Desenvolvimento de soluções para instrumentalizar um endoscópio através de sensores piezoresistivos impressos

Abstract

Esta dissertação aborda soluções para instrumentalizar um endoscópio, de forma a aumentar a segurança durante o processo de uma endoscopia, sendo então o real objetivo, acrescentar sensores nos equipamentos médicos já existentes, de forma a monotorizar todos o processo num exame. Surge uma necessidade de estudar de que maneira é possível tornar o processo mais eficaz e minimizar os problemas, tanto para o paciente como para o profissional interveniente. Torna-se possível, e provavelmente sendo uma das abordagens mais eficazes neste caso, medir a pressão exercida pelo interior do corpo humano num endoscópio tal como a deformação deste. Um dos métodos possíveis passa pela colocação de sensores piezoresistivos. Sensores de força e de deformação estão entre os mais procurados para aplicações biomédicas. Um dos mecanismos físicos mais utilizados para estes tipos de medições é baseado no efeito piezoresistivo. Materiais com uma grande sensibilidade de deformação têm sido recentemente desenvolvidos com base em polímeros, que permitem usar estes materiais em vez dos strain gauge mais convencionais para esses tipos de medições. O objeto de estudo nesta dissertação, passa pelo desenvolvimento de sensores piezoresistivos impressos baseados em compósitos poliméricos. Estes materiais compósitos, baseiam-se em nanotubos de carbono (CNT) como material de reforço e por um termoplástico elastómero, mais concretamente o SBS (styrene-butadiene-styrene) como matrix polimérica. Estes compósitos são bastante interessantes, para várias aplicações devido às suas excelentes propriedades elétricas, mecânicas e piezoresistivas. Para se obter o sensor piezoresistivo, é necessário imprimir interdigitados nos compósitos, o que pode ser realizado através de diferentes técnicas de impressão, sendo screen printing a técnica escolhida para este caso, devido à sua boa definição e baixo preço. Os sensores impressos foram caracterizados de forma a determinar as suas características piezoresistivas. De entre os resultados mais importantes destaca-se o gauge factor, que varia essencialmente entre 2.2 e 5, dependendo do material. Foram também realizadas simulações do endoscópio em elementos finitos. Nestes testes foi criado um modelo 3D do endoscópio de forma a avaliar quais são as zonas que possuem uma maior tensão devido a uma dobra no endoscópio causada pelas tensões aplicadas. Por fim, foi desenvolvido um sistema eletrónico de leitura para os sensores piezoresistivos impressos.

This thesis is devoted to place sensors in an endoscope, in order do enhance security during an endoscopy. Thus, the main goal is the improvement of an existing medical equipment, in this case, an endoscope, in order to reduce medical error. A need arises to study how it is possible to make the endocopy more effective, both for the patient and for the doctor. It becomes possible, by measuring the pressure and deformation exerted by the interior of the human body. One of the possible methods for measuring the forces and deformations in by using piezoresistive sensors. Force and strain sensors are among the most popular ones for biomedical applications and one of the most used physical mechanisms for these types of measurements is based on the piezoresistive effect. Materials with large strain sensitivity have been recently developed based on polymers that enable the use of polymers instead of the more conventional strain gauge for these measurements. The object of study of this thesis was the development of printed piezoresistive sensors based on polymer composites. Composites were produced based on carbon nanotubes (CNT) and a thermoplastic elastomers, in particular SBS (styrene-butadiene-styrene). These composites can become quite popular for many applications, as it results in a material with good electrical and mechanical properties. To obtain the piezoresistive sensor, it is necessary to print an interdigitated pattern on the composite, which can be perfomed by diferente printing techniques, like screen printing that is the technique chosen for this case, due to its good quality and low price. The printed sensors were characterized to determine their piezoresistive characteristics. Among the most important results, gauge factor, was calculated, and the value its between 2.2 and 5, depending on the material. Simulation of the endoscope were also performed by finite elements method. In these tests was created a 3D model of the endoscope to assess the zones that are having the higher tension due to the bending of the endoscope caused by the applied stresses. Finally, it was developed an electronic reading system for the printed piezoresistive sensors.