Geri Dön

Novel wireless RF-biomems implant sensors of metamaterials

Metamalzeme özgün kablosuz RF-biyomems implant sensörler

PDF İndir

  1. Tez No: 275085
  2. Yazar: ROHAT MELİK
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2010
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
  10. Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

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.

Özet (Çeviri)

Today approximately one out of ten patients with a major bone fracture does not heal properly because of the inability to monitor fracture healing. Standard radiography is not capable of discriminating whether bone healing is occurring normally or aberrantly. To solve this problem, we proposed and developed a new enabling technology of implantable wireless sensors that monitor mechanical strain on implanted hardware telemetrically in real time outside the body. This is intended to provide clinicians with a powerful capability to asses fracture healing following the surgical treatment. Here we present the proof-of-concept in vitro and ex vivo demonstrations of bio-compatible radio-frequency (RF) micro-electro-mechanical system (MEMS) strain sensors for wireless strain sensing to monitor healing process. The operating frequency of these sensors shifts under mechanical loading; this shift is related to the surface strain of the implantable test material. In this thesis, for the first time, we developed and demonstrated a new class of bio-implant metamaterial-based wireless strain sensors that make use of their unique structural advantages in sensing, opening up important directions for the applications of metamaterials. These custom-design metamaterials exhibit better performance in remote sensing than traditional RF structures (e.g., spiral coils). Despite their small size, these meta-sensors feature a low enough operating frequency to avoid otherwise strong background absorption of soft tissue and yet yield higher Q-factors (because of their splits with high electric field density) compared to the spiral structures. We also designed and fabricated flexible metamaterial sensors to exhibit a high level of linearity, which can also conveniently be used on non-flat surfaces. Innovating on the idea of integrating metamaterials, we proposed and implemented a novel architecture of `nested metamaterials? that incorporate multiple split ring resonators integrated into a compact nested structure to measure strain telemetrically over a thick body of soft tissue. We experimentally verified that this nested metamaterial architecture outperforms classical metamaterial structures in telemetric strain sensing. As a scientific breakthrough, by employing our nested metamaterial design, we succeeded in reducing the electrical length of the sensor chip down to ?o/400 and achieved telemetric operation across thick soft tissue with a tissue thickness up to 20 cm, while using only sub-cm implantable chip size (compatible with typical orthopaedic trauma implants and instruments). As a result, with nested metamaterials, we successfully demonstrated wireless strain sensing on sheep?s fractured metatarsal and femur using our sensors integrated on stainless steel fixation plates and on sheep?s spine using directly attached sensors in animal models. This depth of wireless sensing has proved to suffice for a vast portfolio of bone fracture (including spine) and trauma care applications in body, as also supported by ongoing in vivo experiments in live animal models in collaboration with biomechanical and medical doctors. Herein, for all generations of our RF-bioMEMS implant sensors, this dissertation presents a thorough documentation of the device conception, design, modeling, fabrication, device characterization, and system testing and analyses. This thesis work paves the way for ?smart? orthopaedic trauma implants, and enables further possible innovations for future healthcare.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    974335

    Novel applications in ris identification and user localization for next-generation wireless systems

    Gelecek nesil kablosuz sistemler için rıs tanımlama ve kullanıcı konumlandırmaya yönelik özgün uygulamalar

    RECEP VURAL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ERTUĞRUL BAŞAR

  2. Tez No

    898308

    Wireless RF sensing in ionic aqueous environment: Modeling, design and validation

    İyonik sulu ortamda kablosuz RF algılama: Modelleme, tasarım ve doğrulama

    SOBHAN GHOLAMI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR

  3. Tez No

    455455

    Modeling of RF energy harvesting and energy consumption system for low power wireless sensor networks

    Düşük güç kablosuz algılayıcı ağları için RF enerji hasat ve enerji tüketimi sisteminin modellenmesi

    OSAMA AMJAD

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiÖzyeğin Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ALİ ÖZER ERCAN

  4. Tez No

    769486

    New RF energy harvesting models for next-generation wireless communication systems

    Yeni nesil telsiz iletişim sistemleri için yeni RF enerji hasatlama modelleri

    MOHAMMADREZA BABAEI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LÜTFİYE DURAK ATA

  5. Tez No

    455454

    Optimization and analysis of WLAN RF energy harvesting system architecture for low power wireless applications

    Düşük güç kablosuz uygulamalar için WLAN RF enerji tasarruf sistemi mimarisinin optimizasyonu ve analizi

    SYEDA WAJIHA MUNIR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiÖzyeğin Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    Assist. Prof. ALİ ÖZER ERCAN

Geri Dön