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Desarrollo de un sensor de presión inalámbrico implantable para el monitoreo continuo de la presión ventricular
Natiely Hernández Sebastián
Wilfrido Calleja Arriaga
FRANCISCO JAVIER RENERO CARRILLO
DANIELA DIAZ ALONSO
Acceso Abierto
Atribución-NoComercial-SinDerivadas
BioMEMS
Wireless systems
Pressure sensors
Microelectromechanical,
Implantable medical devices
This doctoral thesis project reports the novel development of a touch mode capacitive pressure sensor (TMCPS) systems with a wireless operating for continuous monitoring of ventricular pressure. The system consists of two modules: an implantable set and an external reading device. The implantable module, restricted to an 18 mm ×18 mm area, consist of an array of two TMCPS sensors electrically connected in parallel to a dual-layer coil (with 3D approach), for making a high efficiency resonant circuit for communication with the external device. The capacitive sensor works as a double layer diaphragm and is modeled considering the mechanical regimen “small deflection”, with this condition it is possible to cover a wide dynamic range of ventricular blood pressure, from 5 to 300 mmHg. In this design, the two coupling modules (passive RCL networks) are tuned to a frequency of 13.56 MHz, keeping restricted physical design for the implantable module and considering an effective coupling across biological tissue. The complete system was validated with the CoventorWare, Comsol Multiphysics and ANSYS HFSS softwares; setting an operating pressure range from 0 to 300 mmHg. The design shows a maximum power efficiency (PTE) of 94% under the lowest capacitance regimen (0 mmHg) and a specific absorption rate (SAR) of less than 1.6 W/Kg; therefore, this proposal complies with the full range of diastolic and systolic pressure development by the left ventricle (VI) and satisfies the guidelines if the IEEE C95.1 standard, which ensures viability so that this inductive power transfer system can be safely implanted in the biological environment without causing damage to the tissue by radiation or heating. In addition, considering the high PTE obtained, mainly due to the optimized design in inductance (L) and quality factor (Q), this new sensor scheme stands can be highlighted and could be adapted in other medical applications. As for the manufacturing process, the complete system is developed based on two alternatives: the firs, is based on a manufacturing approach with discrete devices on printed circuit boards, for the manufacturing of the external module; while the second alternative for the implantable module is developed based on PolyMEMS INAOE® technology with a monolithic fabrication approach combining thin films of aluminum and polyimide.
El presente proyecto de tesis doctoral presenta el desarrollo novedoso de un sistema sensor de presión capacitivo en modo contacto (TMCPS) con funcionamiento inalámbrico para el monitoreo continuo de la presión ventricular. El sistema está formado por dos módulos: un conjunto implantable y una unidad de lectura externa. El módulo implantable, restringido a un área de 18mm ×18 mm, consiste de un arreglo de dos sensores TMCPS conectados eléctricamente en paralelo a una bobina de doble nivel (con enfoque 3D) para formar un circuito resonante de alta eficiencia para la comunicación con la unidad de lectura externa. El sensor capacitivo funciona como un diafragma de doble capa y es modelado considerando el régimen mecánico “small deflection”, con esta condición se logra cubrir un amplio rango dinámico de la presión sanguínea ventricular, de 5 a 300 mmHg. En este diseño, los dos módulos de acoplamiento (redes RCL pasivas) se sintonizan a una frecuencia de 13.56 MHz, manteniendo el diseño físico restringido para el módulo implantable y considerando un acoplamiento efectivo a través de tejido biológico. El sistema completo, fue validado con los simuladores CoventorWare, Comsol Multiphysics y ANSYS HFSS; fijando un rango de presión de operación de 0 a 300 mmHg. El diseño muestra una eficiencia de transmisión de potencia (PTE) máxima del 94% bajo el régimen de capacitancia más bajo (0 mmHg) y una tasa de absorción especifica (SAR) menor a 1.6 W/Kg; por lo cual, esta propuesta, cumple con el rango completo de presión diastólica y sistólica desarrollados por el ventrículo izquierdo (VI) y satisface las pautas de seguridad de la norma IEEE C95.1, lo que asegura viabilidad para que este sistema de transferencia de potencia inductiva (IPT) puede implantarse de manera segura en el medio biológico sin provocar daños al tejido por radiación o calentamiento. Además, considerando la alta PTE obtenida, principalmente por el diseño optimizado en inductancia (L) y factor de calidad (Q), este nuevo esquema de sensor se destaca y podría adaptarse en otras aplicaciones médicas. En cuanto al proceso de fabricación, el sistema completo se desarrolla en base a dos alternativas: La primera, se basa en un enfoque de fabricación con dispositivos discretos sobre placas de circuito impreso, para la manufactura del módulo externo; mientras que la segunda alternativa para el módulo implantable, se desarrolla tomando como base la tecnología PolyMEMS INAOE®
Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica
2020-01
Tesis de doctorado
Español
Estudiantes
Investigadores
Público en general
Hernández Sebastián, N., (2020), Desarrollo de un sensor de presión inalámbrico implantable para el monitoreo continuo de la presión ventricular, Tesis de Doctorado, Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica.
ELECTRÓNICA
Versión aceptada
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