Matriz de sensores em filme fino para medição da pressão no trato gastrointestinal

Tese de Doutoramento em Engenharia BiomédicaAtualmente, as doenças do trato gastrointestinal (GI) afetam de forma significativa milhões de indivíduos a nível mundial, o que se traduz em encargos significativos para os sistemas de saúde, resultando num forte impacto económico e numa diminuição da qualidade de vida desses indivíduos. O conhecimento da motilidade do trato GI, como os movimentos peristálticos e a atuação dos diversos esfíncteres, através da medição da pressão no seu interior fornece informação necessária para a indicação de distúrbios, especialmente na zona do esófago. A manometria de elevada resolução (HRM do inglês high resolution manometry) é a técnica de eleição para o diagnóstico das funções motoras do esófago, no entanto, é um exame que requer equipamentos de elevado custo. Torna-se assim necessário desenvolver ferramentas de baixo custo capazes de indicar de forma precisa a ocorrência desses distúrbios. O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de uma nova abordagem para medir padrões de pressão associados com os movimentos peristálticos e de motilidade do esófago, fabricada por técnicas de microfabricação económicas. A abordagem proposta consiste no desenvolvimento de uma matriz de sensores resistivos miniaturizados, baseados em strain gauges de filme fino de alumínio (Al) depositadas sobre uma membrana flexível de Kapton, que por sua vez está suportada num diafragma em SU-8. Esta configuração permite que os sensores explorem a variação da resistência das strain gauges provocada pela deformação mecânica da membrana de Kapton quando sujeita a pressão, correlacionando esta variação diretamente com a pressão aplicada. Com o objetivo de se obter elevada sensibilidade à pressão, projetou-se, através de simulação, utilizando o software ANSYS, a melhor geometria e a melhor localização das strain gauges nas zonas de maior deformação da membrana de Kapton. Os sensores resistivos foram, seguidamente, fabricados e otimizados a partir de técnicas bem estabelecidas de fotolitografia UV (ultravioleta) e de corrosão química, permitindo fabricar vários sensores num único processo. Cada sensor apresenta uma área de 3,4 mm2 o que permite um elevado nível de integração de vários sensores ao longo do cateter (quatro sensores em 1,7 cm). As strain gauges que formam um sensor (quatro strain gauges), foram ligadas numa configuração em ponte de Wheatstone totalmente ativa. Para além disso, a eletrónica de leitura do sensor foi integrada numa placa de circuito impresso (PCB do inglês printed circuit board) flexível de Kapton, na qual foram colocados os sensores, tendo em conta a sua localização no cateter. Por fim, esta fita foi enrolada, com sucesso, numa estrutura tipo cateter. A aquisição sequencial dos diferentes sinais dos sensores foi implementada recorrendo a um microcontrolador com um conversor analógico-digital (ADC do inglês analog-to-digital converter) de 10 bits, a uma taxa de amostragem de 250 Hz por sensor. A resposta dos sensores à pressão mostrou uma sensibilidade de 6,4 mV/mmHg (R2 = 0,9945), com uma resposta bastante linear (R2 = 0,9945) e um desvio de 7,3 mmHg para uma diferença de temperatura de 2ºC, valores estes apropriados para exames de manometria. Além do desenvolvimento do cateter e da respetiva eletrónica, desenvolveu-se uma interface com o objetivo de tornar o sistema mais intuitivo e de simples visualização fornecendo análise semi-automatizada e alertas, ao mesmo tempo que possibilita uma redução dos passos manuais para estudar os resultados manométricos. A informação obtida através dos sensores de pressão desenvolvidos, possibilita o estudo das funções motoras do esófago de uma forma mais detalhada, utilizando uma abordagem de baixo custo.Este trabalho foi também financiado pelo FEDER através do “Eixo I do Programa Operacional Fatores de Competitividade” (POFC) QREN, referência do projeto COMPETE: FCOMP-01-0124-FEDER-020241 e pela FCT, referência do projeto PTDC/EBBEBI/120334/2010 e UID/EEA/04436/2013.Nowadays, the gastrointestinal (GI) diseases affect significantly millions of people in worldwide, which represent a significantly burden to the health system, resulting in a strong economic impact and in a decrease of the person’s life quality. The GI tract motility assessment, such as peristaltic movements and the several sphincter actuation, measured by pressure patterns, provide useful information for several disorders advice, especially in the esophagus. High resolution manometry (HRM) is the gold standard exam for the esophageal motor disorders diagnosis, however, it requires expensive equipment. Therefore, it is necessary to develop low-cost tools for pointing out these disorders in an accurately way. The present work shows the development of a new approach for measuring the esophagus pressure patterns, fabricated by low-cost microfabrication techniques. The proposed approach consists in the development of a miniaturized resistive sensors array, based on aluminum thin-film strain gauges deposited on a flexible Kapton membrane that is supported by a SU-8 diaphragm. This configuration allows exploring the strain gauge resistance change, through the Kapton membrane mechanical deformation, when it is applied a pressure on the sensor and, thus, correlating this change with the applied pressure. The high-sensitivity pressure was obtained through membrane deformation simulations, using ANSYS software, for finding the best geometry and location of the strain gauges in the higher deformation places of the Kapton membrane. The resistive sensors were then fabricated and optimized using a well-established UV photolithography and wet etching techniques, which allows fabricate several sensors in a single process. Each sensor has an area of 3,4 mm2 allowing a high-level integration of several sensors along the catheter (four sensors in 1,7 cm). The strain gauges that form the sensor (four strain gauges per each sensor) were connected in a full active Wheatstone bridge configuration. In addition, the sensor readout electronics was integrated into a flexible Kapton PCB (Printed Circuit Board), that also supports the sensors, placed taking into account their location in the catheter. Finally, this system was successfully assembled in a catheter like structure. The sequential acquisition for the different sensors signals was implemented using a microcontroller with a 10-bits ADC (analog-to-digital converter), at a sampling rate of 250 Hz per sensor. The sensors response to the pressure shows a sensitivity of 6,4 mV/mmHg (R2 = 0,9945) with an almost linear response (R2 = 0,9945) and a 7,3 mmHg deviation for a 2ºC temperature variation, which is appropriate for manometry exams. In addition to the catheter development and its electronics, it was also developed an user-friendly interface, aiming a more intuitive system and visualization by providing semi-automated analysis and alerts, allowing at the same time a decrease in the manual steps required to study the manometric results. The information obtained through the developed pressure sensors enables the study of the esophageal motor functions in a more detailed way, using a low-cost approach