and rigid splints, through the obtained results with the sensors. The analysis of muscle fatigue is performed with a patient that wears a resilient occlusal splint. Maximum bite forces are used to induce rapid exhaustion for the analysis of fatigue. In addition, sensors are also used to monitor the force distribution in a volunteer with bruxism that wear a resilient occlusal splint during sleep. The results indicate that the proposed method is a powerful tool for the characterization of occlusal splints and for the investigation of parafunctional problems like fatigue and bruxism. Keywords: Bragg Gratings, optical fiber sensors, mandibular movements.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 - Ilustração da FBG fixada no tórax do voluntário com uma cinta

elástica (KALINOWSKI, ABE, et al., 2010). 23

Figura 2 - Diagrama do dispositivo interoclusal com os sensores FBG

embutidos (TJIN, TAN, et al., 2001). 23

Figura 3 - (a) FBG inserida numa agulha hipodérmica. (b) Sensor FBG e

extensômetro elétrico inseridos no disco invertebral de ex vivo humano (DENNISON,

WILD, et al., 2008). 24

Figura 4 - Sensores FBG e extensômetros elétricos utilizados por Fresvig em

um tubo de acrílico para comparação dos dois sensores ao simular medição de

deformação em ossos (FRESVIG, LUDVIGSEN, et al., 2008). 25

Figura 5 - (a) Montagem do experimento; (b) esquemático da localização do

sensor FBG entre o braquete do aparelho ortodôntico e o dente (MILCZEWSKI,

SILVA, et al., 2006). 27

Figura 6 - (a)Montagem do modelo de maxila utilizado no experimento, (b)

esquemático da distribuição espacial das redes de Bragg nos dentes e na maxila, (c)

foto do modelo de maxila com o aparelho ortodôntico, (d) vista oclusal dos dentes com

o aparelho fixo e dispositivo intra-oral conectado nos primeiros molares

(MILCZEWSKI, SILVA, et al., 2012). 28

Figura 7 – Dispositivo interoclusal sendo utilizado pela voluntária, com detalhe

para as fibras óticas (MARIN, MILCZEWSKI, et al., 2014). 28

Figura 8 - (a) voluntário do sexo masculino com sensor FBG envolto em silicone

posicionado no primeiro molar superior direito (b) modelo de gesso do voluntário com

o sensor inserido no primeiro molar superior direito em posição de máxima

intercuspidação. 29

Figura 9 - Representação esquemática de uma rede de Bragg gravada no

núcleo de uma fibra ótica. 32

Figura 10 - Espectros de emissão da potência incidente (canto superior à esq.),

de transmissão (à dir.) e de reflexão da radiação (canto inferior à esq.), característicos

de uma rede de Bragg. 35

Figura 11 – Desenho esquemático de gravação de uma rede de Bragg por

máscara de fase. 38

Figura 12 - Esquema da direção de deslocamento do comprimento de onda de

Bragg quando o material sofre uma deformação longitudinal de estiramento. 41

Figura 13 - Esquema da direção de deslocamento do comprimento de onda de

Bragg quando o material sofre uma deformação longitudinal de compressão. 41

Figura 14 - Diagrama da direção longitudinal z da fibra no espaço, e uma força

transversal aplicada. 42

Figura 15 - Gráfico ilustrativo das bandas desdobradas devido à aplicação de

uma força transversal. 43

Figura 16 - Diagrama de leitura de uma rede de Bragg utilizando fonte ótica,

circulador ótico e analisador de espectros óticos. 43

Figura 17 - Diagrama de utilização de um acoplador ótico para leitura de duas

FBGs simultaneamente no interrogador. 44

Figura 18 – Desenho esquemático de gravação da rede de Bragg por máscara

de fase. A figura mostra os itens utilizados na montagem da bancada para a gravação.

45

Figura 19 - Fotos da bancada de gravação das redes de Bragg por máscara de

fase. A vista lateral é indicada na figura (a) e a vista superior é mostrada na figura (b).

46

Figura 20 - Equipamentos utilizados durante os ensaios in vitro e in vivo e no

processo de gravação das redes: (a) analisador de espectros, (b) circulador e fonte

ótica, e (c) interrogador. 47

Figura 21 – (a) Arcada dentária superior com indicação dos pontos de contato

nos primeiros molares do paciente e (b) respectivo modelo de gesso. 48

Figura 22 - Localização dos ângulos (a) inclinação condilar de 30° e (b) Ângulo

de Bennett. 49

Figura 23 - Foto do modelo de gesso da arcada inferior (à esquerda); dispositivo

interoclusal resiliente com a FBG posicionada no lado esquerdo do modelo de gesso

da arcada superior (à direita). 50

Figura 24 - Foto de dois dispositivos interoclusais resilientes com a localização

das FBGs indicada. 50

Figura 25 - Foto do modelo de gesso da arcada inferior (à esquerda); dispositivo

interoclusal rígido com a FBG posicionada no lado esquerdo do modelo de gesso da

arcada superior (à direita). 51

Figura 26 - Foto dos dispositivos interoclusais com indicação da rede

posicionada no lado esquerdo de cada uma delas, correspondente ao lado esquerdo

da arcada dentária superior (a) dispositivo interoclusal resiliente (b) dispositivo

interoclusal rígido. 52

Figura 27 – Desenho esquemático de: (a) Vista superior do modelo de gesso

da arcada superior, com os incisivos para cima, mostrando as duas fibras óticas. (b)

Vista lateral dos modelos de gesso superior e inferior, e a montagem experimental na

alavanca para os experimentos in vitro. 53

Figura 28 - Foto dos dispositivos interoclusais (a) rígido e (b) resiliente e

sensores FBG posicionados no lado esquerdo dos modelos de gesso. 53

Figura 29 - Esquema ilustrando as forças aplicadas no ponto de contato dental

e, consequentemente, medidas pela FBG. A figura ilustra a distribuição dessas forças

devido à inclinação do plano oclusal. 54

Figura 30 – Vista superior dos pontos de aplicação das cargas: (a) centralizada,

(b) descentralizada à direita e (c) descentralizada à esquerda cargas durante o

experimento in vitro. A figura (d) indica a posição considerada para a arcada dentária

para os três casos. 54

Figura 31 - Diagrama da montagem experimental para a aquisição simultânea

de dois sensores com aplicação de carga centralizada, utilizando um acoplador e o

interrogador SM 125. 55

Figura 32 - Paciente utilizando dispositivo interoclusal com os sensores a fibra

ótica. 56

Figura 33 - Dispositivo interoclusal na posição de oclusão e localização da FBG

do lado esquerdo para o dispositivo resiliente. 56

Figura 34 – Dispositivo interoclusal na posição oclusal e localização da FBG do

lado esquerdo para o dispositivo rígido. 57

Figura 35 – (a) Fotografia da montagem experimental para o ensaio de

bruxismo do sono. (b) Detalhe do paciente utilizando o dispositivo interoclusal

resiliente, com as fibras óticas demarcadas na extremidade do dispositivo e o

interrogador utilizado para a aquisição dos dados. 61

Figura 36 – Variação do espectro de reflexão em função da carga aplicada para

o dispositivo rígido com o sensor localizado do lado esquerdo. Carga descentralizada.

63

Figura 37 - Variação do espectro de reflexão em função da carga aplicada para

o dispositivo resiliente com o sensor localizado do lado esquerdo. Carga

descentralizada. 63

Figura 38 - Variação do comprimento de onda central da FBG como função do

peso aplicado no primeiro molar esquerdo para o dispositivo interoclusal rígida. Carga

descentralizada. Os símbolos representam os dados experimentais, e a linha

tracejada é o ajuste linear. 64

Figura 39 – Variação do comprimento de onda central da FBG como função do

peso aplicado no primeiro molar esquerdo para o dispositivo interoclusal resiliente.

Carga descentralizada. Os símbolos representam os dados experimentais, e a linha

tracejada é o ajuste linear. 64

Figura 40 - Variação do comprimento de onda central da FBG como função do

aumento do peso aplicado no primeiro molar esquerdo para os dispositivos

interoclusais rígido e resiliente. Carga centralizada. Os símbolos representam os

dados experimentais, e a linha tracejada é o ajuste linear. 65

Figura 41 - Variação do comprimento de onda central da FBG como função da

diminuição do peso aplicado no primeiro molar esquerdo para os dispositivos

interoclusais rígido e resiliente. Carga centralizada. Os símbolos representam os

dados experimentais, e a linha tracejada é o ajuste linear. 66

Figura 42 - Comprimento de onda central da FBG em função aumento das

forças aplicadas no primeiro molar esquerdo para o dispositivo interoclusal resiliente.

Cargas centralizadas. Os símbolos representam os dados experimentais e a linha

tracejada mostra o melhor ajuste linear. 67

Figura 43 - Comprimento de onda central da FBG em função do aumento das

forças aplicadas no primeiro molar direito para o dispositivo interoclusal resiliente.

Cargas centralizadas. Os símbolos representam os dados experimentais e a linha

tracejada mostra o melhor ajuste linear. 67

Figura 44 – Estabilidade térmica do sensor com o dispositivo interoclusal

resiliente inserido na boca do paciente. Sensor do lado esquerdo. Símbolos são dados

experimentais. 69

Figura 45 - Estabilidade térmica do sensor com o dispositivo interoclusal rígido

inserido na boca do paciente. Sensor do lado esquerdo. Símbolos são dados

experimentais. 69

Figura 46 – Força de mordida e movimentos em função do tempo para o sensor

localizado no lado esquerdo do dispositivo resiliente. 72

Figura 47 – Padrão de força para movimento mordida para o dispositivo

resiliente com o sensor localizado do lado esquerdo. 72

Figura 48 – Detalhe do padrão de força para movimento mordida para o

dispositivo resiliente com o sensor localizado do lado esquerdo. 73

Figura 49 - Padrão de força para movimentos laterais direito e esquerdo para o


Figura 50 – Detalhe do padrão de força para movimentos laterais direito e

esquerdo para o dispositivo resiliente com o sensor localizado do lado esquerdo. 74

Figura 51 - Padrão de força para movimento anteroposterior para o dispositivo

resiliente com o sensor localizado do lado esquerdo. 74

Figura 52 – Detalhe do padrão de força para movimento anteroposterior para o


Figura 53 - Força de mordida e movimentos em função do tempo para o sensor

localizado no lado esquerdo do dispositivo rígido. 75

Figura 54 - Padrão de força para movimento mordida para o dispositivo rígido

com o sensor localizado do lado esquerdo. 76

Figura 55 – Detalhe do padrão de força para movimento mordida para o

dispositivo rígido com o sensor localizado do lado esquerdo. 76

Figura 56 - Padrão de força para movimentos laterais direito e esquerdo para o


Figura 57 – Detalhe do padrão de força para movimentos laterais direito e

esquerdo para o dispositivo rígido com o sensor localizado do lado esquerdo. 77

Figura 58 – Padrão de força para movimento anteroposterior para o dispositivo

rígido com o sensor localizado do lado esquerdo. 78

Figura 59 – Detalhe do padrão de força para movimento anteroposterior para o


Figura 60 – Padrão de força de mordida para o sensor do lado esquerdo do

dispositivo interoclusal resiliente. Tempo de mordida de 15 segundos e tempo de

relaxamento de 60 segundos. 80

Figura 61 - Padrão de força de mordida para o sensor do lado esquerdo do

dispositivo interoclusal rígido. Tempo de mordida de 15 segundos e tempo de









dispositivo interoclusal resiliente 1. Tempo de mordida de 30 segundos e tempo de



dispositivo interoclusal resiliente 2. Tempo de mordida de 30 segundos e tempo de


Figura 66 – Avaliação in vivo: forças para o sensor do primeiro molar superior

esquerdo do voluntário, em diferentes estágios. 84

Figura 67 - Avaliação in vivo: forças para o sensor do primeiro molar superior

direito do voluntário, em diferentes estágios. 84













Figura 72 - Fases de indução da fadiga: maior tempo de mordida máxima (fase

1), processo de exaustão (fase 2) e processo de fadiga (fase 3). Os símbolos são os

dados experimentais, as linhas são apenas guia para os olhos. 88

Figura 73 - Detalhamento dos dois picos de mordida para a segunda e terceira

fase da indução à fadiga, mostrando o aumento da força de mordida juntamente com

o tempo. Os símbolos são os dados experimentais, as linhas são apenas guia para os

olhos, a linha tracejada é o melhor ajuste. 89

Figura 74 – Padrão de força em função do tempo para o primeiro ciclo de sono.

Dispositivo resiliente com o sensor localizado do lado direito. 91

Figura 75 - Padrão de força em função do tempo para o primeiro ciclo de sono.

Dispositivo resiliente com o sensor localizado do lado esquerdo. 91

Figura 76 - Padrão de força em função do tempo para o segundo ciclo de sono.

Dispositivo resiliente com o sensor localizado do lado direito. 92

Figura 77 - Padrão de força em função do tempo para o segundo ciclo de sono.

Dispositivo resiliente com o sensor localizado do lado esquerdo. 92

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Valores dos coeficientes de sensibilidade utilizados para os

experimentos in vivo. ................................................................................................. 68

LISTA DE SIGLAS

ASE Amplified Spontaneous Emission (Emissão Espontânea

Amplificada)

ATM Articulação Temporomandibular

DTM Desordem Temporomandibular

FBG Fiber Bragg Grating (Rede de Bragg)

IR Infrared (Infravermelho)

OSA Optical Spectrum Analizer (Analisador de Espectro Ótico)

UV Ultraviolet (Ultravioleta)

LISTA DE SÍMBOLOS

a Raio da Fibra Ótica

Constante de Propagação no eixo z

Período de Modulação da Rede de Bragg

PM Período de Modulação da Máscara de Fase

k Número de Onda

no Índice de Refração da Casca

n1 Índice de Refração do Núcleo

neff Índice de Refração Efetivo

Índice de Refração Normalizado

n Amplitude da Modulação do Índice de Refração

TEMP(t) Variação do Comprimento de Onda em Função da

Temperatura

0 Comprimento de Onda no Vácuo

B Comprimento de Onda de Bragg

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................... 16

1.1 ESTADO DA ARTE ...................................................................................... 17

1.1.1. Movimentos Mandibulares e Forças de Mordida .......................................... 17 1.1.2. Sensores a Fibra Ótica Baseados em Redes de Bragg na Biomecânica ..... 22 1.2 OBJETIVOS ................................................................................................. 30

1.2.1 Objetivo Geral .............................................................................................. 30 1.2.2 Objetivos Específicos ................................................................................... 30 1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ............................................................... 30

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ......................................................................... 32

2.1. REDE DE BRAGG ........................................................................................ 32

2.1.1. Princípios das Redes de Bragg .................................................................... 33 2.1.2. Sistema de Gravação ................................................................................... 36 2.2. SENSORES BASEADOS EM REDES DE BRAGG...................................... 38

2.2.1. Tensão Longitudinal e Temperatura ............................................................. 38 2.2.2. Tensão Transversal ...................................................................................... 42 2.3. CARACTERIZAÇÃO DAS REDES DE BRAGG ........................................... 43

3. METODOLOGIA ................................................................................................ 45

3.1 REDES DE BRAGG ..................................................................................... 45

3.2 DISPOSITIVOS INTEROCLUSAIS ............................................................... 48

3.3 ENSAIO IN VITRO ........................................................................................ 52

3.4 ENSAIO IN VIVO .......................................................................................... 55

3.4.1. Estabilidade Térmica e Deformação dos Dispositivos Interoclusais ............. 57 3.4.2. Força de Mordida e Movimentos .................................................................. 57 3.4.3. Ensaio de Repetição – Dispositivo Resiliente ............................................... 58 3.4.4. Ensaio de Mordida – Dispositivo Resiliente .................................................. 59 3.4.5. Ensaio de Fadiga .......................................................................................... 59 3.4.6. Ensaio de Bruxismo ...................................................................................... 60 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ....................................................................... 62

4.1 ENSAIO ESTÁTICO ..................................................................................... 62

4.1.1. Forças Descentralizadas .............................................................................. 62 4.1.2. Forças Centralizadas .................................................................................... 65 4.1.3. Dispositivo Interoclusal Resiliente ................................................................ 66 4.2 ENSAIO IN VIVO .......................................................................................... 68

4.2.1. Estabilidade Térmica e Deformação dos Dispositivos Interoclusais ............. 68 4.2.2. Força de Mordida e Movimentos .................................................................. 70 4.2.3. Ensaio de Repetição – Dispositivo Resiliente ............................................... 81 4.2.4. Ensaio de Mordida – Dispositivo Resiliente .................................................. 83 4.2.5. Ensaios de Fadiga ........................................................................................ 84 4.2.6. Ensaio de Bruxismo ...................................................................................... 89 5. CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS ..................................................... 93

5.1 CONCLUSÕES............................................................................................. 93

5.2 TRABALHOS FUTUROS .............................................................................. 96

5.3 PUBLICAÇÕES E SUBMISSÕES ................................................................ 97

5.3.1. Artigos publicados em conferência ............................................................... 97 5.3.2. Artigos submetidos ....................................................................................... 97 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 98

16

1. INTRODUÇÃO

As fibras óticas são amplamente conhecidas pelas aplicações envolvendo

telecomunicações. Desde meados da década de 1970, quando foram aprimoradas

as técnicas utilizadas, diminuindo as perdas por transmissão de informações, o uso

de fibras óticas foi cada vez mais disseminado.

A fotossensibilidade foi apresentada pela primeira vez por Hill em 1978, ao

lançar luz com comprimento de onda de 488 nm em uma fibra de sílica dopada com

germânio e perceber que isto causava um aumento na atenuação da luz e na luz

refletida. A partir disto, em 1989, Meltz demonstrou um primeiro método de escrita

de redes em fibras óticas (OTHONOS e KALLI, 1999). Estas descobertas

proporcionaram o surgimento das redes de Bragg (FBG, do inglês, Fiber Bragg

Gratings) e suas diversas aplicações, que são sensores intrínsecos que podem ser

gravados no núcleo de fibras óticas.

Em relação ao uso das FBGs como sensores, observa-se uma crescente

busca de aplicações nas mais diversas áreas do conhecimento devido suas várias

vantagens quando comparadas com as tecnologias convencionais (LEE, 2003) de

sensoriamento resistivo (extensômetros elétricos - strain gauges), piezoeléctrico ou

do estado sólido. As FBGs têm pequenas dimensões e baixo peso - uma FBG típica

tem um comprimento de 3 mm e o diâmetro da fibra monomodo é de 125 µm sem

revestimento. A FBG pode ser multiplexada, permitindo medições quasi-

distribuídas. Algumas características tornam as FBGs particularmente atraentes

para aplicações in vivo. A fibra ótica é um dispositivo não-elétrico e não-condutor,

e são imunes ao ruído eletromagnético.

Além das vantagens citadas acima, as FBGs têm grande potencial para

aplicações biomecânicas e biomédicas (KALINOWSKI, ABE, et al., 2010), pois a

sensibilidade à temperatura e pressão destes sensores é compatível com as da

fisiologia humana. As FBGs são flexíveis e podem se adaptar a contornos

complexos, além de serem menos invasivas. As fibras são feitas de vidro de silicato,

que é um material biocompatível. Além disso, as FBGs podem ser incorporadas em

materiais poliméricos ou compósitos para serem utilizadas em instrumentos que

necessitam de esterilização. Sensores de fibra ótica também apresentam pequeno

risco de infecção. As FBGs são resistentes a ambientes corrosivos e também são

resistentes à água e aos produtos químicos relacionados às medições in vivo.

17

1.1 ESTADO DA ARTE

1.1.1. Movimentos Mandibulares e Forças de Mordida

A necessidade de medir o processo de mordida humana levanta muitas

questões interessantes em campos como anatomia, fisiologia, nutrição, odontologia

e farmacologia. Portanto, o interesse em estudar o processo de mordida depende

de conhecer as relações entre a magnitude da força e a oclusão correta, a anatomia

e a posição dentária. Além disso, fornece conhecimento para otimização de

próteses dentárias, implantes e dispositivos interoclusais, e para explicar

traumatismos dentários ou bruxismo, podendo ajudar a compreender doenças orais

e disfunções de mastigação (GRABER e VANARSDALL, 1963; KOC, DOGAN e

BEK, 2010; TOMITA, MATSUURA e ICHINOHE, 2013).

A magnitude da força de mordida foi estudada em animais e em seres

humanos empregando diferentes métodos de medições. No século 20 a força de

mordida foi estudada com vários tipos de dispositivos mecânicos. E desde a década

de 1950, tem sido estudada empregando dispositivos eletrônicos (KOC, DOGAN e

BEK, 2010). As dimensões associadas a este tipo de instrumento são superiores a

10 mm na parte intraoral, o que produz interferências na oclusão. Métodos como

eletromiografia, que medem a atividade dos músculos com eletrodos, têm sido

amplamente utilizados até hoje. Mais recentemente, estudos foram realizados

combinando sedação muscular com medicamentos apropriados, a fim de

compreender seus efeitos sobre a força de mordida e como isso pode influenciar o

processo mastigatório. Além disso, há expressivas pesquisas voltadas à indústria

de alimentos, considerando materiais e texturas, a fim de desenvolver novos

alimentos adequados à alimentação humana e animal (MEULENET e

GANDHAPUNENI, 2006).

A força de mordida estimada depende em grande parte do número de

contatos oclusais usados durante os métodos específicos de medição. A oclusão é

a relação que envolve os contatos dos dentes em um sistema complexo de

estruturas integradas, articulação maxilar e sistema neuromuscular. Este sistema é

responsável pela função de mastigação, relacionada à abertura e fechamento da

boca (GRABER e VANARSDALL, 1963). A função mastigatória é estudada em

18

termos de abertura e fechamento da mandíbula (oclusão), atividade da articulação

temporomandibular (ATM), anatomia dentária, posição dentária e contração

muscular (TOMITA, MATSUURA e ICHINOHE, 2013). O estudo das desordens de

oclusão pode ajudar a esclarecer as doenças orais e disfunções da mastigação

(GRABER e VANARSDALL, 1963; KOC, DOGAN e BEK, 2010; TOMITA,

MATSUURA e ICHINOHE, 2013).

O termo “desordens temporomandibulares” (DTM) se refere a alterações

clínicas caracterizadas por sinais e sintomas envolvendo os músculos

mastigatórios e/ou ATM. Conti, et al. (CONTI, FERREIRA, et al., 1996),

observaram, em uma amostra de 310 pessoas com idade média de 18,8 anos, a

existência de DTM leve, moderada e severa em, respectivamente, 49,35%, 10,32%

e 0,97% da amostra testada. Estes autores concluíram que, ainda que o

aparecimento de DTM na população jovem seja relativamente alto, os casos em

que há a necessidade de tratamento (ou seja, DTM moderada ou severa) na

população pesquisada foi 11,29%. Os sintomas de DTM são dor de cabeça, dor

pré-auricular, dor nos músculos mastigatórios, ruídos articulares, limitações na

amplitude de movimento ou desvios mandibulares ao abrir e fechar a boca

(OKESSON, 1996; SHETTY, 2010; LAVIGNE, 1996; LAVIGNE, ROMPRE, et al.,

2001).

A dor orofacial é reportada em 60% dos pacientes que têm bruxismo. O

bruxismo é um distúrbio motor do sono caracterizado pelo aumento da atividade

muscular dos músculos masseter e temporal, causando assim desgastes dentários

devido à atividade repetitiva destes músculos. Esses episódios são observados em

60% da população adulta durante o sono. O apertamento dental ocorre na maioria

dos episódios de bruxismo diurno, enquanto que no bruxismo noturno, tanto o

apertamento como o ranger são observados. A duração do bruxismo varia de

pessoa para pessoa. O tempo de aperto ou ranger dos dentes pode variar de 5 a

38 minutos por noite. Durante a atividade parafuncional, a força pode chegar a ser

três vezes maior que a da atividade funcional (OKESSON, 2008; LAVIGNE,

MANZINI e HUYNH, 2011).

A desordem temporomandibular pode causar fadiga muscular. A fadiga

muscular é caracterizada pela incapacidade dos músculos de gerar altos níveis de

força muscular e/ou de manter os níveis atuais em um intervalo de tempo mais

longo (BARRY e ENOKA, 2007; GREEN, 1997).

19

Os efeitos da fadiga podem ser observados pela diminuição de sua

velocidade de contração muscular e pelo aumento do tempo de relaxamento após

exercícios de máximo alcance (ALLEN, LANNERGREN e WESTERBLAD, 1995).

A fadiga muscular pode ocorrer por falha de qualquer um dos processos

responsáveis pela contração muscular (SILVA, MARTINEZ, et al., 2006). Além

disso, é identificada como um mecanismo de defesa contra efeitos nocivos sobre a

integridade da fibra muscular (WILLIAMS e KLUG, 1995). A fadiga é descrita como

um fator predisponente de dores de cabeça e dor muscular facial apresentada por

pacientes. Farella et al. (FARELLA, SONEDA, et al., 2010) relataram que a dor dos

músculos mastigatórios após o aperto depende do nível de força exercido pelo

paciente.

As formas de tratamento de DTM incluem estratégias comportamentais,

técnica de relaxamento muscular, terapia de reeducação postural global, hipnose,

terapia de reabilitação oclusal, farmacoterapia, cirurgia e terapia oclusal por

dispositivos interoclusais.

Os dispositivos interoclusais são feitos de forma personalizada para cada

paciente. Eles recobrem a superfície dos dentes (alterando a oclusão dos

pacientes) e criam contatos oclusais mais adequados. Os dispositivos interoclusais

mantêm a estabilidade ortopédica, alterando temporariamente a condição oclusal,

reduzindo os sintomas de desordem temporomandibular e atividade parafuncional,

promovendo o relaxamento muscular.

Hiyama et al. (HIYAMA, ONO, et al., 2003), Amorin et al. (AMORIM, PAES,

et al., 2012) e Daif (DAIF, 2012) observaram uma diminuição na atividade elétrica

dos músculos temporais e masseteres em pacientes utilizando dispositivos

interoclusais. Além da diminuição da atividade elétrica muscular, há a redução da

duração destas atividades, o que torna possível concluir que o uso de dispositivos

interoclusais é efetivo no relaxamento dos músculos investigados.

Clinicamente, há três tipos de dispositivos interoclusais: rígido, feito de resina

acrílica; resiliente, feito de silicone; e misto, que é composto por ambos os

materiais. Dispositivos interoclusais rígidos são recomendados por dentistas por

serem duráveis e possuírem facilidade de ajuste ao preservar a estabilidade dos

contatos oclusais (CLARK, 1984). Os dispositivos rígidos protegem os dentes e as

estruturas associadas, já os dispositivos resillientes visam o contato simultâneo e

estável entre os dentes opostos, protegem as estruturas dentárias, mas

20

impossibilita o ajuste adequado, apresentando instabilidade da posição condilar e

aumentando a atividade eletromiográfica noturna, estimulando assim a mastigação

e o bruxismo (CLARK, 1984). Contudo, Pettergnil et al. (PETTENGILL, GROWNEY,

et al., 1998) não encontraram diferenças significativas entre os dispositivos

interoclusais rígido e resiliente no que diz respeito ao alívio da dor.

Narita et al. (NARITA, ISHII, et al., 2009) avaliaram os efeitos de cerrar a

mandíbula com dispositivos rígidas e resilientes em relação a cansaço, força de

mordida e atividade eletroencefalográfica. Os resultados revelaram que apertar os

dentes com dentição natural e dispositivo interoclusal rígido não causou

consciência significativa de cansaço, e não houve alteração significativa dos

valores do espectro eletroencefalográfico nessas condições. Em contrapartida o

aperto dos dentes com dispositivos interoclusal resiliente aumentou a consciência

de cansaço, bem como causou diminuição significativa na força de mordida e nos

valores eletroencefalográficos. Na literatura é possível encontrar estudos

informando que os dispositivos interoclusais alteram a relação crânio-mandibular e

as funções dos músculos mastigatórios reduzindo o envio de informações

proprioceptivas periodontais para o sistema nervoso central (RAMFJORD e ASH,

1971; YUSTIN, NEFF, et al., 1993) e fornece ao paciente um esquema ideal de

oclusão ou livre de interferência dentária (POSSELT, 1968; TIMM e ASH, 1977).

Na área de Odontologia, diversos trabalhos têm sido reportados utilizando

extensômetros elétricos para a obtenção das forças máximas de mordida humana.

Uma grande faixa de forças pode ser encontrada na literatura, de 50 a 800 N (KOC,

DOGAN e BEK, 2010). A grande variabilidade dos resultados para a força de

mordida máxima pode ser associada a vários fatores como idade, sexo, índice de

massa corporal, DTM, força dos músculos, morfologia craniofacial, estado oclusal,

condição periodontal e fatores psicológicos.

O estudo realizado por Fernandes et al. (FERNANDES, GLANTZ, et al.,

2003) reporta o uso de um extensômetro elétrico para determinar a força de

mordida máxima em voluntários do sexo masculino e feminino, e os resultados

relataram valores de 75 N e 100 N, respectivamente.

Mais recentemente, em 2009, Bonakdarchian et al. mostraram resultados de

forças de mordida máxima de adultos com oclusão normal e os efeitos das formas

faciais para tais resultados utilizando extensômetros (BONAKDARCHIAN, ASKARI

e ASKARI, 2009).

21

Marquezin et al. mostraram o uso de extensômetros elétricos para medir as

forças de mordida na dentição das crianças no primário em comparação com

crianças pré-escolares (MARQUEZIN, KOBAYASHI, et al., 2013).

Karakis, Dogan e Bek (KARAKIS, DOGAN e BEK, 2014) estudaram a força

máxima antes e após o uso de dispositivos interoclusais rígidos e resilientes com

transdutores de extensômetros elétricos. Os autores concluíram que o uso de

dispositivos rígidos não apresentam diferenças significativas na força de mordida

máxima e o uso de dispositivos resilientes foi acompanhado por diminuição da força

oclusal em pacientes com bruxismo.

Pizolato et al. (PIZOLATO, GAVIÃO, et al., 2007) compararam as forças de

mordida máxima em pacientes saudáveis e em pacientes com bruxismo e DTM

através da utilização de gnatodinamômetro. Os autores observaram que a força de

mordida máxima foi reduzida em mulheres com DTM e bruxismo (185,79 N), os

homens apresentaram maior força de mordida (653,88 N) do que mulheres em

ambos os grupos, mas o DTM e bruxismo não diminuíram significativamente a força

de mordida dos homens.

Nishigawa, Bando e Nakano (NISHIGAWA, BANDO e NAKANO, 2001)

avaliaram a força de mordida máxima associada ao bruxismo com dispositivos

interoclusais acrílicos rígidos de dentições superiores e inferiores e mediram as

forças de mordida máxima de 10 pacientes com transdutores de extensômetros

elétricos em miniatura. O pico médio da força de mordida de todos os eventos de

bruxismo foi de 220,6 N e a duração deste foi de 7,1 s. A máxima variação entre

um pico de força e um mínimo, em relação aos eventos de bruxismo, foi, em média,

de 796,3 N e a maior duração foi de 41,6 s. A força média de mordida voluntária

máxima foi de 774,7 N e a amplitude média da força de mordida noturna mais

elevada foi de 414,8 N.

Diraçoglu et al. (DIRAÇOGLU, ALPTEKIN, et al., 2011) compararam

indivíduos com e sem bruxismo em termos da força máxima de mordida e do

desgaste dentário por meio de transdutores de extensômetros elétricos. Os

pesquisadores observaram que as pontuações máximas da força de mordida e do

índice de desgaste dos dentes foram significativamente maiores nos pacientes com

bruxismo (105,1 ± 34,2 N) comparados aos sem bruxismo (81,3 ± 31 N).

22

1.1.2. Sensores a Fibra Ótica Baseados em Redes de Bragg na Biomecânica

No caso da utilização dos sensores de fibras óticas, podemos destacar os

dispositivos baseados em intensidade. Komi et al. (KOMI, BELLI, et al., 1996)

utilizam-se da alteração da intensidade luminosa em fibras plásticas multimodo

para medir forças no tendão de Aquiles de um coelho, e apesar de obter bons

resultados na medição, a replicabilidade do método é questionável, pois conectores

são fonte de perda de intensidade da luz. Por causa de problemas desta natureza,

os sensores baseados em espectro são mais estudados, visto que independem da

variação da potência luminosa causada por ruídos. Dentre eles, destaca-se o uso

de redes de Bragg.

O uso de redes de Bragg para fins biomecânicos vêm se mostrado uma boa

alternativa aos sensores habituais devido a suas vantagens e a literatura relata

diversos trabalhos realizados utilizando sensores FBG em biomecânica de animais

e estudos com estrutura óssea. As primeiras medidas com os sensores FBG em

biomecânica, realizadas em tempo real e in vivo, foram demonstradas em 2001 por

Werhle e Tjin (WERHLE, NOHAMA, et al., 2001; TJIN, TAN, et al., 2001).

Werhle et al. (WERHLE, NOHAMA, et al., 2001) relatou o uso de redes de

Bragg para medir a deformação do tórax e demonstrou que os sensores são

eficazes em medir movimentos ventilatórios e frequência de respiração. Para tanto,

a FBG foi fixada no tórax de um voluntário com uma cinta elástica conforme Figura

1, e a respiração foi captada pelo sensor mediante a movimentação da caixa

torácica. Os autores concluíram que este método é eficaz para medir a ventilação

pulmonar de pacientes utilizando aparelhos de respiração artificial, uma vez que as

redes de Bragg não sofrem influência de tensão ou campo magnético.

Tjin et al. (TJIN, TAN, et al., 2001) aplicaram os sensores FBG para avaliar

a pressão e a temperatura da placa dentária em função do tempo para pacientes

com apneia. Numa mesma fibra ótica foram gravadas duas FBGs, sendo que uma

atuou como sensor de temperatura e a outra como sensor de tensão, e a fibra ótica

contendo os sensores foi acoplada ao dispositivo interoclusal. O dispositivo foi

utilizado em oclusão de pacientes para obtenção dos resultados e a Figura 2

apresenta o desenho esquemático da montagem em vistas isométrica, em corte

transversal e vista superior. Os sensores foram calibrados independentes um do

outro e foram obtidas precisões de 0,5 N para o sensor de força e 0,1°C para o

23

sensor de temperatura. Com resultados obtidos no experimento, os autores

concluíram que a medição de força e temperatura são formas eficazes de monitorar

o uso adequado de dispositivos interoclusais por pacientes (TJIN, TAN, et al.,

2001).

Figura 1 - Ilustração da FBG fixada no tórax do voluntário com uma cinta elástica (KALINOWSKI, ABE, et al., 2010).

Figura 2 - Diagrama do dispositivo interoclusal com os sensores FBG embutidos (TJIN, TAN, et al., 2001).

Talaia et al. (TALAIA, RAMOS, et al., 2007) compararam a utilização de

FBGs com o uso de extensômetros para acompanhar o tratamento de fraturas

24

ósseas. Para tanto, simularam uma fratura em osso sintético e acompanharam a

cura com ambos os sensores, concluindo que o uso redes de Bragg é uma

alternativa viável aos extensômetros para obter tensões superficiais de placas

ósseas, além de que as FBGs podem ser utilizadas para determinar deformações

superficiais de tecidos biológicos e de implantes em locais em que o uso de

extensômetros possui limitações.

Dennison et al. (DENNISON, WILD, et al., 2008) mostraram a utilização de

FBGs medições de pressão em disco invertebral lombar humano de ex vivo. A

Figura 3 mostra a montagem do experimento realizado: um cabo de fibra ótica é

inserido numa agulha hipodérmica de 38 mm para introduzir a FBG no núcleo

pulposo, que é onde o sensor se localiza durante as medições. O sensor possui

10 mm de comprimento e está apresentado na Figura 3 (a); a Figura 3 (b) apresenta

a montagem completa para o experimento. Também foram coletados resultados

com a utilização de extensômetro a fim de comparação das respostas de ambos os

sensores. Os resultados apresentados pelo sensor FBG foram satisfatórios, com o

valor da pressão medida variando linearmente com a força aplicada. Os sensores

FBG e extensômetro apresentaram uma diferença de 12,9%, e os autores

concluíram que a diferença se deu porque a pressão sentida pelo sensor não era

puramente hidrostática, e isso afetou a sensibilidade do sensor FBG.

Figura 3 - (a) FBG inserida numa agulha hipodérmica. (b) Sensor FBG e extensômetro elétrico inseridos no disco invertebral de ex vivo humano (DENNISON, WILD, et al., 2008).

Fresvig et al. (FRESVIG, LUDVIGSEN, et al., 2008) demonstraram a eficácia

da aplicação de FBGs para medidas de deformações em ossos. Eles simularam

um osso utilizando tubo de acrílico e inseriram 4 FBGs e 4 extensômetros

25

alternadamente ao redor do tubo e realizaram aplicações de cargas utilizando uma

máquina de testes. O mesmo experimento foi realizado com um osso real e ambos

os sensores apresentaram uma linearidade menor, devido à irregularidade da

superfície óssea. Uma desvantagem dos extensômetros elétricos em relação às

FBGs é que os extensômetros devem ser ligados num esquema de 4 fios, o que

introduz um volume extra na cavidade oral (vide Figura 4, que compara o tamanho

dos sensores de extensômetros elétricos com os de fibra ótica). A detecção de

pontos múltiplos em sensores de extensômetros elétricos (várias posições de

dentes, por exemplo) acaba tornando algo não confortável para o paciente,

comprometendo a função mastigatória.

Figura 4 - Sensores FBG e extensômetros elétricos utilizados por Fresvig em um tubo de acrílico para comparação dos dois sensores ao simular medição de deformação em ossos (FRESVIG, LUDVIGSEN, et al., 2008).

A monitorização da descalcificação de ossos utilizando estes sensores foi

realizada em 2010 (MISHRA, SINGH, et al., 2010). O trabalho descreve os ensaios

de resistência óssea à carga aplicada, antes, durante e depois do processo de

descalcificação.

Ramos et al. (RAMOS, SCHILLER, et al., 2012) estudaram perfis de

deformação e máxima temperatura de polimerização dentro de um manto de

cimento de uma reconstrução de quadril in vitro fazendo uso de redes de Bragg. Os

resultados foram comparados com um modelo matemático e foi obtida boa

26

correlação entre o simulado matematicamente e o realizado in vitro.

Kalinowski et al. (KALINOWSKI, KARAM, et al., 2017) mediram a

deformação mecânica causada por mastigação e ruminações, na superfície óssea

de uma mandíbula bovina com o uso de FBGs. O sensor foi encapsulado e

implantado em um animal, que foi estimulado a mastigar diferentes alimentos, e o

sinal coletado foi aplicado a um algoritmo que auxilia a identificar o tipo de alimento

pelo padrão de mastigação realizado pelo animal.

Martelli et al. (MARTELLI, DA SILVA, et al., 2017) utilizaram sensores FBG

para estudar a andadura de equinos e mostraram que a técnica pode ser utilizada

para detectar problemas de locomoção destes animais e também para avaliação

física de cavalos atletas para competições.

Galvão et al. (GALVÃO, ZAMARREÑO, et al., 2017) utilizaram FBGs para

mapear, em diferentes posições, a deformação de uma prótese transtibial (abaixo

do joelho) composta de polímero reforçado com fibra de carbono e os resultados

mostraram a deformação da estrutura da prótese em diversos pontos e em tempo

real, o que pode ser útil para a detecção de falhas no material, registro de sessões

de treinamentos, ou o estudo das forças de impacto com o solo durante avaliações

periódicas.

Milczewski et al. (MILCZEWSKI, SILVA, et al., 2006) avaliaram as forças em

vários dentes em função da carga aplicada. Para tanto, uma arcada dentária de

metal com aparelho ortodôntico foi fixada em um braquete, e a FBG foi colocada

entre o braquete do aparelho e o dente, conforme Figura 5 e o experimento foi

realizado cinco vezes para obtenção de média. Os resultados obtidos mostraram

que a superfície do dente está sujeita à carga de 0,13 N, demonstrando ser possível

a utilização de FBGs em fibra de alta birrefringência ou fibra polimérica, colocada

entre o braquete e a superfície do dente para investigação de aparelhos

ortodônticos.

Em outro trabalho, Milczewski et al. (MILCZEWSKI, SILVA, et al., 2012)

mostraram o uso dos sensores FBGs em um modelo artificial de maxila, e relataram

a possibilidade de monitorar as forças adjacentes às raízes dentárias e a tensão

que ocorre dentro da maxila. Para tanto, foram coladas FBGs nas coroas dos

dentes incisivo, canino e molar do modelo; e outra FBG de comprimento de onda

diferente mas na mesma fibra foi colada na raiz de cada um dos três dentes. Outro

conjunto de quatro redes multiplexadas foi colocado transversalmente ao longo do

27

eixo das raízes dos dentes. A montagem do modelo com as FBGs, bem como a

identificação da localização das redes estão apresentadas na Figura 6 (a) e (b) e

esta montagem foi submetida à aplicação de forças, de maneira semelhante à

realizada durante o tratamento ortodôntico, para investigação das forças aplicadas

durante este tipo de tratamento, conforme mostra a Figura 6 (c) e (d).

Figura 5 - (a) Montagem do experimento; (b) esquemático da localização do sensor FBG entre o braquete do aparelho ortodôntico e o dente (MILCZEWSKI, SILVA, et al., 2006).

Marin et al. (MARIN, MILCZEWSKI, et al., 2014) relataram o uso de sensores

FBG para medir a magnitude de uma mordida humana na intercuspidação molar,

utilizando-se de um dispositivo interoclusal resiliente, que foi modelado para uso de

uma voluntária, e continha duas fibras óticas contendo uma rede de Bragg cada

uma. O dispositivo interoclusal foi calibrado in vitro com a aplicação de cargas, e

após a calibragem o dispositivo foi oferecido à voluntária para oclusão. A utilização

do dispositivo pela voluntária é apresentada na Figura 7.

28

Figura 6 - (a)Montagem do modelo de maxila utilizado no experimento, (b) esquemático da distribuição espacial das redes de Bragg nos dentes e na maxila, (c) foto do modelo de maxila com o aparelho ortodôntico, (d) vista oclusal dos dentes com o aparelho fixo e dispositivo intra-oral conectado nos primeiros molares (MILCZEWSKI, SILVA, et al., 2012).

Figura 7 – Dispositivo interoclusal sendo utilizado pela voluntária, com detalhe para as fibras óticas (MARIN, MILCZEWSKI, et al., 2014).

29

Abe et al. (ABE, MILCZEWSKI, et al., 2017) estudaram a magnitude da força

de mordida humana em condição de máxima intercuspidação molar com o uso de

FBGs. Para a análise, utilizaram-se de sensor FBG envolto em silicone e

precisamente posicionado no ponto de contato do primeiro molar inferior para os

lados direito e esquerdo de dois voluntários saudáveis, sendo um do sexo

masculino e outro do sexo feminino. Foi realizada a calibragem do sensor in vitro

utilizando-se de modelos de gesso da arcada dentária dos voluntários, e

posteriormente o sensor foi utilizado pelos voluntários em quatro situações: antes

da oclusão, oclusão, mordida e mordida máxima. A Figura 8 (a) apresenta o

voluntário do sexo masculino com o sensor posicionado no primeiro molar inferior

direito, e a Figura 8 (b) apresenta o modelo de gesso em oclusão. As medidas

obtidas para força de mordida máxima foram 85 N para voluntário feminino e 76 N

para voluntário masculino, com a diferença podendo ser associada ao padrão facial.

Como conclusão do trabalho, os autores afirmam que o sensor é capaz de realizar

medições de forças ortodônticas para análise de diferentes padrões faciais.

Figura 8 - (a) voluntário do sexo masculino com sensor FBG envolto em silicone posicionado

no primeiro molar superior direito (b) modelo de gesso do voluntário com o sensor inserido

no primeiro molar superior direito em posição de máxima intercuspidação.

30

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Objetivo Geral

Este trabalho tem como objetivo a instrumentação de dispositivos

interoclusais com redes de Bragg em fibras óticas para avaliação do

comportamento biomecânico dos dispositivos interoclusais de material rígido e

resiliente e avaliar a força dos diferentes movimentos maxilomandibulares.

1.2.2 Objetivos Específicos

A calibração do sensor tem como objetivo apresentar o valor da força

aplicada em função da variação do comprimento de onda central e a utilização do

dispositivo instrumentado em paciente voluntário com bruxismo, além de obter a

máxima sensibilidade do sensor in vitro, e uma simulação do caso real.

Nos ensaios in vivo, tem-se como objetivo garantir que a variação do

comprimento de onda central da rede seja dada pela força aplicada pelo paciente;

a comparação entre o uso de dispositivos interoclusais rígido e resiliente para

estudo das forças aplicadas pelo paciente durante a realização de mordida e

movimentos mandibulares; verificar a repetitividade e replicabilidade do sensor

proposto, determinar os padrões de mordida apresentados por meio do sensor e,

por fim, avaliar a qualidade do sensor para medição da atividade de bruxismo

durante o período de sono.

1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO

Este trabalho está estruturado em cinco capítulos, de modo a descrever a

fundamentação teórica, a metodologia utilizada, os resultados e por fim, as

conclusões e considerações finais.

O capítulo 1 faz uma introdução ao trabalho, fazendo revisão de literatura

sobre o uso de FBGs na biomecânica, e descrevendo os objetivos desta

dissertação.

No capítulo 2 encontra-se a fundamentação teórica do trabalho,

descrevendo os princípios das redes de Bragg, os fundamentos para o uso das

31

FBGs como sensores de deformação e temperatura, e a caracterização das redes.

O terceiro capítulo apresenta a metodologia utilizada durante os

experimentos in vitro e in vivo, bem como os métodos de caracterização e

interrogação de redes utilizados para obtenção dos dados.

O capítulo 4 apresenta os resultados obtidos para o experimento in vitro e

como estes resultados foram utilizados para análise e discussão dos resultados

obtidos para os estudos in vivo.

No capítulo 5 a conclusão é apresentada, bem como sugestão de trabalhos

futuros e as publicações geradas por esta dissertação.

Por fim, são apresentadas as referências utilizadas ao longo deste trabalho.

32

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

As redes de Bragg são dispositivos fotorrefrativos produzidos por iluminação

UV ou visível. A FBG consiste em mudanças fotoinduzidas que geram uma modulação

periódica no índice de refração do núcleo da fibra ótica, 1n , ao longo de seu eixo

longitudinal, com período espacial 500 nm.

2.1. REDE DE BRAGG

O valor de n em função da distância longitudinal z é dado pela equação (1). Na

rede, o índice de refração 1n intercala-se com um índice 1n + n com espaçamento

de entre eles.

)2

cos(n(z) 1

znn

(1)

A modulação do índice de refração causa o acoplamento da luz do modo

propagante para o modo contra-propagante, em uma faixa estreita de comprimentos

de onda. O eixo longitudinal z de propagação, bem como os vetores de onda estão

representados na Figura 9.

Figura 9 - Representação esquemática de uma rede de Bragg gravada no núcleo de uma fibra ótica.

33

2.1.1. Princípios das Redes de Bragg

Para determinar o comprimento de onda de uma rede de Bragg deve-se

observar a conservação de energia e a conservação do momento. A energia é

conservada, pois a frequência da radiação incidente e da radiação refletida é a

mesma; e a conservação do momento é dada pela soma do vetor de onda incidente

e o vetor de onda da rede é igual ao vetor de onda da radiação espalhada, conforme

a equação (2), em que o índice i se refere ao vetor de onda incidente e o índice f se

refere ao vetor de onda da radiação espalhada.

KKK if

(2)

Para uma luz com ângulo θ de incidência, a conservação do momento é dada

pela equação (3):

2

)(sen2

)(sen2

mnn

if (3)

A equação (4) define índice de refração efetivo como:

effnn )(sen (4)

Substituindo m = -1 para fibras monomodo e a expressão para effn , a equação

(3) torna-se:

222 ,, iefffeff nn (5)

com os índices f representando final e i representando inicial.

Como feffn , e ieffn , são iguais em magnitude, diferenciando-se apenas na

direção, podemos reescrever a equação (5) da seguinte forma:

34

22

2effn

(6)

Por fim, a partir da equação (6) podemos definir o comprimento de onda de

Bragg pela equação (7):

2 Λ nλ effB (7)

A largura de banda zero a zero FWFZ (Full Width at First Zero) é apresentada

na equação (8) e está relacionada com o perfil da modulação do índice de refração e

com o comprimento L da rede, com o pico do espectro de reflexão centrado

aproximadamente no comprimento de onda de Bragg:

222

)( kL

Lneff

BFWFZ (8)

em que k é o coeficiente de acoplamento entre o modo de propagação de entrada e o

modo refletido acoplado pela estrutura da rede, conforme equação (9):

B

nk

(9)

com n sendo a amplitude do índice de refração causada pela perturbação e é a

parcela de potência contida no núcleo da fibra.

Uma onda incidente com comprimento de onda da ordem de Δλ na rede será

refletida em uma faixa estreita de λ centrada em λB, e a onda transmitida terá espectro

complementar ao espectro de reflexão, conforme o diagrama esquemático

apresentado na Figura 10.

35

Figura 10 - Espectros de emissão da potência incidente (canto superior à esq.), de transmissão (à dir.) e de reflexão da radiação (canto inferior à esq.), característicos de uma rede de Bragg.

A refletividade é a razão entre a luz refletida e a luz incidente, e para a rede de

Bragg, ela é definida pela equação (10),

)(senh2

)(cosh

)(senh)(

2

2

22

22

gLgLg

gLkR B

(10)

em que é o descasamento de fase para um determinado comprimento de onda do

espectro da fonte ótica, e é definido na equação (11),

222

s

effn (11)

e a equação (12) define o parâmetro g como:

36

2

2kg (12)

Como na condição de Bragg há um casamento de fase, = 0 e a refletividade

em função do coeficiente k de acoplamento e do comprimento L pode ser simplificada

para a equação (13):

)(tanh)(2

kLR B (13)

Deste modo, qualquer grandeza física que afete as características da rede ou

as condições dos modos de propagação da luz no interior da fibra causa uma

mudança no comprimento de onda de Bragg para aquela rede. Diversos dispositivos

têm como princípio esta característica, em especial os sensores à fibra ótica.

2.1.2. Sistema de Gravação

A técnica de gravação direta de rede de Bragg sob máscara de fase é um

método de gravação bastante efetivo (OTHONOS e KALLI, 1999) que emprega um

elemento ótico difrativo dielétrico, que é a máscara de fase, para modulação do feixe

UV incidente. As máscaras de fase podem ser produzidas holograficamente ou por

litografia por feixe de elétrons. As máscaras de fase induzidas por holografia não

possuem erros pontuais, presentes no método por feixe de elétrons. No entanto,

padrões complexos podem ser escritos nas máscaras fabricadas por feixe de elétrons

(chirps quadráticos, padrões de Moiré etc.). A máscara de fase tem uma estrutura

unidimensional de relevo de superfície fabricada em uma sílica fundida de alta

qualidade plana transparente ao feixe de escrita UV.

O perfil da máscara é escolhido de modo que quando um feixe UV incide sobre

a máscara de fase o feixe difratado de ordem zero seja suprimido para menos que

uma determinada porcentagem (tipicamente de 5%) da potência transmitida. Além

disto, as ordens difratadas m = +1 e m = -1 são maximizadas, com cada uma

37

contendo cerca de 35% da potência transmitida (OTHONOS e KALLI, 1999). Um

padrão de franja de campo próximo é produzido pela interferência dos feixes de

difração com ordens m = +1 e m = -1. Onde há interferência construtiva, o índice de

refração é aumentado em Δn, período das franjas é metade do período da máscara

de fase, e o período da rede, Λ, é metade do período da máscara de fase, PM ,

conforme apresentado na equação (14),

2)

2(sen2

PM

m

UV

(14)

O padrão de interferência fotograficamente imprime uma modulação do índice

de refração no núcleo de uma fibra óptica fotossensível colocada em contato com ou

próximo dele imediatamente atrás da máscara de fase. Uma lente cilíndrica pode ser

usada para focalizar o padrão de franja ao longo do núcleo da fibra.

A principal vantagem deste método de gravação, e também a razão pela qual

este método foi escolhido para ser utilizado durante este trabalho, é o fato de que para

produzir FBGs de comprimentos de onda diferentes basta trocarmos a máscara de

fase utilizada. Isto faz com que uma mesma montagem de bancada e um mesmo laser

UV sejam úteis para produção de redes em diversos comprimentos de onda, trocando

apenas a máscara utilizada. Além disto, esta simplicidade faz com que este método

de gravação seja um método robusto e estável, pois a fibra é colocada diretamente

atrás da máscara de fase, no campo próximo aos raios UV difrativos, fazendo com

que problemas de estabilidade por vibração mecânica sejam minimizados.

Normalmente, as fontes de radiação UV utilizadas para gravação de FBGs

possuem baixa coerência espacial e temporal. Um laser bastante utilizado em

gravações de redes de Bragg é o excímero KrF (OTHONOS e KALLI, 1999). A baixa

coerência requer que a fibra seja colocada em contato diretamente com a máscara

para induzir a modulação máxima do índice de refração.

Considere agora o núcleo da fibra a uma distância h da máscara de fase. As

ordens m = +1 e m = -1 interferem de modo a formar a rede. Já que a distância entre

a fibra e a máscara é a mesma para ambas as ordens de difração, a coerência

temporal não é crítica para formação de um padrão de franjas de alto contraste. Por

38

outro lado, como a distância h aumenta, a separação d entre os dois feixes de

interferência é incrementada. Neste caso, é exigida uma boa coerência espacial para

a formação de um padrão de franjas de alto contraste. À medida que uma distância h

estende-se para além da coerência espacial do raio incidente UV, o contraste de

interferência da franja tende a se deteriorar. A Figura 11 apresenta o desenho

esquemático de gravação de uma rede de Bragg por máscara de fase, considerando

a referência longitudinal para a fibra.

Figura 11 – Desenho esquemático de gravação de uma rede de Bragg por máscara de fase.

2.2. SENSORES BASEADOS EM REDES DE BRAGG

O comprimento de onda central da luz refletida a partir de uma FBG, a

ressonância da rede de Bragg, depende do índice de refração efetivo do núcleo e da

periodicidade da rede. Deformações na FBG e alterações de temperatura causam

variações longitudinais e/ou transversais, resultando em alterações no índice de

refração efetivo e na periodicidade da rede, gerando um deslocamento no

comprimento de onda de pico da FBG.

2.2.1. Tensão Longitudinal e Temperatura

Um sensor baseado em redes de Bragg em fibras óticas tem como princípio a

monitoração do deslocamento espectral causado por alterações no comprimento de

39

onda de Bragg, chamado ΔλB, devido à ação de uma tensão longitudinal, , e/ou

temperatura, T. A variação do comprimento de onda de Bragg é dada pela equação

(15):

TT

nT

nn

neff

eff

eff

eff

B

22

(15)

A tensão longitudinal é dada pela equação (16):

L

L (16)

onde L é o comprimento do segmento de fibra sujeito à força externa aplicada e L é

a variação do comprimento devido à aplicação da força externa.

Para a aplicação de uma tensão mecânica longitudinal, a tensão longitudinal

provoca uma deformação, que pode ser expressa pela equação (17):

)([

212 121112

2

pppn

neff

effB (17)

que indica a relação entre a variação do comprimento de onda e a sensibilidade à

tensão longitudinal. Os coeficientes fotoelásticos são representados por p11 e p12, e ν

é o coeficiente de Poisson. Para uma fibra de sílica com dopagem de germânio,

p11 = 0,113, p12 = 0,252, ν = 0,16 (KERSEY, DAVIS, et al., 1997).

Para a variação do comprimento de onda causada pela sensibilidade térmica,

a expressão para ΔλB é dada pela equação (18):

40

Tn

Tnn

eff

effB

)/(2 (18)

com sendo o coeficiente de expansão térmica da fibra, e effn

Tn )/( é o coeficiente

termo-ótico. Para uma fibra de sílica dopada com germânio, estes valores são,

respectivamente, = 0,55x10-6°C-1 e effn

Tn )/( = 8,6x10-6°C-1 (OTHONOS e KALLI,

1999).

Em uma rede gravada na faixa de 1550 nm, com índice de refração efetivo no

valor de 1,484, a sensibilidade teórica para a variação do comprimento de onda de

Bragg causada pela tensão é de aproximadamente 1,2 pm/µε. µε (microstrain) é a

unidade de medida de deformação, e cada µε indica uma deformação de 1 µm em

uma fibra de 1 m de comprimento. Para esta mesma fibra, a sensibilidade causada

pela variação de 1°C em temperatura é de, aproximadamente, 13,7 pm/°C

(OTHONOS e KALLI, 1999).

A Figura 12 ilustra o que ocorre quando a rede sofre uma tensão longitudinal

de estiramento. Nesta situação, o período da rede aumenta e, portanto, o

comprimento de onda de Bragg se desloca para maiores comprimentos de onda.

Quando a rede sofre uma tensão longitudinal de compressão, o período da rede

diminui e, portanto, o comprimento de onda de Bragg se desloca para menores

comprimentos de onda, conforme ilustra a Figura 13.

41

Figura 12 - Esquema da direção de deslocamento do comprimento de onda de Bragg quando o material sofre uma deformação longitudinal de estiramento.

Figura 13 - Esquema da direção de deslocamento do comprimento de onda de Bragg quando o material sofre uma deformação longitudinal de compressão.

42

2.2.2. Tensão Transversal

O resultado da aplicação de forças transversais sobre toda a extensão da rede

de Bragg em fibras monomodo padrão é a indução de birrefringência.

A força transversal aplicada provoca uma anisotropia no índice de refração da

fibra devido às diferentes tensões em cada um dos eixos transversais. A

birrefringência local induzida pela força é definida como a diferença entre os índices

de refração dos eixos transversais.

O espectro de reflexão das redes devido às tensões transversais mostram

bandas desdobradas devido aos diferentes índices de refração da fibra gerados pela

carga transversal aplicada. Um esquema da aplicação de força transversal é

apresentado na Figura 14 e o desdobramento de uma segunda banda causado pela

força pode ser visto na Figura 15.

Figura 14 - Diagrama da direção longitudinal z da fibra no espaço, e uma força transversal aplicada.

43

Figura 15 - Gráfico ilustrativo das bandas desdobradas devido à aplicação de uma força transversal.

2.3. CARACTERIZAÇÃO DAS REDES DE BRAGG

Como a gravação de redes é imediata, sua caracterização é feita

simultaneamente, observando-se a rede pelo analisador de espectro ótico (OSA –

Optical Spectrum Analyzer), que apresenta o diagrama de reflexão e o comprimento

de onda de Bragg. Para a caracterização, são necessários também uma fonte ótica

de grande largura espectral (ASE – Amplified Spontaneous Emission) e um circulador

ótico ou acoplador direcional (BARBOSA, RABELO, et al., 2000). A caracterização é

feita observando-se a variação do diagrama de reflexão da fibra.

Figura 16 - Diagrama de leitura de uma rede de Bragg utilizando fonte ótica, circulador ótico e analisador de espectros óticos.

A utilização de um circulador ótico é necessária para que possamos enviar à

44

fibra ótica a luz emitida pela fonte ASE e ao mesmo tempo possamos obter o espectro

que é refletido por esta mesma fibra. A Figura 16 ilustra o funcionamento de um

circulador ótico e sua utilidade na montagem experimental para caracterização de

redes de Bragg. O sinal luminoso é acoplado à porta 1 do circulador. A partir disto,

este sinal é transmitido à porta 2 do equipamento, que está conectada à fibra ótica

contendo a FBG de interesse. A rede refletirá uma determinada componente espectral

do sinal e deixará passar as demais, gerando os espectros de transmissão e reflexão

já apresentados na Figura 10. Esta luz refletida retorna à porta 2 do equipamento,

podendo então, ser desviada para a porta 3, que pode ser conectada ao analisador

de espectros. Neste caso, a caracterização é feita pelo espectro de reflexão

observado no equipamento ASE, este tipo de observação é interessante quando

temos baixa refletividade. Quando a refletividade é mais alta, podemos, como

alternativa, observar o espectro de transmissão da rede e observar o vale obtido para

análise das características da rede de Bragg.

Duas redes ou mais redes de Bragg podem ser demoduladas com o

interrogador através de um acoplador a fibra ótica. Um diagrama do sistema é

mostrado na Figura 16.

Figura 17 - Diagrama de utilização de um acoplador ótico para leitura de duas FBGs simultaneamente no interrogador.

A gravação dos sensores pode ser otimizada para outras aplicações, e para as

aplicações em biomecânica geralmente utiliza-se o método de gravação por máscara

de fase por atender aos requisitos necessários para as análises.

45

3. METODOLOGIA

As redes de Bragg utilizadas como sensores para a área de biomecânica não

necessitam de características especiais, pois os parâmetros medidos estão

diretamente ligados à deformação e temperatura. Com isto, geralmente são utilizadas

redes curtas, fabricadas pelo método de máscara de fase, e estas também foram

utilizadas ao longo deste trabalho.

3.1 REDES DE BRAGG

A FBG foi gravada numa fibra monomodo padrão SSMF utilizando um laser

Excímero KrF (Coherent, Xantos XS 500) com comprimento de onda de emissão de

248 nm, cujo feixe ilumina a fibra através de uma máscara de fase. Durante a gravação

da rede, o laser operou em 5 mJ/pulso, com taxa de repetição de 200 Hz. O

comprimento estimado da rede é 3 mm, obtido a partir da incidência do feixe laser

numa íris antes da máscara de fase. A Figura 18 mostra diagrama esquemático de

gravação da rede, indicando os equipamentos utilizados.

Figura 18 – Desenho esquemático de gravação da rede de Bragg por máscara de fase. A figura

mostra os itens utilizados na montagem da bancada para a gravação.

46

A Figura 19 (a) mostra a vista lateral do sistema de gravação utilizado, com as

indicações do laser, da lente cilíndrica e dos espelhos apresentadas na imagem. A

Figura 19 (b) apresenta a vista superior, com indicação do caminho percorrido pelo

feixe de laser e da fibra ótica.

(a)

(b)

Figura 19 - Fotos da bancada de gravação das redes de Bragg por máscara de fase. A vista

lateral é indicada na figura (a) e a vista superior é mostrada na figura (b).

As aquisições dos espectros óticos foram realizadas durante o processo de

47

gravação das redes utilizando-se de um analisador de espectro ótico (OSA - Optical

Spectrum Analyzer) fabricado pela Yokogawa, modelo AQ6375 (resolução em

comprimento de onda de 0,05 nm), um circulador ótico de três portas fabricado pela

THORLABS, modelo 6015-3-FC e de uma fonte de emissão espontânea amplificada

(ASE - Amplified Spontaneous Emission) fabricada pela Amonics, modelo ALS-10-M.

Estes equipamentos estão apresentados na Figura 20 (a) (OSA) e na Figura 20 (b)

(circulador ótico e ASE).

As análises in vitro foram realizadas utilizando-se de um analisador de

espectros óticos, o mesmo utilizado para a interrogação durante a gravação das

redes.

Durante as análises in vivo, utilizou-se um interrogador (Micron Optics, SM125-

500), com resolução em comprimento de onda de 0,001 nm e taxa de aquisição de 2

Hz, apresentado na Figura 20 (c) para as aquisições dos espectros óticos.

Figura 20 - Equipamentos utilizados durante os ensaios in vitro e in vivo e no processo de

gravação das redes: (a) analisador de espectros, (b) circulador e fonte ótica, e (c) interrogador.

48

3.2 DISPOSITIVOS INTEROCLUSAIS

Um cirurgião dentista especialista em Disfunção temporomandibular e dor

orofacial realizou a moldagem das arcadas dentárias superior e inferior do paciente

com uma moldeira de metal e alginato (Cavex Color Change Fast Set Dustfree,

Cavex). Posteriormente, os moldes foram vazados com gesso pedra especial

(Durone, Dentsply) com auxílio de um vibrador de gesso (Master, Biotron) para

prevenir a formação de bolhas e obtidos os modelos de gesso das arcadas dentarias.

Em seguida foi gravado o registro da arcada facial do paciente. Os contatos oclusais

foram demarcados com tiras de papel carbono (Occlufast, Zhermack) através da

manipulação longa do maxilar do paciente até a posição de máxima intercuspidação.

Na sequência, os modelos de gesso da arcada superior e inferior do paciente foram

cortados em um aparador de gesso. O modelo de gesso da arcada dentária superior

com os pontos de contatos oclusais dos primeiros molares reforçados é apresentado

na Figura 21. Os mesmos modelos de gesso foram utilizados para preparar todos os

dispositivos interoclusais utilizados durante os experimentos.

(a) (b)

Figura 21 – (a) Arcada dentária superior com indicação dos pontos de contato nos primeiros

molares do paciente e (b) respectivo modelo de gesso.

Para a realização do teste in vitro, o modelo de gesso foi fixado na posição de

oclusão utilizando-se um articulador semi-ajustável (4000-S Articulator, Bio-art).

Articulador semi-ajustável é um instrumento utilizado para registrar as relações

maxilomandibulares e reproduz os movimentos da mandíbula. Com este dispositivo é

possível a fixação de modelos de gesso para reproduzirem as arcadas dentárias do

paciente para observação e análise do movimento maxilomandibular sem sua

presença. Para ajuste do articulador foram utilizados valores médios padrão para a

direito esquerdo

49

mandíbula: inclinação condilar horizontal na fossa glenoide de 30° e deslocamento

lateral de Bennett de 15°, no lado de balanceio com o plano sagital durante o

movimento lateral da mandíbula; tais ângulos são utilizados para reproduzir a

condição fisiológica humana na posição de oclusão e suas localizações estão

indicadas na figura Figura 22 (a) e (b), respectivamente.

Figura 22 - Localização dos ângulos (a) inclinação condilar de 30° e (b) Ângulo de Bennett.

Dispositivo resiliente

Após a confecção dos modelos de gesso, o modelo da arcada superior foi

levado para um plastificador a vácuo (Nite White, Nite White). Uma placa de silicone

Whiteness (FGM, Dentscare Ltda) de 1 mm de espessura foi aquecida e pressionada

à vácuo no modelo de gesso. Após 1 minuto, a placa de silicone foi removida do

modelo de gesso e cortada. Em seguida, a FBG foi posicionada no contato oclusal do

primeiro molar e colada com cianoacrilato. Uma segunda placa de silicone (também

com 1 mm de espessura) foi pressionada à vácuo no sensor. A Figura 23 apresenta

uma foto do dispositivo interoclusal pronto e posicionado no modelo de gesso utilizado

para sua confecção. A espessura final do dispositivo resiliente, após plastificação e

prensagem, é cerca de 2 mm. Durante a execução dos experimentos, dispositivos

interoclusais foram confeccionados por este processo, e a Figura 24 apresenta dois

dispositivos resilientes em que foram inseridos duas FBGs, uma em cada contato

oclusal, conforme indicado na Figura 21.

50

Figura 23 - Foto do modelo de gesso da arcada inferior (à esquerda); dispositivo interoclusal

resiliente com a FBG posicionada no lado esquerdo do modelo de gesso da arcada superior (à

direita).

Figura 24 - Foto de dois dispositivos interoclusais resilientes com a localização das FBGs

indicada.

Dispositivo rígido

Para a confecção do dispositivo rígido, os modelos foram montados em um

51

articulador semi-ajustável. Um dispositivo interoclusal de resina (resina acrílica, JET)

foi confeccionado a partir do modelo de gesso da arcada dentária superior,

considerando todos os passos de laboratório requeridos para sua conformação

(encerar e pressionar no sistema de abafamento). As características ideais que os

dispositivos devem ter, como contatos simultâneos bilaterais e distribuídos em todos

os dentes, guias laterais e anteroposteriores foram seguidas e ajustadas em máxima

intercuspidação. Posteriormente, o dispositivo foi polido e instalado na boca do

paciente para checagem dos contatos e guias dentários. Uma canaleta foi aberta na

área de contato oclusal do molar superior esquerdo utilizando-se uma broca esférica

de 2 mm de diâmetro em alta velocidade. O sensor FBG foi inserido na canaleta e em

seguida a mesma foi fechada com a aplicação de resina acrílica sobre a fibra. A Figura

25 apresenta uma foto do dispositivo interoclusal rígido posicionado no modelo de

gesso ao final de sua confecção.

Figura 25 - Foto do modelo de gesso da arcada inferior (à esquerda); dispositivo interoclusal

rígido com a FBG posicionada no lado esquerdo do modelo de gesso da arcada superior (à

direita).

A Figura 26 apresenta fotos dos dispositivos utilizados para os ensaios

comparativos entre os dois materiais de confecção.

52

Figura 26 - Foto dos dispositivos interoclusais com indicação da rede posicionada no lado

esquerdo de cada uma delas, correspondente ao lado esquerdo da arcada dentária superior (a)

dispositivo interoclusal resiliente (b) dispositivo interoclusal rígido.

3.3 ENSAIO IN VITRO

O estudo in vitro foi realizado utilizando um sistema mecânico com alavanca e

massas de carga. Cargas com força peso (P) variando de 0 a 90 N foram aplicadas

sobre o modelo de gesso ocluído, conforme diagrama ilustrado na Figura 27 (b). A

Figura 27 (a) indica vista superior da localização horizontal da esfera para o

experimento utilizando duas fibras óticas, e a Figura 28 mostra fotografias dos

dispositivos interoclusais posicionados no modelo de gesso.

O plano oclusal do modelo de gesso não é perpendicular à direção da carga

aplicada, e, por isto, existem componentes da força aplicada ao longo das duas

direções perpendiculares ao plano oclusal, isto é, forças longitudinais e transversais

no plano oclusal, conforme ilustrado na Figura 29.

As forças longitudinais induzem deformações longitudinais no sensor FBG e é

possível analisar a variação da carga pelo deslocamento da banda de reflexão

espectral do sensor. Cargas mais elevadas aplicadas ao sistema também podem

induzir birrefringência na fibra, devido às componentes transversais da força. No

entanto, para as forças analisadas neste trabalho, a deformação longitudinal é o

53

principal componente envolvido.

Figura 27 – Desenho esquemático de: (a) Vista superior do modelo de gesso da arcada superior,

com os incisivos para cima, mostrando as duas fibras óticas. (b) Vista lateral dos modelos de

gesso superior e inferior, e a montagem experimental na alavanca para os experimentos in vitro.

(a) (b)

Figura 28 - Foto dos dispositivos interoclusais (a) rígido e (b) resiliente e sensores FBG

posicionados no lado esquerdo dos modelos de gesso.

54

Figura 29 - Esquema ilustrando as forças aplicadas no ponto de contato dental e,

consequentemente, medidas pela FBG. A figura ilustra a distribuição dessas forças devido à

inclinação do plano oclusal.

As cargas foram aplicadas nos ensaios in vitro em diferentes pontos sobre o

modelo de gesso. Os pontos de aplicação das forças são indicados na Figura 30.

As cargas foram aplicadas de maneira descentralizada, segundo a posição do

sensor a fim de maximizar a sensibilidade em cada um dos lados. Depois foram

utilizadas forças centralizadas com os sensores distribuídos dos lados direito e

esquerdo, a fim de simular o caso in vivo. Para os três casos, a força foi aplicada na

mesma direção em relação à mandíbula e o modelo de gesso e a Figura 30 apresenta

os pontos de aplicação de carga considerando a arcada dentária com os dentes

incisivos para cima.

(a) (b) (c) (d)

Figura 30 – Vista superior dos pontos de aplicação das cargas: (a) centralizada, (b)

descentralizada à direita e (c) descentralizada à esquerda cargas durante o experimento in vitro.

A figura (d) indica a posição considerada para a arcada dentária para os três casos.

55

O diagrama esquemático apresentado na Figura 31 mostra a aquisição

simultânea dos dois sensores com aplicação de carga centralizada. O mesmo sistema

foi utilizado para a aquisição simultânea dos dois sensores in vivo.

Figura 31 - Diagrama da montagem experimental para a aquisição simultânea de dois sensores

com aplicação de carga centralizada, utilizando um acoplador e o interrogador SM 125.

3.4 ENSAIO IN VIVO

As análises in vivo foram realizadas em paciente do sexo feminino com

bruxismo (desordem temporomandibular). O dispositivo interoclusal foi colocado na

arcada dentária superior do paciente. O monitoramento foi iniciado 3 minutos depois

para esperar a estabilidade de deformação e temperatura após a inserção do

dispositivo na boca. As variações de deformação e temperatura identificadas no

presente estudo estão relacionadas às variações de comprimento de onda dos

sensores de fibra óptica. Os experimentos foram realizados em um ambiente

controlado à temperatura ambiente (21C). A Figura 32 mostra a fotografia do paciente

voluntário ao utilizar o dispositivo interoclusal resiliente.

O sensor FBG está posicionado no interior do dispositivo interoclusal, em uma

das cúspides (vertente triturante da cúspide disto-vestibular) do primeiro molar (direito

e esquerdo do dispositivo resiliente e esquerdo do dispositivo rígido). As Figura 33 e

Figura 34 mostram a posição do sensor no dispositivo durante o experimento

in vivo para os dispositivos interoclusais resiliente e rígido, respectivamente.

Os ensaios foram realizados em três estágios de mordida: oclusão, mordida e

56

mordida máxima. O estágio de oclusão se refere ao contato superficial dos dentes

superiores e inferiores. O estágio de mordida se refere à mordida padrão do paciente

e o estágio de mordida máxima está relacionado ao limite de força aplicado pelo

paciente.

Figura 32 - Paciente utilizando dispositivo interoclusal com os sensores a fibra ótica.

57

Figura 33 - Dispositivo interoclusal na posição de oclusão e localização da FBG do lado esquerdo para o dispositivo resiliente.

Figura 34 – Dispositivo interoclusal na posição oclusal e localização da FBG do lado esquerdo para o dispositivo rígido.

3.4.1. Estabilidade Térmica e Deformação dos Dispositivos Interoclusais

Como o sensor possui sensibilidade cruzada (deformação e temperatura),

quando o paciente insere o dispositivo interoclusal na boca, a diferença de

temperatura entre o ambiente externo e o corpo do paciente causa uma variação do

58

comprimento de onda central da rede, até a completa estabilização da temperatura.

Para avaliar a estabilidade térmica e de deformação do dispositivo interoclusal

resiliente, este foi inserido na boca do paciente na posição de oclusão e mantido por

2,5 minutos (150 segundos), que é o tempo mínimo para estabilização da temperatura.

Para o dispositivo rígido, o procedimento foi realizado por aproximadamente 30

minutos (2000 segundos), pois o tempo de 150 segundos não é suficiente para

estabilização adequada.

3.4.2. Força de Mordida e Movimentos

Para os ensaios de movimentos e mordida máxima, foram utilizados

dispositivos interoclusais dos tipos resiliente e rígido, com o sensor localizado no

primeiro molar superior esquerdo de cada dispositivo. Os ensaios com cada placa

foram realizados em diferentes momentos. O dispositivo interoclusal foi posicionado

na boca da paciente conforme Figura 32 e foi solicitado ao voluntário a realização de

movimentos bucais (com diferentes tempos de mordida e movimento), que foram

divididos nas seguintes sequências:

I. Três mordidas, com as seguintes durações:

30 segundos de mordida e relaxamento de 180 segundos;



II. Três sequências de movimentos laterais direito e esquerdo, com as

seguintes durações:

30 segundos de movimentos laterais e relaxamento de 180 segundos;



III. Três sequências de movimento anteroposterior, com as seguintes

durações:

30 segundos de movimento anteroposterior e relaxamento de 180

segundos;


segundos;

59


segundos;

IV. Três mordidas máximas com duração de 15 segundos e relaxamento de

60 segundos.

A fim de analisar se o padrão de mordida permanece o mesmo após longos

períodos de mordida e curtos períodos de intervalo, foi solicitado ao voluntário a

realização de mordida por 20 segundos, seguido por 5 segundos de relaxamento, para

os dois dispositivos, até exaustão.

3.4.3. Ensaio de Repetição – Dispositivo Resiliente

Para conferir a repetitividade e replicabilidade do sistema, ensaios foram

realizados com os sensores embutidos em dois dispositivos diferentes (Figura 24) e a

análise foi feita observando-se os sensores localizados no lado esquerdo do paciente.

Para cada dispositivo interoclusal resiliente foram realizados dois ensaios, solicitando

à voluntária a realização de 30 segundos de mordida, seguido de 30 segundos de

relaxamento. Para cada dispositivo, a sequência foi repetida seis vezes, com a

utilização dos mesmos equipamentos e ambiente com temperatura controlada.

O ensaio de repetição in vivo foi realizado com a voluntária utilizando apenas o

dispositivo resiliente.

3.4.4. Ensaio de Mordida – Dispositivo Resiliente

Para os ensaios de mordida, três casos foram analisados: oclusão, mordida e

mordida máxima. A posição de repouso sem oclusão dentária (antes da oclusão) é

considerada como o ponto inicial.

O estágio de oclusão apresenta forças inferiores em relação ao estágio de

mordida para ambos os lados da boca, conforme esperado; no entanto, no estágio de

mordida máxima a força torna-se menor. Esse comportamento pode ser relacionado

à distribuição da força sobre o dispositivo nesta etapa.

A partir da inclinação obtida pelo melhor ajuste linear, é possível correlacionar

os padrões de força com a variação do comprimento de onda.

60

3.4.5. Ensaio de Fadiga

Através do sensor FBG é possível monitorar as forças geradas pelo primeiro

molar superior esquerdo durante as diferentes sequências de movimento realizadas

para identificar e caracterizar a exaustão e a fadiga muscular.

Para o estudo da fadiga, foi utilizado outro dispositivo interoclusal resiliente,

com um sensor localizado no primeiro molar superior esquerdo, e outro sensor no

primeiro molar superior direito. As seguintes sequências foram solicitadas:

I. Sequência de mordidas máximas, com 20 segundos de mordida e

relaxamento de 5 segundos. A sequência era mantida até a presença de dor;

II. Sequência de mordidas máximas, com 10 segundos de mordida e

relaxamento de 3 segundos. A sequência era mantida até esgotamento

muscular e presença de dor.

Os ensaios de fadiga e exaustão são exercícios induzidos pelo paciente, e,

portanto, a fim de obter uma análise mais completa, é necessária à realização de um

ensaio espontâneo realizado pelo paciente.

3.4.6. Ensaio de Bruxismo

Um ensaio in vivo foi realizado por um paciente voluntário portador do hábito

de bruxismo do sono, utilizando o dispositivo interoclusal resiliente durante o sono. O

dispositivo resiliente foi instrumentado por duas FBGs, localizadas nos primeiros

molares superiores.

Uma sala contendo os equipamentos necessários para as medições e

temperatura ambiente controlada de 22°C foi adaptada para abrigar o paciente

durante o sono. Durante o teste, o paciente dormiu sem uso de fármaco e não realizou

movimentos que resultassem na quebra da fibra ótica.

A Figura 35 mostra o paciente em repouso utilizando o dispositivo interoclusal

instrumentado (detalhe da Figura 35) e os equipamentos utilizados para a

demodulação dos sensores. A aquisição dos dados foi feita continuamente pelo

interrogador SM 125, durante o ciclo de sono do paciente.

Os dados obtidos com as redes de Bragg são de variação do comprimento de

61

onda de pico em função da variação das forças e da temperatura. A fim da obtenção

dos dados in vivo destas forças e das mudanças de temperatura, foram utilizados

dados obtidos em ensaios prévios com modelo in vitro para a obtenção dos

coeficientes de sensibilidade dos sensores.

Figura 35 – (a) Fotografia da montagem experimental para o ensaio de bruxismo do sono. (b)

Detalhe do paciente utilizando o dispositivo interoclusal resiliente, com as fibras óticas

demarcadas na extremidade do dispositivo e o interrogador utilizado para a aquisição dos

dados.

62

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Análises in vitro foram realizadas num modelo de gesso para que as

caracterizações sejam o mais próximo possível do sistema real. Os modelos

biomecânicos não são homogêneos e apresentam estruturas complexas. Por este

motivo é necessária a caracterização dos sensores pela aplicação das forças com as

redes embutidas no próprio modelo complexo.

4.1 ENSAIO ESTÁTICO

4.1.1. Forças Descentralizadas

Os testes iniciais das forças de mordida foram realizados no modelo de oclusão

estática, para obter a máxima sensibilidade do sensor.

Os pontos de contato nos primeiros molares, mostrados na Figura 21, obtidos

com o papel carbono, indicam distribuição maior da carga no lado direito do paciente.

Portanto, devido ao fato do sensor ser pontual e bem localizado, a força no sensor

deverá ser menor para este lado.

Por isso, a fim de obter a máxima sensibilidade do sensor, a FBG localizada no

lado esquerdo foi analisada utilizando os dispositivos rígido e resiliente, com aplicação

de carga descentralizada neste mesmo lado.

A Figura 36 e a Figura 37 mostram o deslocamento da posição espectral das

FBGs em função da carga aplicada para o sensor posicionado no lado esquerdo.

O coeficiente de sensibilidade obtido para o dispositivo rígido foi de

- 0,109 nm/N e para o dispositivo resiliente foi de 0,028 nm/N para os sensores

localizados no primeiro molar superior esquerdo de cada dispositivo (Figura 38 e

Figura 39, respectivamente). Estes valores para as sensibilidades foram obtidos a

partir do melhor ajuste linear aos dados. Pela inclinação obtida é possível determinar

a força como função da carga aplicada durante os testes.

63

1538,50 1539,00 1539,50 1540,00 1540,50

0

50

100

150

200

250

0N

10N

20N

30N

40N

PO

TÊ

NC

IA R

EF

LET

IDA

(nW

)

COMPRIMENTO DE ONDA (nm)

Figura 36 – Variação do espectro de reflexão em função da carga aplicada para o dispositivo

rígido com o sensor localizado do lado esquerdo. Carga descentralizada.

1538,50 1539,00 1539,50 1540,00 1540,50

0

50

100

150

200

0N

10N

20N

30N

40N

PO

TÊ

NC

IA R

EF

LET

IDA

(nW

)

COMPRIMENTO DE ONDA (nm)

Figura 37 - Variação do espectro de reflexão em função da carga aplicada para o dispositivo

resiliente com o sensor localizado do lado esquerdo. Carga descentralizada.

64

0 10 20 30 40-0,50

-0,40

-0,30

-0,20

-0,10

0,00

VA

RIA

ÇÃ

O D

O

CO

MP

RIM

EN

TO

DE

ON

DA

(nm

)

PESO (N)

Figura 38 - Variação do comprimento de onda central da FBG como função do peso aplicado no

primeiro molar esquerdo para o dispositivo interoclusal rígida. Carga descentralizada. Os

símbolos representam os dados experimentais, e a linha tracejada é o ajuste linear.

0 10 20 30 40

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

VA

RIA

ÇÃ

O D

O

CO

MP

RIM

EN

TO

DE

ON

DA

(nm

)

PESO (N)

Figura 39 – Variação do comprimento de onda central da FBG como função do peso aplicado no

primeiro molar esquerdo para o dispositivo interoclusal resiliente. Carga descentralizada. Os

símbolos representam os dados experimentais, e a linha tracejada é o ajuste linear.

65

4.1.2. Forças Centralizadas

Para uma melhor aproximação do caso real, foram realizados ensaios com as

forças aplicadas de maneira centralizada no modelo de gesso, conforme ilustrado na

Figura 30 (a). A aplicação das cargas foi realizada de forma gradual, primeiramente

crescente e em seguida decrescente. A Figura 40 apresenta a aplicação crescente

de forças para os dispositivos interoclusais resiliente e rígido, com sensores

localizados no lado esquerdo. Para esta medida, os coeficientes de sensibilidade

obtidos foram -0,009 nm/N para o dispositivo rígido e 0,008 nm/N para o dispositivo

resiliente. O coeficiente angular da reta obtida para o dispositivo rígido possui sinal

inverso ao obtido para o dispositivo resiliente, indicando o movimento de compressão

do dispositivo rígido devido à aplicação de cargas e não o de distensão longitudinal,

como no caso do dispositivo resiliente.

0 5 10 15 20 25 30

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

RÍGIDO

RESILIENTE

VA

RIA

ÇÃ

O D

O

CO

MP

RIM

EN

TO

DE

ON

DA

(nm

)

PESO(N)

Figura 40 - Variação do comprimento de onda central da FBG como função do aumento do peso

aplicado no primeiro molar esquerdo para os dispositivos interoclusais rígido e resiliente. Carga

centralizada. Os símbolos representam os dados experimentais, e a linha tracejada é o ajuste

linear.

A Figura 41 apresenta a aplicação decrescente de forças do lado esquerdo para

os dispositivos interoclusais resiliente e rígido. Para esta medida, os coeficientes de

sensibilidade obtidos foram -0,008 nm/N para o dispositivo rígido e 0,006 nm/N para

66

o dispositivo resiliente.

30 25 20 15 10 5 0

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

RESILIENTE

RÍGIDO

VA

RIA

ÇÃ

O D

O

CO

MP

RIM

EN

TO

DE

ON

DA

(n

m)

PESO(N)

Figura 41 - Variação do comprimento de onda central da FBG como função da diminuição do

peso aplicado no primeiro molar esquerdo para os dispositivos interoclusais rígido e resiliente.

Carga centralizada. Os símbolos representam os dados experimentais, e a linha tracejada é o

ajuste linear.

4.1.3. Dispositivo Interoclusal Resiliente

Para fins de comparação entre os lados direito e esquerdo, foram realizados

testes com o dispositivo interoclusal resiliente contendo sensores em ambos os lados

e a aplicação das cargas ocorreu novamente de maneira centralizada.

A Figura 42 e a Figura 43 mostram o deslocamento da posição espectral da

FBG como função do peso aplicado de maneira centralizada e percebida pelos

sensores localizados nos lados direito e esquerdo do modelo de gesso, onde o sensor

é posicionado. Todos os testes foram feitos à temperatura controlada de 21°C.

O valor de sensibilidade foi obtido a partir do ajuste linear ótimo do gráfico. O

mesmo procedimento foi realizado com o sensor posicionado no lado direito. Os

coeficientes de sensibilidade obtidos foram de 0,006 nm/N para o sensor localizado

no primeiro molar superior esquerdo e de 0,010 nm/N para o sensor localizado no

primeiro molar superior direito. Estas sensibilidades diferentes podem estar

relacionadas às diferenças fisiológicas entre os dois lados do voluntário.

67

O espectro de reflexão da FBG é obtido quando o dispositivo interoclusal é

inserido na boca do voluntário. O comprimento de onda central da FBG pode ser

associado a diferentes forças aplicadas pelo voluntário, utilizando as sensibilidades

previamente determinadas.

0 20 40 60 80 100

1530,4

1530,5

1530,6

1530,7

1530,8

1530,9

1531,0SENSOR ESQUERDO

CO

MP

RIM

EN

TO

DE

ON

DA

(n

m)

PESO (N)

Figura 42 - Comprimento de onda central da FBG em função aumento das forças aplicadas no primeiro molar esquerdo para o dispositivo interoclusal resiliente. Cargas centralizadas. Os símbolos representam os dados experimentais e a linha tracejada mostra o melhor ajuste linear.

0 20 40 60 80 1001526,2

1526,4

1526,6

1526,8

1527,0

1527,2

1527,4

CO

MP

RIM

EN

TO

DE

ON

DA

(nm

)

PESO (N)

SENSOR DIREITO

Figura 43 - Comprimento de onda central da FBG em função do aumento das forças aplicadas no primeiro molar direito para o dispositivo interoclusal resiliente. Cargas centralizadas. Os símbolos representam os dados experimentais e a linha tracejada mostra o melhor ajuste linear.

68

4.2 ENSAIO IN VIVO

Todos os experimentos in vivo foram realizados em ambiente controlado, à

temperatura ambiente de 21C. Não foram identificadas variações de temperatura no

intervalo de tempo estudado.

Para todos os ensaios envolvendo força em relação ao tempo, foram utilizados

os valores apresentados na Tabela 1, que foram obtidos com aplicação de cargas

centralizadas in vitro, conforme resultados apresentados na seção 4.1 do presente

trabalho.

Tabela 1 - Valores dos coeficientes de sensibilidade utilizados para os experimentos in vivo.

Tipo de

Dispositivo

Interoclusal

Lado do

sensor

Valor do coeficiente de

sensibilidade (nm/N)

Rígido Esquerdo -0,009 nm /N

Resiliente Esquerdo 0,006 nm/N

Resiliente Direito 0,010 nm/N

4.2.1. Estabilidade Térmica e Deformação dos Dispositivos Interoclusais

Foram realizados ensaios de variação térmica para avaliação do tempo de

estabilização da variação de comprimento de onda com a temperatura corporal.

Um intervalo de tempo de aproximadamente dois minutos foi analisado para o

dispositivo interoclusal resiliente, até a estabilidade térmica do sensor, conforme

mostra a Figura 44. É possível observar que após 60 segundos a variação é menor

que 3% considerando uma mordida simples. O valor teórico de sensibilidade à

temperatura para uma fibra monomodo padrão é de 13,7 pm/ºC, o que indicaria uma

variação de 0,22 nm para uma variação de temperatura de 16ºC - de 20ºC

(temperatura ambiente) à 36ºC (temperatura do corpo humano). Esta variação está

coerente com a variação de aproximadamente 0,25 nm, que pode ser observada nos

60s iniciais do gráfico apresentado na Figura 44.

O ensaio de estabilização também foi realizado para o dispositivo interoclusal

rígido. É possível observar no gráfico da Figura 45 que a maior variação do

comprimento de onda, de 1,3 nm, ocorre entre os primeiros 60 s; esta variação está

69

relacionada não somente à variação de temperatura, mas também à deformação do

próprio dispositivo, pois considerando que a variação relacionada à temperatura seria

de 0,22 nm, a variação do comprimento de onda por deformação do dispositivo estaria

relacionada a 1,1 nm (equivalente a 916 µ; valor teórico de 1,2 pm/ µ). Após este

tempo inicial, o dispositivo permanece em deformação, o que pode ser observado pela

curva ascendente. Esta deformação está presente em todos os gráficos relacionados

ao dispositivo rígido.

0 20 40 60 80 100 120 140

1552,60

1552,65

1552,70

1552,75

1552,80

1552,85

1552,90

CO

MP

RIM

EN

TO

DE

ON

DA

(n

m)

TEMPO (s)

Figura 44 – Estabilidade térmica do sensor com o dispositivo interoclusal resiliente inserido na

boca do paciente. Sensor do lado esquerdo. Símbolos são dados experimentais.

0 500 1000 1500 2000

1537,20

1537,40

1537,60

1537,80

1538,00

1538,20

1538,40

1538,60

1538,80

CO

MP

RIM

EN

TO

DE

ON

DA

(n

m)

TEMPO (s)

Figura 45 - Estabilidade térmica do sensor com o dispositivo interoclusal rígido inserido na boca

do paciente. Sensor do lado esquerdo. Símbolos são dados experimentais.

70

4.2.2. Força de Mordida e Movimentos

Foram realizados ensaios de força de mordida e movimentos para os

dispositivos interoclusais resiliente e rígido. O paciente foi instruído a realizar três

ciclos de movimentos com três repetições cada.

Os dados da Figura 45 mostram os resultados obtidos nos ensaios de mordida

e movimentos para o dispositivo resiliente. É possível comparar as amplitudes das

forças para estes três tipos de movimentos através do gráfico. As maiores amplitudes

estão relacionadas aos movimentos anteroposteriores da mandíbula.

A Figura 46 mostra a comparação entre as repetições realizadas com o ensaio

de mordida para o dispositivo resiliente. Pode-se observar que as amplitudes em

média permanecem as mesmas para os três ensaios, porém, os padrões não são os

mesmos, e apesar do tempo de manutenção das mordidas ser menor a cada

repetição, os máximos de mordida não são constantes, mas com a repetição, a

mordida inicial é menor e aumenta com a manutenção do movimento.

A Figura 47 mostra o primeiro pico do processo de mordida, mostrando que a

força não varia com o tempo, mas permanece em média a mesma (aproximadamente

150 N). A Figura 48 mostra os gráficos obtidos com a indução dos movimentos laterais

da mandíbula para o dispositivo resiliente e a Figura 49 mostra em detalhe o primeiro

pico do movimento lateral. A Figura 50 e Figura 51 mostram os dados experimentais

para os movimentos anteroposteriores da mandíbula, ensaios dos três movimentos

com variação do tempo de manutenção dos movimentos e o primeiro ensaio em

detalhe, respectivamente.

Os dados experimentais mostrados na Figura 52 são dos movimentos de

mordida, laterais e anteroposterior, obtidos com o dispositivo interoclusal rígido. Os

gráficos da Figura 53 e Figura 54 mostram os três ensaios de mordida para o

dispositivo rígido e o padrão do movimento para o primeiro ensaio, respectivamente.

A Figura 55 mostra os ensaios de movimento lateral para o dispositivo rígido e a Figura

56 o detalhe do primeiro ensaio de movimento lateral. A Figura 57 mostra os ensaios

de movimento anteroposterior para o dispositivo rígido e a Figura 58, o detalhe do

primeiro ensaio. Nos ensaios de lateralidade e anteroposterior os padrões de

amplitude da força não são constantes durante a sequência do movimento e também

não são constantes após a interrupção e retorno do movimento.

71

Os dispositivos resilientes e rígidos mostraram para o ensaio I (de mordida),

força constante ao longo do tempo com baixa taxa de declínio devido ao esgotamento

dos músculos. No ensaio II (movimentos laterais direito e esquerdo) é possível

observar a variação da força. No entanto, as amplitudes dos picos desses movimentos

foram menores do que nos movimentos anteroposteriores (ensaio III). Essas

amplitudes foram relacionadas ao alcance do movimento que é maior quando

combinados os movimentos de protrusão e retrusão da mandíbula, como no caso do

ensaio III.

Na avaliação do ensaio de mordida, para os dispositivos rígido e resiliente, a

força muscular diminuiu ao longo do tempo devido ao esgotamento, ao comparar 30,

20 e 10 segundos da duração do movimento. No entanto, na transição entre diferentes

movimentos, a intensidade da força é restaurada de um ciclo para outro. A restauração

da força está relacionada aos diferentes músculos que são necessários em diferentes

tipos de movimento.

As curvas do dispositivo resiliente apresentam maiores valores do comprimento

de onda e portanto da força devido à composição do material. O material resiliente

sofreu compressão e expansão lateral, o que gera deformação longitudinal do sensor

de fibra.

No dispositivo rígido pode-se observar um efeito diferente. O material rígido não

sofre expansão longitudinal quando submetido a forças transversais. Portanto, o

sensor não sofre tensões longitudinais. O sensor é submetido à compressão

transversal neste caso. Assim, o componente de deformação só está associado a uma

componente transversal.

72

0 400 800 1200 1600

0

50

100

150

200

250

300

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)

MORDIDA

MOVIMENTO

LATERAL

MOVIMENTO

ANTEROPOSTERIOR

Figura 46 – Força de mordida e movimentos em função do tempo para o sensor localizado no

lado esquerdo do dispositivo resiliente.

Figura 47 – Padrão de força para movimento mordida para o dispositivo resiliente com o sensor

localizado do lado esquerdo.

100 200 300 400 500

0

50

100

150

MORDIDA

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)

73

50 60 70 80 90 100

0

50

100

150

MORDIDA

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)

Figura 48 – Detalhe do padrão de força para movimento mordida para o dispositivo resiliente

com o sensor localizado do lado esquerdo.

700 800 900 1000 1100

0

50

100

150

200

250

MOVIMENTO LATERAL

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)

Figura 49 - Padrão de força para movimentos laterais direito e esquerdo para o dispositivo

resiliente com o sensor localizado do lado esquerdo.

74

650 660 670 680 690 700

0

50

100

150

200

MOVIMENTOS LATERAIS

DIREITA E ESQUERDA

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)

Figura 50 – Detalhe do padrão de força para movimentos laterais direito e esquerdo para o

dispositivo resiliente com o sensor localizado do lado esquerdo.

1300 1400 1500 1600 1700-50

0

50

100

150

200

250

MOVIMENTO

ANTEROPOSTERIOR

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)

Figura 51 - Padrão de força para movimento anteroposterior para o dispositivo resiliente com o

sensor localizado do lado esquerdo.

75

1250 1260 1270 1280 1290 1300-50

0

50

100

150

200

250

MOVIMENTO

ANTEROPOSTERIOR

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)

Figura 52 – Detalhe do padrão de força para movimento anteroposterior para o dispositivo


0 500 1000 1500 2000-20,0

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

160,0

MOVIMENTO

ANTEROPOSTERIORMORDIDA

MOVIMENTO

LATERAL

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)

Figura 53 - Força de mordida e movimentos em função do tempo para o sensor localizado no

lado esquerdo do dispositivo rígido.

76

200 300 400 500 600 7000,0

20,0

40,0

60,0

80,0 MORDIDA

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)

Figura 54 - Padrão de força para movimento mordida para o dispositivo rígido com o sensor

localizado do lado esquerdo.

200 210 220 230 240 2500,0

20,0

40,0

60,0

80,0

MORDIDA

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)

Figura 55 – Detalhe do padrão de força para movimento mordida para o dispositivo rígido com

o sensor localizado do lado esquerdo.

77

800 900 1000 1100 1200 13000,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

MOVIMENTOS LATERAIS

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)

Figura 56 - Padrão de força para movimentos laterais direito e esquerdo para o dispositivo rígido


800 810 820 830 840 8500,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0MOVIMENTOS LATERAIS

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)

Figura 57 – Detalhe do padrão de força para movimentos laterais direito e esquerdo para o

dispositivo rígido com o sensor localizado do lado esquerdo.

78

1400 1500 1600 1700 1800-10,0

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0MOVIMENTO ANTEROPOSTERIOR

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)

Figura 58 – Padrão de força para movimento anteroposterior para o dispositivo rígido com o

sensor localizado do lado esquerdo.

1390 1400 1410 1420 1430 1440 1450-10,0

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0MOVIMENTO

ANTEROPOSTERIOR

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)

Figura 59 – Detalhe do padrão de força para movimento anteroposterior para o dispositivo rígido


79

Ao comparar as três repetições da mordida para o dispositivo resiliente na

Figura 47 com o dispositivo rígido na Figura 60, pode-se observar que o esgotamento

muscular ocorre mais rápido no dispositivo rígido do que no dispositivo resiliente.

Após o início do esgotamento muscular na segunda mordida do dispositivo

rígido, ocorreu a manutenção de uma mordida padrão em baixos níveis de

deformação.

As Figura 60 e Figura 61 mostram três movimentos de mordida com

dispositivos resiliente e rígido e 15 segundos de duração com um intervalo de

relaxamento dos 60 segundos, e as Figura 62 e Figura 63 mostram mordidas com os

mesmos dispositivos, com 20 segundos de duração e 5 segundos de relaxamento.

Na primeira avaliação, a curva padrão foi mantida e no segundo, pode-se

observar uma não-linearidade do gráfico padrão que aumenta com a repetição do

movimento até a exaustão muscular. Estes resultados podem estar relacionados à

duração da mordida e o relaxamento, que influenciaram a velocidade do cansaço

muscular.

O teste de exaustão com o dispositivo resiliente revelou uma rampa do terceiro

movimento de mordida, caracterizada inicialmente por uma redução seguida por um

aumento na força de mordida.

Esse comportamento ocorre devido ao tempo elevado de contração muscular,

menor tempo de relaxação muscular e a frequência dos movimentos, resultando no

esgotamento do músculo.

O tempo de mordida foi maximizado e o tempo de espera foi minimizado a fim

de induzir fadiga por exaustão.

Nos gráficos obtidos com o dispositivo resiliente pode-se observar os padrões

de exaustão e fadiga, enquanto no gráfico da rígida não aparece devido à existência

de deformação do dispositivo. Por esse motivo os ensaios subsequentes foram

realizados apenas para o dispositivo resiliente.

80

50 100 150 200 250 300-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)

Figura 60 – Padrão de força de mordida para o sensor do lado esquerdo do dispositivo

interoclusal resiliente. Tempo de mordida de 15 segundos e tempo de relaxamento de 60

segundos.

50 100 150 200 250 300

0

10

20

30

40

50

60

FO

RÇ

A (

N)

TEMPO (s)

Figura 61 - Padrão de força de mordida para o sensor do lado esquerdo do dispositivo

interoclusal rígido. Tempo de mordida de 15 segundos e tempo de relaxamento de 60 segundos.

81

20 40 60 80 100 120 140 160-20

0

20

40

60

80

100

120

140

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)



segundos.

60 80 100 120 140 160 180

0

10

20

30

40

50

60

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)



segundos.

4.2.3. Ensaio de Repetição – Dispositivo Resiliente

Ensaios de repetição de mordida foram realizados para dois dispositivos

resilientes com as redes inseridas do lado esquerdo do paciente. As Figuras 63 e 64

mostram os padrões de mordida para o dispositivo resiliente 1 e dispositivo resiliente

82

2, respectivamente (Figura 23 mostram os dois dispositivos resilientes

instrumentados).

Os gráficos mostram a variação do comprimento de onda em função do tempo,

com a repetição do padrão de mordida. É possível observar que apesar da amplitude

não ser constante ao longo da repetição, o padrão se mantém para as duas

sequências. Também é possível observar o aumento da variação do comprimento de

onda e, portanto da amplitude da força de mordida durante a manutenção do

movimento.

0 100 200 3001531,20

1531,40

1531,60

1531,80

1532,00

1532,20

1532,40

CO

MP

RIM

EN

TO

DE

ON

DA

(n

m)

TEMPO (s)

ENSAIO1

ENSAIO2


interoclusal resiliente 1. Tempo de mordida de 30 segundos e tempo de relaxamento de 30

segundos.

83

-50 0 50 100 150 200 250 300 3501531,60

1531,80

1532,00

1532,20

1532,40

1532,60

1532,80

CO

MP

RIM

EN

TO

DE

ON

DA

(n

m)

TEMPO (s)

ENSAIO2

ENSAIO3


interoclusal resiliente 2. Tempo de mordida de 30 segundos e tempo de relaxamento de 30

segundos.

4.2.4. Ensaio de Mordida – Dispositivo Resiliente

A Figura 66 e a Figura 67 mostram os gráficos de barras para os lados esquerdo

e direito da mandíbula, respectivamente. A posição de repouso sem oclusão dentária

(antes da oclusão) é considerada como o ponto inicial e as diferentes forças mostradas

nos gráficos das referidas figuras estão relacionadas a este ponto inicial.

O estágio de oclusão apresenta forças inferiores em relação ao estágio de

mordida para ambos os lados da boca, conforme esperado. No entanto, no estágio de

mordida máxima a força torna-se menor, comportamento que pode ser relacionado à

distribuição da força sobre o dispositivo nesta etapa.

84

OCLUSÃO MORDIDA MORDIDA

MÁXIMA

0

25

50

75

100

125

150

FO

RÇ

A (N

)

SENSOR

ESQUERDO

Figura 66 – Avaliação in vivo: forças para o sensor do primeiro molar superior esquerdo do

voluntário, em diferentes estágios.

OCLUSÃO MORDIDA MORDIDA

MÁXIMA

0

25

50

75

100

125

150

FO

RÇ

A (N

)

SENSOR

DIREITO

Figura 67 - Avaliação in vivo: forças para o sensor do primeiro molar superior direito do

voluntário, em diferentes estágios.

4.2.5. Ensaios de Fadiga

Os gráficos das Figuras 67 e 68 mostram os resultados de experimentos

conduzidos com uma taxa de frequência baixa (amostragem) para determinar o

comportamento padrão da mordida máxima, a fim de verificar se após cada mordida

máxima a curva retorna ao valor inicial. Os resultados obtidos verificam a

replicabilidade do sistema. Os dois experimentos foram realizados com mordidas de

curta duração de duração (15 s); mudando apenas o período de relaxamento: no

85

primeiro ciclo o relaxamento é de 180 s (ciclo I) e o segundo é realizado com um

intervalo menor (60 s - ciclo II).

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0

10

20

30

40

50

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)



segundos.

50 100 150 200 250 300 350-10

0

10

20

30

40

50

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)

Figura 69 - Padrão de força de mordida para o sensor do lado esquerdo do dispositivo interoclusal resiliente. Tempo de mordida de 15 segundos e tempo de relaxamento de 60 segundos.

A Figura 70 apresenta o resultado obtido com um tempo de mordida máximo

maior (de 20 s) que foi utilizado (movimento isométrico) na tentativa de induzir fadiga

mais rapidamente (ciclo III). Portanto, a exaustão foi utilizada para estimulação da

86

fadiga. Nesse gráfico pode-se observar que os três primeiros picos na força de

mordida máxima têm replicabilidade aproximada. No entanto, depois disso (no quarto

pico de mordida) ocorre uma redução mais evidente na força de mordida máxima em

função do tempo que é seguido por um aumento na atividade muscular onde outras

unidades motoras são recrutadas para compensar a fadiga do grupo muscular

principal. A Figura 71 mostra em detalhe os dois últimos picos (quarto e quinto na

Figura 70), e é possível notar que a força de mordida ao longo do tempo não é

constante, mas aumenta de forma constante a partir do início da ação de mordida.

Esta tendência também é parcialmente perceptível na terceira mordida na Figura 70.

Usando um procedimento linear de melhor ajuste para a força de mordida ao longo do

tempo é possível determinar as variações de 0,73 N/s e 1,28 N/s para a quarta e quinta

mordidas, respectivamente. O maior tempo necessário para atingir a força máxima de

mordida pode indicar que o processo de fadiga ocorreu, o que também é suportado

pelo maior valor de força na quinta mordida, resultante dos músculos adicionais

envolvidos.

0 25 50 75 100 125 150

0

10

20

30

40

50

60

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)



segundos.

87

90 96 102 108 114 120 126 132 138

0

10

20

30

40

50

60

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)



segundos.

A evolução da força de mordida ao longo de três fases diferentes (com base no

tempo de relaxamento de 3 s - ciclo IV) é apresentada na Figura 72. É possível notar

que cada fase apresenta um padrão característico para cada mordida. Os primeiros

seis picos de mordida correspondem à primeira fase, identificada pela característica

de replicabilidade; Para induzir a exaustão foi utilizado um tempo de mordida máximo

mais elevado (10 s); pode ser percebido que a força de mordida máxima é constante

ao longo da mordida. O sétimo pico mostra o início do processo de fadiga como

descrito no parágrafo anterior. Os oitavo a décimo segundo picos de mordida são

caracterizados como a segunda fase, onde pode ser observada uma redução na força

de mordida inicial, que é seguida por um aumento da força ao longo do tempo (como

também discutido no final do parágrafo anterior). A força de mordida máxima em cada

pico é maior em comparação com os dos picos na primeira fase. Isto significa que

outras unidades motoras estão a ser recrutadas para compensar a redução da força

de mordida máxima causada pelo esgotamento. Consequentemente, a partir do

décimo terceiro ao décimo oitavo picos (terceira fase), pode ser observado que a força

máxima inicial é reduzida e o valor de força máximo é menor se comparado com a

segunda fase. Este comportamento sugere que, a partir deste momento, as unidades

motoras recrutadas não podem manter a força de mordida máxima devido à presença

de dor muscular. Esse comportamento é identificado como fadiga muscular. A Figura

88

73 mostra a comparação do último pico de mordida da segunda fase e da primeira

das terceiras fases. As linhas pontilhadas mostram o melhor ajuste da força de

mordida ao longo do tempo. A inclinação obtida para a segunda fase tem um valor de

1,37 N/s, enquanto a inclinação na terceira fase apresenta um valor maior, 2,54 N/s.

Outra diferença percebida é que a força de mordida máxima atingida, que é quase

20% menor na terceira fase em comparação com a segunda fase. Isso significa que a

terceira fase pode ser associada a um processo muscular de maior fadiga.

A resposta muscular à exaustão neste tipo de exercício se traduz em um

aumento no número de unidades motoras recrutadas e/ ou sua sincronização para

compensar a capacidade reduzida de gerar força para as principais unidades motoras.

Esta resposta pode ser responsável pelo aumento da amplitude do sinal óptico. Estes

resultados estão de acordo com estudos anteriores que investigaram a fadiga

muscular por eletromiografia (LUTTMANN, JÄGER e LAURIG, 2000; MERLETTI,

RAINOLDI e FARINA, 2001).

0 50 100 150 200 250

0

10

20

30

40

50

60

fase 3fase 2

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)

fase 1

Figura 72 - Fases de indução da fadiga: maior tempo de mordida máxima (fase 1), processo de

exaustão (fase 2) e processo de fadiga (fase 3). Os símbolos são os dados experimentais, as

linhas são apenas guia para os olhos.

89

105 110 115 230 235 240

0

10

20

30

40

50

60

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)

Figura 73 - Detalhamento dos dois picos de mordida para a segunda e terceira fase da indução à fadiga, mostrando o aumento da força de mordida juntamente com o tempo. Os símbolos são os dados experimentais, as linhas são apenas guia para os olhos, a linha tracejada é o melhor ajuste.

4.2.6. Ensaio de Bruxismo

Foram realizadas medidas in vivo com o paciente utilizando o dispositivo

oclusal resiliente contendo duas fibras óticas, com uma FBG localizada no primeiro

molar superior de cada fibra. O paciente dormiu com o dispositivo interoclusal por um

período de uma hora, ficou acordado por dez minutos, retornou ao sono e dormiu por

uma hora e trinta e cinco minutos direto. Neste segundo período de sono o paciente

relatou ter sonhado.

Os dados coletados foram divididos em:

Primeiro ciclo de sono (período de 1h)

o Sensor direito

o Sensor esquerdo

Segundo ciclo de sono (período de 1h 30 min)

o Sensor direito

o Sensor esquerdo

90

No primeiro ciclo de sono, ambos os sensores apresentaram um período com

picos muito próximos (na região dos 1000 s, conforme se observa nas Figura 74 e

Figura 75) e os demais picos mais espaçados.

Os picos da região próxima apresentam intervalo médio de 120 s tanto para o

lado direito quanto para o lado esquerdo, e os demais picos apresentam intervalo

médio de 478 s para o lado direito e 477 s para o lado esquerdo. Os picos

apresentados pelo sensor direito possuem localizações muito semelhantes aos

valores encontrados para os picos mostrados pelo sensor esquerdo, com diferença

máxima de 1 s em seus valores.

No segundo ciclo de sono, os gráficos apresentados nas Figura 76 e Figura 77

apresentam algumas diferenças nos primeiros 1000 s (o sensor esquerdo apresenta

uma curva inexistente no lado direito e o lado esquerdo apresenta um pico de força

nos segundos iniciais inexistente no sensor direito).

Excetuando-se os primeiros 1000 s os picos apresentam comportamento

semelhante ao observado no primeiro ciclo, com todos os picos do sensor esquerdo

aparecendo no sensor direito, e intervalo médio de 618 s para o lado direito e 619 s

para o lado esquerdo.

Nos primeiros 1000 s do segundo ciclo, ocorre a presença de um pico extra aos

3 s do lado esquerdo. Se considerarmos este pico no intervalo médio, o valor para o

sensor esquerdo é de 665 s médio de intervalo entre um pico e outro.

Ainda que a força medida seja diferente para ambos os lados, a força do lado

esquerdo é maior para ambos os períodos de sono, o que está de acordo com os

dados obtidos pelos ensaios de mordida, e os picos identificados em um sensor

aparecem também no outro sensor, indicando que a FBG consegue detectar bem os

movimentos realizados pelo paciente.

No que se refere à intensidade, um evento de bruxismo moderado chega a 60%

da força máxima de apertamento e apenas 1% excede a força máxima de apertamento

voluntário.

91

0 1000 2000 3000 4000

0

10

20

30

40

50

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)

SENSOR

DIREITO

Figura 74 – Padrão de força em função do tempo para o primeiro ciclo de sono. Dispositivo

resiliente com o sensor localizado do lado direito.

0 1000 2000 3000 4000

0

10

20

30

40

50

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)

SENSOR

ESQUERDO

Figura 75 - Padrão de força em função do tempo para o primeiro ciclo de sono. Dispositivo


92

0 1000 2000 3000 4000 50000

10

20

30

40

50

60

70

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)

SENSOR

DIREITO

Figura 76 - Padrão de força em função do tempo para o segundo ciclo de sono. Dispositivo

resiliente com o sensor localizado do lado direito.

0 1000 2000 3000 4000 5000

0

10

20

30

40

50

60

70

FO

RÇ

A (N

)

TEMPO (s)

SENSOR

ESQUERDO

Figura 77 - Padrão de força em função do tempo para o segundo ciclo de sono. Dispositivo


Os resultados obtidos em todas as etapas deste trabalho mostram o potencial

de sensores à fibra ótica baseados em redes de Bragg para a utilização em aplicações

de tratamento dos sintomas de bruxismo do sono, sendo uma potente ferramenta para

instrumentação de dispositivos interoclusais, utilizados para tratamento dos sintomas

de bruxismo.

93

5. CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS

5.1 CONCLUSÕES

Experimentos in vitro foram realizados com o objetivo de determinar a

sensibilidade do sensor. Após a confecção do modelo de gesso das arcadas dentárias

do paciente voluntário e marcação dos pontos de contato, foi realizada a aplicação de

cargas na montagem experimental com os dispositivos interoclusais do tipo rígido e

resiliente inseridos no modelo de gesso do paciente.

Inicialmente, aplicou-se a força diretamente sobre o primeiro molar superior

esquerdo do modelo, com o objetivo de se obter a máxima sensibilidade do sensor,

uma vez que a máxima sensibilidade é obtida com a aplicação de força perpendicular

na menor área de contato possível. A escolha do primeiro molar esquerdo ocorreu a

partir da análise dos pontos de contato, em que foi possível perceber que a superfície

de contato entre os dentes era menor que a área do primeiro molar superior direito.

Os dados obtidos indicam a linearidade necessária para correlacionar a variação do

comprimento de onda central da rede de Bragg com a força aplicada.

Para simular o caso real, o experimento in vitro foi repetido, porém a carga foi

aplicada de maneira centralizada. Os resultados obtidos para este teste foram os

valores de coeficientes de sensibilidade utilizados nos resultados para os testes in

vivo.

O sensor FBG possui sensibilidade cruzada (à deformação e à temperatura

simultaneamente), fazendo-se necessária uma análise da estabilidade térmica a fim

de garantir que a variação do comprimento de onda da rede seja dada pela força

aplicada pelo paciente.

A curva de estabilidade térmica foi obtida para os sensores embutidos nos

dispositivos interoclusais rígido e resiliente. Para o dispositivo resiliente, o gráfico

obtido indica rápida estabilização térmica, com pequenas oscilações de valores

desprezíveis considerando o movimento padrão de mordida. Porém, para o dispositivo

interoclusal rígido há espera maior para a estabilização que, inclusive, não ocorre

completamente, pois é possível observar inclinação ascendente ao longo do gráfico;

e a análise do gráfico obtido em comparação com os valores teóricos para variação

do comprimento de onda em função da temperatura indica a presença de variação por

deformação, e não somente da temperatura, o que pode modificar resultados na

avaliação das forças com o dispositivo interoclusal rígido.

94

Para obtenção de mais um dado comparativo entre os dispositivos interoclusais

rígido e resiliente, estes foram utilizados para estudo de diferentes movimentos

mandibulares realizados pelo paciente. Os resultados apresentados indicaram

padrões de força de mordida para os diferentes movimentos realizados, e apesar de

os sensores presentes em ambos os dispositivos apontarem os movimentos

realizados, os resultados para o dispositivo interoclusal rígido foram prejudicados pela

deformação que ocorre quando o paciente insere o dispositivo interoclusal na boca. É

possível perceber que a curva dos resultados acompanha a curva de estabilização, o

que não ocorre com o dispositivo resiliente.

As forças de mordida máxima para os dispositivos rígido e resiliente também

foram estudadas, e os resultados mostraram que através do uso do dispositivo

interoclusal resiliente é possível detectar padrões de exaustão e fadiga no paciente,

enquanto que para o dispositivo rígida esta análise é prejudicada pela presença de

deformação pelo posicionamento do dispositivo na boca do paciente. Com isto,

conclui-se que para uma primeira análise de exaustão e fadiga, o dispositivo

interoclusal resiliente é o mais indicado para utilização nas análises por não sofrer

influência de forças externas à força do paciente.

Uma vez determinado que o dispositivo resiliente apresentaria resultados mais

fieis, realizou-se o ensaio de repetição para dispositivos com este material, a fim de

verificar a repetitividade e replicabilidade do sistema, isto é, analisar a variação

ocorrida pelo sistema de medição causada pelo uso de, respectivamente, diferentes

dispositivos do mesmo material, e de repetições ao utilizar um mesmo dispositivo. Os

resultados foram satisfatórios para o objetivo proposto.

Após a verificação de repetitividade e replicabilidade dos dispositivos

resilientes, foram realizados estudos para avaliar a força de mordida do paciente para

ambos os lados e validar a hipótese de que a força apresentada pelo sensor para o

lado esquerdo é maior devido a existência de menos pontos de contato. Foram

estudados os movimentos de oclusão, mordida e mordida máxima; e os sensores para

ambos os lados (direito e esquerdo) apresentaram força menor para a mordida

máxima, sendo possível concluir que na mordida máxima há o aumento da quantidade

de pontos de contato e distribuição da força aplicada entre mais dentes. Isto ocorre

devido ao fato de que o sensor é pontual e mede apenas a força aplicada no ponto

em que está inserido.

95

Os estudos de exaustão e fadiga no paciente foram realizados a fim de

determinar os padrões de mordida apresentados pelo sensor nestes casos. Com os

dados obtidos foi possível determinar três fases de indução à fadiga e seus padrões

de mordida, a saber, mordida máxima, exaustão e fadiga.

Com os padrões de força de mordida para diversos testes (diversos

movimentos, exaustão e fadiga), objetivou-se estudar o fenômeno do bruxismo para

identificar os padrões de força aplicados pelo paciente durante o sono e para avaliar

a qualidade do sensor para realizar este tipo de medição. Utilizou-se para este ensaio

um dispositivo interoclusal resiliente com sensores FBG no lado direito e no lado

esquerdo do paciente.

Os dados obtidos, tanto para o lado esquerdo quanto para o lado direito,

indicaram os mesmos instantes de aplicação de força; além disto, os valores para

força foram maiores do lado esquerdo, concordando com os ensaios de mordida. Os

resultados indicam que o sensor FBG é uma potente ferramenta para identificar a

presença e frequência de movimentos realizados por pacientes com bruxismo.

Conforme citado na literatura, 60 a 80% dos episódios de bruxismo ocorrem

durante o estágio 2 do sono leve ou durante as trocas de estágio (LAVIGNE, KATO,

et al., 2003; MADDALENA DIAS, RAMALHO DE MELLO, et al., 2014). Cada estágio

do sono leve dura entre 60 e 90 minutos, por este motivo, os ensaios foram divididos

de maneira a cumprir estes períodos. Os resultados indicaram uma diminuição da

atividade de bruxismo conforme o tempo de sono, concordando com a literatura, que

diz que os episódios de bruxismo são menos frequentes nos demais ciclos de sono, e

sendo possível concluir que durante uma noite completa de sono esses estágios se

repitam e, ao longo do sono, o paciente apresente oscilações na frequência de

episódios de bruxismo.

Entretanto, não foi possível realizar uma avaliação do bruxismo pela

identificação dos padrões de movimento, pois o intervalo de aplicação de força

durante o sono é muito pequeno e, portanto, necessitam de uma análise de um

especialista odontológico para avaliação de seu significado.

Os resultados obtidos em ambos os lados do paciente indicam que o método

proposto é uma ferramenta eficiente para a análise e caracterização de dispositivos

interoclusais.

96

5.2 TRABALHOS FUTUROS

Sugere-se como trabalhos futuros a análise de repetitividade, reprodutividade e

replicabilidade para mais de um paciente. Será necessário avaliar diferentes

espessuras para os dispositivos resiliente e rígido.

Para a utilização do dispositivo interoclusal rígido em ensaios de fadiga e

bruxismo será necessário um estudo aprofundado do gráfico de deformação para

identificação de possíveis deformações plásticas para eliminar as interferências na

medição devido a deformações.

Essas avaliações podem proporcionar o desenvolvimento de dispositivos

interoclusais otimizados, utilizando diferentes materiais e/ ou dimensões. Estes

trabalhos poderão otimizar o tratamento dos sintomas do paciente, prevendo melhor

distribuição das forças de mordida ao longo do dispositivo.

97

5.3 PUBLICAÇÕES E SUBMISSÕES

5.3.1. Artigos publicados em conferência

NASCIMENTO, PAULA F. et al. Characterization of the occlusal splints

using optical fiber sensors. In: 2017 SBMO/IEEE MTTS International Microwave and

Optoelectronics Conference (IMOC), 2017, Águas de Lindóia. 2017 SBMO/IEEE MTT-

S International Microwave and Optoelectronics Conference (IMOC), 2017. p. 1.

5.3.2. Artigos submetidos

A.P.G.O. Franco, R. Fiorin, P.F. Nascimento, M.A. Souza, H.J. Kalinowski, I.

Abe. Study of muscle fatigue in parafunctional patient using occlusal splint fibre Bragg

grating sensor. Submetido para Journal of Biomechanics.

98

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