SENSORI DIELETTRICI DI FORZA E ACCELERAZIONE IN FIBRA OTTICA PER APPLICAZIONI BIOMEDICALI = DIELECTRIC FORCE AND ACCELERATION SENSORS FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS

Le fibre ottiche sono molto usate in ambito medicale poiché veicolano energia e segnali senza impiegare cavi elettrici. Le principali applicazioni riguardano i sistemi di visione e di illuminazione e i sistemi laser per chirurgia, qui la fibra guida un fascio laser di elevata intensità e di caratteristiche ottiche ben definite. Recentemente le fibre ottiche sono state usate come sensori poiché permettono di sviluppare sensori miniaturizzati, utili in approcci minimamente invasivi. Tra le varie tecnologie disponibili, per realizzare i sensori in fibra ottica, i reticoli di Bragg presentato il più elevato grado di maturità e la più ampia disponibilità di dispositivi ottici. Gli FBG sono sensibili alla deformazione e alla temperatura ma possono essere utilizzati per misurare altre grandezze se integrati con un opportuno trasduttore, in letteratura sono presenti esempi di sensori di forza e di pressione che sfruttano questo approccio. Questi sensori sono collegati al sistema di acquisizione tramite fibra ottica e quindi sono immuni ai campi elettromagnetici e non veicolano corrente elettrica, ma essendo realizzati con materiali metallici perdono le proprietà dielettriche delle fibre ottiche, ossia la “trasparenza” sia ai campi elettromagnetici sia alle radiazioni ionizzanti. Quindi i sensori FBG accoppiati a traduttori metallici non sono compatibili con la risonanza magnetica o con la Tac. Il lavoro di tesi si è concentrato sull’uso di FBG per misurare forze e accelerazioni e ha valutato la fattibilità di sistemi di trasduzione completamente dielettrici. La parte più rilevante del lavoro ha portato ad un primo prototipo di accelerometro strutturato con un cantilever in PLA, stampato con tecniche di prototipazione rapida, sul quale è stata incollata un FBG. Si sono utilizzati i seguenti materiali col fine di realizzare un accelerometro compatibile con l’ambiente di risonanza magnetica che riuscisse a monitorare la frequenza respiratoria e cardiaca. Il monitoraggio di questi parametri, durante la scansione, è importante per prevenire gli attacchi di panico/iperventilazione. Il prototipo è stato analizzato con tecniche agli elementi finiti ed è stato validato tramite prove di vibrazione su shaker elettrodinamico. Si è ottenuto un accelerometro FBG con frequenza di risonanza naturale e smorzamento adeguate alle applicazioni ma con sensibilità ancora troppo limitata per il monitoraggio dei parametri vitali. Durante la scansione è importante l’immobilità del paziente al fine di ottenere una buona qualità dell’immagine. Il monitoraggio dei movimenti può essere effettuato tramite il posizionamento di sensori di forza/pressione nel letto o sotto i piedi di esso. Si è quindi realizzato un secondo prototipo, per la misurazione di forze, in materiali compatibili con l’mri. Si è realizzata una bilancia, di struttura simile alle bilance pesapersone, dove sono stati integrati dei sensori FBG in supporti di silicone. Questo agisce da materiale elastico e la sua deformazione è rilevata dagli FBG. Il sensore permette sia il monitoraggio statico che dinamico poiché all’applicazione del carico, in una determinata posizione, segue una variazione di lunghezza d’onda che resta costante finché non è variata la posizione del carico. Tramite prove sperimentali si è evinto che l’approccio proposto è fattibile ma è necessaria una compensazione di temperatura, non studiata nel lavoro di tesi, poiché il sensore è molto sensibile alla variazione di temperatura.