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인체 삽입형 PSRS 센서의 설계 및 제작

Design and Fabrication of Implantable Pressure Sensing Resistor Sensor

초록/요약

본 논문에서는 MEMS Actuator 의료 응용 분야인 방광 압력 모니터링 시스템 적용을 목적으로 방광 정보를 직접적으로 수집 할 수 있는 가변 저항형 인체 삽입형 압력센서를 제안하고 설계 및 제작 하였다. 근대의 많은 사람들과 환자들은 방광 관리에 어려움을 겪고 있다. 대표적인 증상은 주로 빈뇨, 요실금 등이 있는데 이러한 질환은 생명을 위협하기도 한다. 치료 연구가 이루어 지고 있지만, 이러한 치료들은 합병증을 일으킬 가능성이 있기 때문에 더욱 높은 신뢰성과 안전성이 필요하다. [ref] 방광 정보 수집의 가장 일반적인 방법으로 요역동학검사가 있다. 그러나 이 방법도 불편함과 부작용을 일으킬 수 있다. 따라서, 최근의 방법들은 비침습적 측정으로 연구가 이루어 지고 있다. [ref] 이러한 방법들은 개인의 방광 정보를 정밀하게 분석 하고 관리하기 위해서 보다 편리하고 실시간 측정 가능한 시스템으로 개발되어야 한다. 그러나, 아직은 이러한 방법들의 연구가 미흡하다. 그래서, 저자가 속한 연구팀은 침습적 방광 압력 모니터링 시스템을 제안하게 되었다. 제안된 침습적 모니터링 시스템은 센서를 방광 내에 삽입하여 피 측정자의 불편함을 피할 수 있을 뿐만 아니라 방광과 압력의 관계를 직접적으로 실시간 체크 할 수 있다는 장점이 있다. [ref] 방광압력을 모니터링 하는 것은 제안된 메디컬 디바이스의 가장 중요한 요소의 하나로서 인체 삽입 가능한 초소형의 액츄에이터를 필요로 한다. 그래서 본 연구팀은 인체 삽입 가능한 압력 센서를 제안 하게 되었고, 본 논문에서는 임플란트 가능한 가변 저항형 압력센서 (Implantable Pressure Sensing Resistor Sensor)의 설계 및 제작 연구 결과 기록하였다. 제안된 PSRS 센서는 접촉 가능한 PDMS 다이어프램이 압력에 의해 변형하여 하부에 맞닿는 구조를 갖는다. 플렉서블 다이어프램에는 스위치 역할을 하는 얇은 금속 막이 있고, 하부 기판에는 가변 저항의 역할을 하는 깍지를 낀 형태(interdigitated) 의 금속 미세 패턴이 있다. PSRS 는 외부 압력이 가해지지 않았을 때 금속 스위치가 interdigitated 전극에 접촉되지 않으므로 무한 전기 저항 값을 갖는다. 압력이 가해 지면 플렉서블 다이어프램이 변형하고 접촉면적이 커 짐에 따라서 센서의 저항이 감소하게 된다. 본 논문에서 목표로 하는 0~10kPa방광의 압력을 측정하기 위한 PSRS 는 초기 접촉이 이루어 지게 하여 미압 측정이 가능하게 하였다. 제작된 PSRS는 예상과 같이 압력증가에 다른 저항이 감소하였다. PSRS 제작은 FEA 해석을 기반으로 다이어프램의 크기, 사이 거리, 두께 최적화 값을 도출하였다. 제작된 PSRS를 인체 방광을 모사 가능한 방광 시뮬레이터에 삽입하여 성공적인 결과를 도출 하였다. PSRS의 출력 변화는 비선형적인 단점이 있지만, 소형 제작 가능하고 기존 실리콘 타입 압력 센서에 비해서 제작 공정비용 및 공정 기간을 감소할 수 있다는 장점이 있다. 제안된 PSRS는 방광 관리의 개선을 위한 신뢰성 및 안정성 연구를 위해 사용될 수 있다. 또한 미래의 응용 디바이스에서 사용 될 수도 있다는 점에서 가치를 둘 수 있다.

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초록/요약

Many aging people and patients have difficulties in bladder control. Its symptoms are largely urinary frequency and urinary incontinence, which can cause life-threatening illnesses. A therapeutic research for bladder nerves and surgical treatment has been studied. However, such treatments are likely to cause complications and need more reliability and safety. An urodynamic study, which is designed to monitor the relationship between flow, pressure, and volume by inserting a condom catheter into the urethra, is most commonly used for the measurement of bladder operation. Unfortunately, this method may cause inconvenience and side effects. Thus, recent methods have been studied for non-invasive measuring. In addition, it must be improved to a more convenient and real time measurable system for accurate analyzing and controlling individual bladder information. With that in mind, we propose the invasive bladder monitoring system. The system has the pressure sensor which is set-up inside the bladder. It can avoid the inconvenience and directly check the dynamic variation of the relation between bladder pressure and volume. Bladder pressure monitoring, therefore, is one of the important areas in the development of medical devices. However, there has been little progress in the implantable sensor for the human/animal bladder. To this end, a Pressure Sensing Resistor Sensor (PSRS) is proposed. The PSRS consists of a flexible and contactable diaphragm which deforms towards an underlying substrate while a range of pressure is applied. The flexible diaphragm has a thin metal film which acts as a switch and the underlying substrate has interdigitated electrodes which serve as a variable resistor. The PSRS initially exhibits infinite electrical resistance with no external pressure applied since the metal switch is not contact with the interdigitated electrodes. As the applied pressure increases above a threshold, the contact area increases thus the resistance of the PSRS decreases. As expected, the contact area increases with the increasing pressure. However, their response is a bit nonlinear. Based on the FEA, proper ranges for the diaphragm size and gap distance are determined. This PSRS will be effectively used for reliability and stability of the research for the improvement of bladder management that is currently lacking reliability and stability. It can also be utilized for the future application. The PSRS can be worth method for future development.

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