بخشی از مقاله
چکیده - اطلاع به موقع از ناکارآمدی سیستمهای حساس کاشته شده در بدن در نتیجه نفوذ رطوبت از بافتهای اطراف، از مهمترین مسائل طراحی و ساخت این سیستمهاست. به منظور تشخیص به موقع و دقیق رطوبت نفوذ یافته به داخل سیستمهای قابل کاشت انعطافپذیر از جمله کاف الکترودهای عصبی، از حسگر رطوبتسنج خازنی با طرح پیشنهادی مارپیچ و با قابلیت انعطاف و تحمل تنشهای مکانیکی بالا استفاده شده است. در این طراحی علاوه بر افزایش میزان حساسیت و بهبود عملکرد حسگر، کاهش تنشهای مکانیکی و به ویژه قابلیت اندازهگیری رطوبت در محیط غیریکنواخت به دلیل پخش غیریکنواخت میدانهای الکتریکی فراهم شده است.
مشخصات و هندسه بهینه این حسگر با استفاده از شبیه-سازی در نرم افزار COMSOL Multiphysics 5.1 بدست آمده و تاثیرات افزایش طول، تعداد شاخهها و ابعاد حسگر بر میزان حساسیت آن نسبت به درصد رطوبت بررسی شده است. حساسیت این حسگر به ابعاد 1mm2 و به ازای تغییرات رطوبت ±1% برابر42fF است، که میزان قابل قبولی از تغییرات را برای شناسایی نفوذ رطوبت در مدارات الکترونیکی فراهم میآورد به طوری که میتوان عمر الکترودها یا سیستمهای کاشته شده را تخمین و در صورت لزوم تعویض نمود.
-1 مقدمه
امروزه برای درمان و یا کنترل بسیاری از بیماریها، از سیستمهای قابل کاشت در بدن استفاده میشود. این سیستمها قابلیت دریافت و پردازش سیگنالهای بیولوژیکی یا اعمال دارو و یا سیگنال را دارا میباشند. از کاربردهای مهم سیستمهای قابل کاشت در بدن، سیستمهای قابل کاشت بر روی عصب محیطی هستند که برای تحریک یا ثبت سیگنالهای عصبی به کار برده میشوند. با پیشرفت تکنولوژی ابعاد سیستمهای قابل کاشت در بدن بسیار کوچک شده، به طوری که به راحتی بر روی اعصاب محیطی اعضای مختلف بدن مانند چشم، گوش، مغز، قلب و یا اعصاب محیطی دیگر اندامها مانند عصب سیاتیک، واگ و ... کاشت میشوند.
[1] مهمترین این الکترودها، کاف الکترودهای عصبی است که به دور عصب محیطی پیچیده میشوند. قطر داخلی این الکترودها بر حسب مورد بین 0/3 تا 2 میلیمتر میباشد .[3 ,2] رطوبت همواره دغدغه بزرگی برای سیستمهای الکتریکی و الکترونیکی کاشته شده در بدن است. به گونهای که نفوذ جزئی رطوبت در سیستمهای کاشته شده در بدن باعث ایجاد مشکلات بزرگی مانند از کار افتادن کل سیستم، اتصالات و یا اختلال در عملکرد کلی سیستم میشود و ممکن است عوارض جانبی در شخص ایجاد کند .
متاسفانه در اکثر سیستمهای کاشته شده در بدن دسترسی به خود سیستم و بررسی عملکرد صحیح آن در داخل بدن وجود ندارد و تنها راه اطمینان از صحت عملکرد آن، خارج نمودن سیستم پس از گذشت مدت زمان تخمینی معین و بررسی آن در خارج بدن است. اما تخمین این زمان بیشتر بر پایه حدس و گمان بوده و همچنین خارج نمودن سیستمهای کاشته شده و تعویض پی در پی آنها باعث آسیب به اندامهای داخلی بیمار میشود.
یک راه حل مناسب برای حصول اطمینان از عدم نفوذ رطوبت به قسمتهای حساس مدار یا الکترودها، استفاده از حسگرهای رطوبتسنج در داخل خود سیستمهای قابل کاشت یا الکترودهاست. تاکنون طرحهای مختلفی از حسگرهای رطوبت-سنج ارائه و ساخته شده است .[4-7] حسگرهای خازنی به دلیل مصرف توان کم، دامنه سیگنال خروجی بالا، محدوده عملکرد گسترده و حساسیت بالا، توسعه فراوانی یافتهاند .[8] اساس رطوبتسنجی، جذب سطحی و تغییر ثابت دیالکتریک محیط و در نتیجه تغییر ظرفیت خازن است .
[9] در طراحی سیستمهای قابل کاشت یا کاف الکترودها، فضاهایی بسیار کوچک در حد چند صد میکرومتر تا چند میلیمتر مابین الکترودها وجود دارد که می-توان با قرار دادن این حسگرها در فواصل خالی مابین الکترودها از نفوذ رطوبت داخل الکترودها و در نتیجه از عملکرد ناصحیح سیستم آگاهی یافت. عدم برخورداری از انعطافپذیری و حساسیت بالا نسبت به رطوبت در حسگرهای طراحی شده، سبب ناکارآمدی آنها در سیستمهای قابل کاشت شده است. عدم انعطافپذیری حسگرها در سیستمهای قابل کاشت در بدن به خصوص در مفاصل متحرک سبب افزایش آسیبپذیری بافتها و نسجهای اطراف می-شود.
طرح پیشنهادی حسگر رطوبتسنج خازنی علاوه بر تامین حساسیت بالا نسبت به تغییر رطوبت در مقایسه با سایر طرحها، قابلیت بسیار مهم تحمل تنشهای مکانیکی بالا را دارد که باعث کاهش آسیبپذیری بافتهای اطراف و نیز مصون ماندن خود حسگر از شکستگی و یا عدم کارکرد صحیح آن میشود. همچنین قابلیت اندازهگیری میزان نفوذ رطوبت در محیطهای غیریکنواخت را به دلیل پخش غیریکنواخت میدانهای الکتریکی تامین می-نماید.
سیستمهای کاشته شده در بدن به علت تماس مستقیم با سلولهای زنده بدن بایستی از مواد زیست سازگار ساخته شده باشند. به همین دلیل کنتاکتهای فلزی الکترودها معمولا از جنس پلاتین، ایریدیوم، فولاد ضد زنگ و یا ترکیبات آنها و ماده عایق نیز معمولا از جنس PDMS یا پلیمرهای زیست سازگار دیگر ساخته میشود [10] که طراحی و شبیهسازی حسگر پیشنهادی با استفاده از مشخصات این مواد انجام گرفته است.
-2 طراحی و شبیهسازی حسگر رطوبتسنج خازنی
از آنجا که حسگر خازنی مورد نظر برای تشخیص رطوبت محیط به کار میرود، عامل اصلی تاثیرگذار بر تغییر ظرفیت خازن مقدار تغییر ثابت دیالکتریک در اثر تغییر رطوبت است. در نتیجه تغییرات ظرفیت خازن با توجه به رطوبت به صورت معادله - 1 - نشان داده میشود. متحرک بودن مفاصل بدن در محل کاشت الکترودها سبب کشیدگی و یا شکستگی شاخهها و آسیب به آنها میگردد که در این طرح پیشنهادی سعی شده تا علاوه بر افزایش حساسیت حسگرها، کاهش تنشهای مکانیکی و افزایش طول عمر و عملکرد حسگرها را در پی داشته باشد.
جهت افزایش ظرفیت خازن در سطح محدود معمولا از حسگرهای تشخیص رطوبت به صورت شانهای استفاده میشود، که خطوط هر شاخه به صورت خطوط صاف طراحی میشود. این خطوط مقاومت مکانیکی کمی در مقابل تنشها و استرسهای محیط دارد. مطابق مطالعات M. Schuettler و همکارانش الکترودهای مارپیچ با مشخصات ارایه شده کمینه تنش را دارد که در نتیجه باعث افزایش انعطافپذیری و همچنین افزایش تحمل تنش الکترودها در مقایسه با حالت رایج حسگرها با شاخههای خطی میشود .
[11] در این مقاله از خطوط مارپیچ در طراحی شاخههای حسگر خازنی شانهای استفاده شده است. مطابق نتایج عملی M. Schuettler و همکارانش، در حالتی که نسبت شعاع نیم دایره هر شاخه بر پهنای الکترودها - r/w - برابر 3/6 و زاویه نیم دایره 2θ برابر 120˚ است، کمترین تنش به الکترودها وارد میشود. این هندسه از الکترودها قابلیت تحمل خمش را تا 14/4 درصد قبل از شکستگی دارا میباشد - شکل .[11] - 1 بنابراین در طراحی الکترودها از این هندسه و نتایج عملی مقاله ذکر شده استفاده شده است.
ابعاد این حسگر جهت مقایسه با نمونههای دیگر مقالات برابر 1×1 میلیمتر طراحی شده است. در این طراحی پهنای خطوط الکترودها برابر 40 میکرومتر و فاصله بین الکترودها برابر30 میکرومتر طراحی شده که محدودیتهای دستگاه لیزر و نیز محدودیتهای ساخت اعمال شده است. طرح نهایی حسگرخازنی در شکل 2 نشان داده شده است. در طراحی نهایی الکترودها مطابق نتایج عملی M. Schuettler و همکارانش [11] میزان تنش کمینه شده است.
همچنین در شبیهسازی تغییرات رطوبت به صورت خطی در نظر گرفته شده تا بتوان حساسیت حسگر را بدست آورد. برای مقایسه حساسیت دو حسگر رطوبتسنج با الکترودهای مارپیچ و خطوط صاف، حسگرها در ابعادی مشابه طراحی و شبیهسازی شدهاند - شکل 3 و . - 4 حسگر صاف شبیهسازی شده، دارای ضخامت، طول و همچنین تعداد شانههای یکسان با حسگر پیشنهادی است که نتایج آنها با یکدیگر مقایسه شده است.
مکانیکی و کم کردن تنش به صورت مستقیم از نتایج عملی M. Schuettler و همکارانش استفاده شده است .[11] بررسی تاثیر مشخصات و هندسه الکترودها بر میزان حساسیت حسگر به رطوبت به صورت شبیهسازی انجام گرفته است. در ابتدا با تغییر تعداد نیمدایرهها در هر شاخه به تعداد 1 تا 5 نیمدایره میزان حساسیت حسگر بررسی شده است. نمودار شکل 5، تغییرات حساسیت حسگر نسبت به تغییرات تعداد نیمدایرهها را نشان می-دهد. همانطور که ملاحظه میشود با افزایش تعداد نیمدایرهها، حساسیت به صورت خطی افزایش مییابد.
شکل 6 نیز نمودار تغییر حساسیت حسگر نسبت به افزایش تعداد شاخهها از 2 تا 6 شاخه را نشان میدهد که با افزایش تعداد شاخههای مارپیچ حساسیت حسگر نیز به صورت خطی افزایش مییابد. همچنین با افزایش مساحت حسگر حساسیت آن نیز افزایش مییابد - شکل . - 7 با افزایش تعداد شاخه و نیم دایره سطح صفحات هم پوشانی حسگر خازنی بیشتر شده و در نتیجه حساسیت حسگر افزایش مییابد.
