Novel wireless RF-biomems implant sensors of metamaterials

Günümüzde kemik kırıklarının iyileşmesi takip edilemediğinden dolayı büyük kemik kırığı olan yaklaşık on hastadan biri düzgün bir şekilde iyileşmemektedir. Standart radyografi kemiğin iyileşmesinin normal mi anormal mi geliştiğini ayıramamaktadır. Bu problemi çözmek için, implant donanımın üzerindeki mekanik gerinimi vücut dışından kablosuz olarak gerçek zamanlı ölçmeye imkân veren vücut içerisine yerleştirebilecek yenilikçi sensör teknolojisini önerdik ve geliştirdik. Bu, cerrahi tedaviden sonra doktorların güçlü bir kapasiteyle kırığın iyileşmesini değerlendirmesini sağlayacak güçlü bir yeti sunar. Burada kırıkların iyileşmesini takip etmek için gerinimi kablosuz olarak algılayan biyo-uyumlu radyo frekansı (RF) mikro-elektro-mekanik sistem (MEMS) gerinim sensörlerini laboratuar ve ölü hayvan modeli ortamında gösteriyoruz. Bu sensörlerin çalışma frekansı mekanik yükleme altında kayar; bu kayma implant olabilecek test malzemesinin yüzey gerinimi ile bağlantılıdır. Bu tezde, algılamadaki kendine has yapısal avantajlarından faydalanan kablosuz yeni bir sınıf metamalzeme-tabanlı biyo-implant sensörleri ilk kez geliştirdik ve kullandık; bu metamalzeme kullanımıyla ilgili yeni yönler açtı. Bu özel tasarım metamalzemeler, geleneksel RF yapılarına (spiral bobinler) göre daha iyi kablosuz algılama sergilerler. Küçük boyutlarına rağmen, bu meta-sensörler yeterince düşük çalışma frekansı göstererek yumuşak dokunun aksi taktirde güçlü soğurmasından sakınır ve yine de spiral yapılara göre yarıklarında çok yüksek elektrik alan yoğunluğu olduğu için daha yüksek kalite faktörü gösterir. Ayrıca yüksek düzeyde doğrusallık gösteren ve ayrıca düz olmayan yüzeylere elverişli biçimde kullanılabilen esnek tabanlı metamalzeme sensörlerini tasarlayıp ürettik. Kalın yumuşak doku üzerinden gerinimi kablosuz ölçmek için metamalzemeleri birleştirme fikrine dayanan bir buluşla çok çatallı halka rezonatörlerini kompakt bir yapıda toplayan özgün içiçe metamalzeme yapısını önerdik ve gerçekleştirdik. Bu içiçe metamalzeme mimarinin kablosuz gerinimi algılamada klasik metamalzemelerden daha iyi çalıştığını deneysel olarak kanıtladık. Büyük bir bilimsel ilerleme olarak, içiçe metamalzeme tasarımlarımızı kullanarak sensörün elektriksel boyunu ?o/400'e kadar düşürmeyi başardık ve sadece cm-altı implant olabilecek (tipik ortopedik travma implantları ve enstrumanları ile uyumlu) çip boyutuyla 20 cm kalınlığa kadar yumuşak doku içinden kablosuz ölçümü başardık. Sonuç olarak, içiçe metamalzemelerle sensörlerimizi koyunun metatarsal ve femurunda paslanmaz çelik sabitleme plakası ile bütünleşmiş biçimde kullanarak ve koyunun omuriliğinde de hayvan modeline doğrudan tutturarak kablosuz gerinim algılamasını başarılı biçimde gösterdik. Bu kablosuz algılamada derinliği, biyomekanik ve tıp doktoru olan ortaklarımızla birlikte devam eden canlı hayvan modelleri deneylerince de desteklendiği üzere, vücuttaki kemik (omuririlik dahil) kırık ve travma uygulamalarında geniş bir portföy için yeterli olmuştur. Burada, bu doktora tezi RF-biyoMEMS implant sensörlerin farklı nesillerini tümüyle aygıt kavramından, tasarım, modelleme, üretim, aygıt karakterizasyonu, sistem testi ve analizine kadar her aşamayı dökümente etmektedir. Bu tez akıllı ortopedik travma implantları için kaldırım taşları döşemekte, gelecekte sağlık için muhtemel yeni buluşlara olanak sağlamaktadır.