Sensor LC para la medida de pequeñas deformacionesaplicación en mallas abdominales /

Abstract

RESUMEN 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.