Stent inteligente para la monitorización inalámbrica de la reestenosis cardiovascular

Abstract

RESUMEN: En esta tesis se detallan el proceso de diseño, la fabricación y la realización de las medidas experimentales de los bloques que componen el sistema heterogéneo de un stent inteligente (istent) para la medida de presión y flujo en una arteria pulmonar distal; incluyendo sensores Micro-Electro-Mecánicos (MEMS) en tecnología PolyMUMPsTM para operar como transductores de presión, y bloques rectificador, de referencias de tensión, regulador con elemento de paso de baja caída de tensión, y oscilador Sawtooth, necesarios para realizar la adquisición, procesado y transmisión inalámbrica de las señales.

En primer lugar, se ha desarrollado una herramienta de diseño asistido por ordenador, implementada en Matlab®, la cual guía al usuario durante el proceso de diseño de sensores de presión MEMS. La herramienta, CardioMEMS Design (CMD), proporciona un primer diseño del sensor a partir de la especificación de presión máxima, y de la tecnología de fabricación. Esta aproximación se basa en modelos analíticos, los cuales han demostrado su validez para modelar la deformación mecánica de diafragmas circulares y cuadrados. La herramienta CMD facilita dos ficheros con archivos para la exportación del sensor a los softwares ANSYS® y Cadence® Virtuoso®. Los ficheros compatibles con ANSYS® realizan el modelado 3D del sensor, así como las simulaciones electromagnéticas y electromecánicas para su caracterización. Los archivos generados para Cadence® Virtuoso® crean el modelo de layout, así como el fichero de capas listo para ser enviado al fabricante. Los sensores descritos en esta tesis han sido diseñados íntegramente con CMD. Las medidas experimentales realizadas muestran que los sensores son más sensibles de lo anticipado a través de las simulaciones. Adicionalmente, los sensores requieren de un recubrimiento con material elástico depositado sin necesidad de vacío. Hasta este momento, los diversos polímeros utilizados no han proporcionado los resultados esperados, debido a la pérdida de elasticidad del diafragma y/o a la penetración del polímero dentro de la cavidad.

En segundo lugar, la interfaz analógica del istent ha sido diseñada y fabricada en la tecnología TSMC 0.18 µm, realizándose medidas experimentales que muestran una buena correlación con las simulaciones basadas en modelos circuitales a nivel de esquemático y de layout. Los bloques que componen la interfaz son un rectificador con acoplamiento cruzado, un circuito de referencias de tensión con dos salidas de tensión continua, un regulador de tensión de baja caída de tensión, y un oscilador de topología Sawtooth modificada. Durante el diseño del oscilador se ha identificado un punto de trabajo estable no deseado para la topología Sawtooth, el cual hace oscilar al sistema de forma indeseada cuando es alimentado por una señal con forma de rampa. Esta tesis propone una topología Sawtooth modificada para evitar este comportamiento, sin degradar el rendimiento del oscilador y sin añadir ningún dispositivo extra al circuito. La topología propuesta es aplicable a cualquier oscilador Sawtooth destinado a operar en entornos sistemas implantados, donde su alimentación se realice de forma inalámbrica. Finalmente, los resultados de las medidas experimentales del circuito Sawtooth modificado demuestran que la nueva topología presentada esta tesis ha sido correctamente caracterizada y mantiene las prestaciones del oscilador original.

ABSTRACT: This thesis includes the description of the design process, fabrication and experimental measurement for each of the building blocks used in creating an intelligent stent (istent) for restenosis monitoring in a distal ramification of the pulmonary artery. The proposed heterogeneous analog front-end includes several capacitive MEMS pressure sensors developed in PolyMUMPsTM technology, a three-stage differential cross-coupled rectifier, a voltage-reference circuit with two outputs, a low-dropout voltage regulator, and a Sawtooth oscillator with modified topology.

First, a computer assisted design tool, implemented in Matlab®, was developed to guide the user through the design process of the MEMS pressure sensors for cardiovascular applications. This tool, denoted as CardioMEMS Design (CMD) provides a first sensor topology proposal from a set of constraints specified by the user, such as the maximum pressure to be measured and the sensor fabrication technology. CMD uses purely analytical models to offer a quick initial sensor proposal. The analytical models behavior has been compared to results from extensive simulations performed in ANSYS®, demonstrating a good correlation between them, and validating their accuracy to estimate the deflection of circular and square-shaped diaphragms. Once the design process using CMD is concluded, the tool generates two folders with the required files to export the sensor to ANSYS® and Cadence® Virtuoso® software environments. The ANSYS®-compatible files include an auto executable batch file to build the 3D model of the sensor, and to perform the electromechanical and electromagnetic simulations for its characterization. Alternatively, CMD output files compatible with Cadence® Virtuoso® create the layout view of the device, as well as the layers file ready to be sent to the foundry for its fabrication. All of the sensors described in the thesis have been designed with CMD. The sensor experimental measurements show higher sensitivity compared to the results obtained from ANSYS® simulations, which indicates that the structure presents lower spring constant than expected. On the other hand, the characterization of the sensor requires the coating of the device to keep a constant chamber pressure of 750 mmHg. Several elastic polymers have been tested as a coating material, but the experimental results show a strong degradation in sensor sensitivity, due to the low elasticity of the polymers and/or the undesired deposition of coating material inside the chamber.

The istent analog interface has been designed and fabricated in TSMC 0.18 µm technology, and the experimental measurements show a good correlation with simulations results performed in Cadence® Virtuoso®, using both schematic and layout circuit models. The istent analog front-end is composed of a three-stage cross-coupled differential rectifier, a two-output voltage-reference circuit, a low-dropout voltage regulator, and a modified Sawtooth oscillator. During the oscillator design process, we identified an undesired stable operating point, only showing up when the circuit is biased by a ramped voltage signal. In this thesis, an improved oscillator topology is proposed, which prevents this undesired circuit behavior without degrading its performance nor adding any extra devices. This Sawtooth modified topology is suitable for oscillators intended to be used in biomedical implants, in which the powering of the device is done wirelessly. Finally, the experimental measurements of the modified Sawtooth oscillator show that our proposed topology maintains the performance with respect to the original one, and avoids its undesired operating state under rectified bias signals.