Sensor LC para la medida de pequeñas deformaciones: aplicación en mallas abdominales

Abstract

Los sensores basados en circuitos pasivos resonantes tipo LC han sido ampliamente estudiados principalmente para su uso en entornos hostiles como: temperaturas elevadas, medios corrosivos o aplicaciones biomédicas (especialmente las de uso implantable). La baja complejidad, adaptabilidad, el bajo coste y el hecho de que no precisen baterías ni conectarse a una red de alimentación ni un circuito especializado para trasmisión de energía e información, son algunas de las características más llamativas de estos sensores pasivos. Mientras que los dispositivos de recolección de energía, batería o de alimentación a través de cables pueden ser la opción correcta para ciertas aplicaciones, en el área biomédica, los sensores de alimentación inalámbrica ofrecen grandes ventajas. La electrónica inalámbrica no solo proporciona movilidad al paciente sino que evita graves riesgos para la salud e infecciones a través de la piel, especialmente si se trata de sensores implantables. El bajo o nulo consumo de energía, la flexibilidad, el tamaño pequeño y el bajo costo son pues los parámetros más importantes a considerar al diseñar sensores para aplicaciones biomédicas. La posibilidad que ofrecen los circuitos pasivos de operar en todo el rango de RF hacen de estos sensores los candidatos ideales para desempeñar un papel crucial en el cuidado de la salud, dentro de conceptos de vanguardia como el internet de las cosas o IoT (por sus siglas en inglés internet of things). Por medio de un link inalámbrico, empleando una bobina de transmisión/lectura acoplada inductivamente, este tipo de sensores son alimentados y leídos. En esta Tesis se aborda todo el proceso de desarrollo de un sensor inalámbrico pasivo de "potencia cero", basado en un circuito resonante tipo LC, para medir microdesplazamientos, con rango y resolución personalizables (hasta 5 micras). El sensor está conformado por un condensador de placas paralelas interdigitadas y una bobina de núcleo de aire. Como sustrato fue elegido un material polimérico biocompatible. El principio de funcionamiento del sensor se basa en el cambio de la frecuencia de resonancia del dispositivo como consecuencia de la variación del área compartida entre placas. Una de las placas es deslizable y responde a la variable física de medida, en este caso una deformación longitudinal. El corrimiento del pico de resonancia ha sido estudiado con el fin de establecer las correlaciones entre la variable física a medir y la respuesta eléctrica del sensor a dicho estímulo. Varios sensores con diferentes parámetros geométricos fueron diseñados, simulados, fabricados y caracterizados. En primer lugar se ha realizado la caracterización del condensador, siguiendo con la caracterización en frecuencia de los componentes, bobinas y condensadores, y de los Tags LC conformados, validando el principio de funcionamiento, para finalmente caracterizar el sensor en una aplicación en mallas quirúrgicas, utilizadas en la corrección de defectos herniarios en la pared abdominal. En la caracterización del sensor se incluyeron diferentes pruebas ex-vivo e in-vivo para determinar la respuesta mecánica, la biocompatibilidad y los efectos de los tejidos dispersivos como piel, grasa y tejidos musculares, en el energizado y comunicación de información entre el sensor implantado y el dispositivo lector en el exterior. Los resultados de las pruebas muestran la escalabilidad del sensor y la posibilidad de aplicarlo en un entorno biomédico, así como se ha demostrado que es una técnica genérica válida para el monitoreo en tiempo real de microdesplazamientos en estas y otras aplicaciones. El trabajo multidisciplinar desarrollado en esta tesis ha llevado a la fabricación de un demostrador constituido por un sistema sensor para la medida inalámbrica de la deformación uniaxial de mallas quirúrgicas. Con las pruebas mecánicas se ha demostrado la validez del principio de medida aplicado y la adaptabilidad a otros tipos de aplicaciones por la escalabilidad del mismo. La prueba ha demostrado también la validez de las decisiones tomadas en cuanto a los materiales utilizados para su construcción así como las relativas al formato del packaging utilizado. Un par de muestras de este primer prototipo han sido implantadas en un modelo animal, en el que se ha verificando la biocompatibilidad de los materiales utilizados y la posibilidad de energizado de los sensores, así como la detección inalámbrica del pico de resonancia.

Sensors based on LC type resonant passive circuits have been extensively studied mainly for use in hostile environments such as: high temperature, corrosive media or biomedical applications (especially for implant use). The low complexity, adaptability, cost-effectiveness, and the fact that they do not need batteries, neither connect to a power source nor to a specialized circuitry for transmitting energy and information are some of the most striking features of these passive sensors. While energy-harvesting, battery or wire-powered devices can be the right choice for certain applications, in the biomedical field, the wireless powered sensors offer great advantages. Wireless electronics provides mobility to the patient and avoids infections through the skin and more serious health issues especially if it's about implantable sensors. Low or zero power consumption, flexibility, small size and low cost are therefore the most important parameters to consider when designing sensors for biomedical applications. The ability of passive circuits to operate throughout the RF bands makes these sensors the ideal candidates to play a crucial role in health care and cutting-edge concepts such as IoT (Internet of Things). By means of a wireless link, using an inductively coupled transmitter/readout coil, these sensors are powered and provide data. This thesis addresses the entire process of developing a passive "zero-power" wireless sensor based on an LC-type resonant circuit to measure micro-displacements with customizable range and resolution (up to 5 microns). The sensor is made out of an interdigitated parallel plate capacitor and an air core coil. A biocompatible polymer material is chosen as the substrate. The operating principle of the sensor is based on the change in resonant frequency of the device as a consequence of the area variation shared between the plates. One of the plates is movable and responds to the physical variable of measurement, in this case a longitudinal deformation. The shift of the resonance peak has been studied in order to establish correlations between the physical variable to be measured and the electrical response of the sensor to that stimulus. Several sensors with different geometric parameters are designed, simulated, manufactured and characterized. First, the characterization of the capacitor is carried out followed by the frequency characterization of the components, coils, capacitors and the LC Tags validating the operating principle to finally characterize the sensor in surgical meshes’ application, those that are used in the correction of herniated defects in the abdominal wall. During the characterization of the sensor, different ex-vivo and in-vivo tests are included to determine the mechanical response, biocompatibility and the effects of dispersive tissues such as skin, fat and muscle tissues in the powered communication between the implanted sensor and the reader device from the outside. The tests’ results show the scalability of the sensor and the possibility of applying it to a biomedical environment, as well as demonstrate a valid generic technique for the real time monitoring of micro-displacements in these and other applications. The multidisciplinary work developed in this thesis has led to the manufacturing of a demonstrator constituted by a sensor system for the wireless measurement of the uniaxial deformation of surgical meshes. The validity of the principle of measurement applied, and the adaptability to other types of applications due to its scalability it is demonstrated using mechanical tests. The tests also demonstrate the validity of the decisions made regarding the materials used for their implementation as well as those related to the used packaging. A couple of samples of the first prototype have been implanted in an animal model in which the biocompatibility of the used materials, and the possibility to power the sensors as well as the wireless detection of the resonance peak have been verified.