diseño y fabricación de un sensor de presión - Óptica

 DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN SENSOR DE PRESIÓN CAPACITIVO
IMPLANTABLE PARA MONITOREAR PRESIÓN INTRAOCULAR
1. INTRODUCCION
La Presión Intraocular (PIO) se mantiene
constante mediante el equilibrio que existe
entre la producción y eliminación de líquido
en
la
parte
anterior
del
ojo,
denominado humor
acuoso.
Si
la
circulación del humor acuoso es normal,
éste entra al ojo desde el cuerpo ciliar a
través de las cámaras del ojo y sale por la
red trabecular y el canal de Schlemm, como
se ilustra en la figura 1b). En estos casos la
PIO oscila entre 10-21 mm Hg [1]. Cuando
se produce una alteración modificando la
circulación del humor acuoso y no se llega a
producir la compensación de salida por falla
en el mecanismo de drenaje, figura 1c),
aumenta la presión dentro de la cavidad
ocular y nos encontramos ante un cuadro
hipertensivo ocular que clasificaremos como
un tipo de glaucoma, de acuerdo con la
tabla 1 [2].
a)
Presión característica
10 mm Hg
>21 mm Hg
Tipo de Glaucoma
Congénito
Baja tensión o
Normatensional
30-45 mm Hg
Primario de Angulo
Abierto (GPAA)
45-60 mm Hg
Primario de Angulo
Cerrado (GPAC)
Tabla 1. Clasificación de los tipos de Glaucoma
2. MONITORES ACTUALES DE LA PIO
Aunque los investigadores y clínicos en el
campo reconocen la necesidad de un
seguimiento continuo en los pacientes con
glaucoma, ningún método esta todavía
disponible [3]. El diagnostico del glaucoma
se basa principalmente en la medición de la
PIO por tonometría, el aspecto de la papila,
el estado de la capa de las fibras nerviosas
y la campimetría [4]. En un ambiente clínico,
la tonometría de Schiotz (Indentación) y la
tonometría
de
aplanación,
realizado
frecuentemente con el tonómetro de
Goldmann,
son
los
dos
métodos
generalmente utilizados, existiendo además
la tonometría de no-contacto (aire). La tabla
2 presenta una comparación entre estos
métodos [5].
b)
c)
Fig. 1. Cuerpo ciliar. a) Ubicación del cuerpo ciliar en el
globo ocular. b) Circulación del humor acuoso en un ojo
normal. c) Circulación del humor acuoso en un ojo
afectado por glaucoma
Sin embargo, el método de Goldmann se ha
convertido en el procedimiento estándar
para la medición de la PIO, puesto que es
considerado como exacto y preciso entre las
técnicas de tonometría existentes. Esta
técnica utiliza un aparato especial
denominado lámpara de hendidura donde
se coloca el tonómetro. Debido a que este
instrumento de medición tiene contacto
directo con el ojo, la anestesia tópica es
necesaria junto con un medio de contraste
llamado fluoresceína. El material de
contraste permite que el doctor busque las
irregularidades de la superficie del ojo [6].
MEMORIAS TECNyMED 2013 1 La medición de la PIO requiere una fuerza
que aplane el ojo; la superficie de
aplanación tiene un diámetro de 3,06 mm
situado en el centro de un cilindro plástico.
La cantidad de la fuerza en el cilindro se
controla con precisión y se puede leer en
una escala colocada en la perilla del equipo.
De esta manera, la PIO es obtenida de la
relación que existe entre la fuerza y el área
de contacto [7].
Fig. 2. Tonómetro de Goldmann
Método de
Tonometría
Tonometría
de
Indentacion
(Schiotz)
Tonometría
de
Aplanación
(Goldmann)
Ventajas y Desventajas
-Requiere de Anestesia
-Abrasión corneal
-La repetición de lecturas puede
reducir la PIO (efecto
tonográfico)
-Accesorio de lámpara de
hendidura
-Permite mediciones mas
exactas
-Requiere de anestesia y
fluoresceína sódica
-No requiere anestesia
-Instrumento de alto costo
Tonometría
de nocontacto
Tabla 2. Métodos utilizados para la tonometría.
Una de las principales desventajas de los
tonómetros de aplanaciòn
es la
propagación
de
infecciones
si
los
dispositivos
no
están
esterilizados
adecuadamente. Además de que una
porción de humor acuoso puede ser
desplazado durante la medición. Por último,
mientras se mide la PIO real, la tonometría
de aplanación no puede realizar un
monitoreo continuo, lo cual es su limitación
más importante [3].
De hecho, la única forma de obtener datos
sobre el comportamiento de la PIO, es
repetir las mediciones muchas veces al día,
lo que permite sólo una estimación
aproximada,
además
de
ser
un
procedimiento muy incomodo para los
pacientes. Además, se debe considerar que
algunas variables pueden afectar las
mediciones: la rigidez de la cornea puede
sobrestimar la PIO; lágrimas pueden
subestimar la medición y alto astigmatismo
corneal
pueden
causar
grandes
desviaciones [7].
Debido a que los procedimientos estándares
de seguimiento clínico no identifican los
picos y variaciones en la PIO, se han
realizado muchos intentos de encontrar una
solución práctica y portátil para el monitoreo
continuo de la PIO. Con la miniaturización
de los sensores y actuadores, se han
desarrollado nuevas técnicas de medición,
entre las que destacan principalmente, los
lentes de contacto con circuitos integrados y
los sensores de presión intraocular.
Los primeros lentes de contacto fueron
desarrollados por Gilman y Greene [8],
como el primer método no invasivo de
medición de la PIO. Este sistema consistía
de una suave lente de contacto, en la cual
se integraban sensores de deformación.
Esta lente se colocaba sobre el ángulo
meridional de la unión corneoescleral para
medir los cambios angulares debido a
variaciones PIO. Su principal inconveniente
surgía por la necesidad de que la lente de
contacto tenía que estar moldeada como
una copia exacta de la forma del ojo en
cada paciente, conduciendo a un sistema de
sensado muy costoso. Por otro lado, los
sensores de presión intraocular, presenta
algunas ventajas de medición, ya que son
independientes de la superficie ocular y la
rigidez de la cornea. En general, estos
dispositivos basan su funcionamiento en
sensores capacitivos, porque consumen
menor potencia, son inmunes a las
variaciones de la temperatura y presentan
buena estabilidad a largo plazo [9]. Lo más
atractivo y novedoso de estos dispositivos,
es que permiten desarrollar sensores
implantables que facilitan un monitoreo
continuo las 24 horas.
MEMORIAS TECNyMED 2013 2 Además, las mediciones múltiples o
continuas de la PIO en pacientes con
glaucoma, puede ayudar a mejorar el
diagnostico, ofrecer un mejor seguimiento y
administrar el tratamiento adecuado para
esta enfermedad, con la finalidad de evitar
una irreversible perdida de la visión.
3. SENSORES DE PRESION
INTRAOCULAR
La estructura básica de un sensor de
presión capacitivo puede modelarse como
un capacitor de placas paralelas separadas
por aire. Este capacitor consta de dos
electrodos, el primero es un diafragma
suspendido
capaz
de
flexionarse
progresivamente, en función del incremento
de la presión aplicada, sobre el electrodo fijo
que se encuentra aislado eléctricamente,
este dispositivo se conoce como sensor de
presión capacitivo en modo contacto
(TMCPS). La respuesta del diafragma ante
una presión,
es
transformada a un
parámetro
eléctrico
conocido
como
capacitancia, por lo tanto, la capacitancia
del dispositivo es una medida de la presión
aplicada al sensor [10]. La mayoría de los
sensores de presión intraocular basan su
funcionamiento en este esquema de
operación.
a)
b)
Se conocen diversas técnicas para fabricar
estructuras de tipo capacitivo. Sin embargo,
en el caso de sensores de presión
intraocular, no se conoce un procedimiento
efectivo de fabricación. A continuación se
describen algunos prototipos de sensores
de presión intraocular (sensor PIO)
recientemente reportados.
c)
Katuri et al, proponen un esquema de
medición continua de la PIO que considera
un sensor de presión capacitivo para operar
en un rango de 0-50 mmHg, y que puede
ser usado como parte de un circuito LC
implantable conectado a una microbobina
[11].
Este trabajo solo se enfoca a
desarrollar el procedimiento de fabricación
del sensor de presión, el cual utiliza un
proceso
comercial
conocido
como
PolyMUMS, que usa como material
estructural al Polisilicio.
d)
Fig. 3. Principio de Operación. a) Estructura del sensor.
b) - d) Progresión de la deformación del diafragma
MEMORIAS TECNyMED 2013 3 Las dimensiones del
diafragma de
Polisilicio son de 100µm x 100µm. Como
parte complementaria, los autores proponen
que el sensor PIO y la antena deberán ser
encapsulados
con
un
polímero
biocompatible conocido como parileno antes
de ser implantado. El dispositivo completo y
la antena deberán mantener una forma
cilíndrica para ser montados en la periferia
exterior del iris a través de un procedimiento
mínimamente invasivo, como se observa en
la figura 4. Además, la bobina deberá ser
flexible para ser colocada en la ubicación
del implante haciendo una pequeña incisión
en la cornea.
Sin embargo, debido a que se necesita un
buen acoplamiento de las dos bobinas del
sensor (la implantada y la externa) durante
las mediciones, la distancia de lectura solo
es hasta 6mm del sensor implantado, lo que
significa que la ubicación de la bobina
externa debe controlarse adecuadamente
para evitar errores durante las mediciones.
Además, el procedimiento de fabricación del
dispositivo requiere que algunas etapas del
proceso sean cuidadosamente probadas
para una reproducción satisfactoria.
Ganji et al, proponen un sensor de presión
capacitivo basado en un diafragma de
Polisilicio con un diseño que incluye una
cantidad de ranuras, como se ilustra en la
figura 6, con el argumento de que mejoran
la respuesta mecánica y el procedimiento de
fabricación [13].
Sin embargo esta
propuesta solo es a nivel de diseño por
computadora, sin considerar la etapa de
fabricación del dispositivo. Además, como
parte complementaria de su diseño,
sugieren recubrir el sensor con un polímero
para que pueda ser implantado, pero no
consideran el impacto que tendrá el sensor
con este material adicional.
Fig. 4. Implante propuesto para el sensor PIO ubicado
en la superficie del iris.
Xue et al, desarrollaron un sensor de PIO
implantable que consiste de una bobina
inductora fabricada de oro y un dispositivo
capacitivo con un diafragma suspendido
fabricado de resina SU-8, como se ilustra en
la figura 5. El sensor está completamente
encapsulado con la resina para aislarlo del
medio biológico, además de que este
material
ofrece
la
biocompatibilidad
necesaria.
Este
dispositivo
tiene
dimensiones de 3.23mm x 1.52mm y
funciona para un rango de presión de 0-60
mmHg [12]. El sensor opera de manera
inalámbrica con una bobina externa. El
diseño considera que la bobina externa
debe estar colocada cerca de la ceja para
transmitir potencia y recibir la señal del
sensor PIO implantado. La operación del
sensor se basa en detectar cambios en
frecuencia de la impedancia de fase de la
bobina externa, de esta manera, la señal de
la PIO es obtenida a través del sensor
implantado.
Fig. 5. Esquema del sensor PIO inalámbrico.
Otra propuesta publicadas en el presente
año ofrece un prototipo capacitivo para
monitorear presión intraocular (PIO), que
también basa su funcionamiento en un
sensor capacitivo con un diafragma circular
escalonado, ver figura 7 [14]. Este tipo de
estructuras mejora la sensibilidad y la
linealidad en la operación del dispositivo. No
obstante, su dispositivo solo contempla el
diseño a nivel de simulación por
computadora,
sin
contemplar
el
procedimiento de fabricación.
MEMORIAS TECNyMED 2013 4 2) Los diseños actuales de implantes
de
sensores
PIO
no
han
considerado
ampliamente,
las
limitaciones espaciales en el ojo, la
complejidad quirúrgica y sobre todo
la integridad a largo plazo de los
dispositivos.
3) Por
último,
el
proceso
de
fabricación, en la mayoría de los
casos,
no
se
contempla
adecuadamente durante el diseño
de los dispositivos, y en otros casos,
involucran
procedimientos
de
fabricación con etapas complejas
que generan costos adicionales en
el desarrollo de los prototipos, lo
que origina que sean menos
prácticos.
Fig. 6. Sensor PIO ranurado.
4. DESARROLLO DE UN SENSOR DE
PRESION INTRAOCULAR CON
TEGNOLOGIA NACIONAL
Con el fin de lograr un monitoreo confiable,
continuo y a largo plazo, se encuentra en
desarrollo un sensor de presión capacitivo e
implantable fabricado con la tecnología
PolyMEMS-INAOE. Este proyecto considera
el diseño, fabricación, caracterización,
montaje e inserción del dispositivo dentro
del ojo. Dicho proyecto se divide en dos
fases y se desarrolla en colaboración con
investigadores del ESIME IPN y el equipo
médico del Hospital Luis Sánchez Bulnes de
la ciudad de México.
Fig. 7. Modelo de la estructura externa de sensor
capacitivo.
En resumen, hay tres grandes deficiencias
en los diseños existentes.
1) El proceso de implantación del
dispositivo
no
es
totalmente
reversible. En caso de falla del
dispositivo o al final de tratamiento
y/o control, la extracción del
dispositivo no restaura el estado
original del tejido alrededor del
implante, y en el peor de los casos
esta etapa no se considera
profundamente.
Figuras de Merito
Implantable
Requisitos
Dimensiones,
biocompatibilidad y
Ubicación del Implante
Rango de Presión
Parámetros estructurales
y Mecánicos
Sensibilidad
Dimensiones y Simetría
Resolución
Diseño y método de
Lectura
Tecnología
Costo y funcionalidad a
largo plazo
Tabla 2. Requisitos en un Sensor PIO.
MEMORIAS TECNyMED 2013 5 Existen dos aspectos fundamentales en el
diseño del sensor: Los requisitos en el
proceso de implantación y la funcionalidad a
largo plazo del dispositivo. En conjunto,
estos dos parámetros rigen todas las figuras
de merito involucradas en el desarrollo de
un sensor PIO, listadas en la tabla 2.
fabricados de Polisilicio y Nitruro de Silicio,
como materiales estructurales, ya que en
conjunto ofrecen un procedimiento de
fabricación biocompatible, estable, sencillo y
menos costoso, que permiten el diseño de
un sensor de presión intraocular que opere
en un rango de 1-80mm Hg.
Para el proceso de implantación del
dispositivo
se
requiere
que
sea
mínimamente invasivo y reversible. Al final
del monitoreo y/o tratamiento, la extracción
del sensor debe restaurar el estado original
del tejido alrededor del implante [11].
Para mejorar la sensibilidad y resolución del
dispositivo se diseñaron diafragmas de
simetría
circular
y
cuadrada
con
dimensiones alrededor de 600µm. Las
especificaciones del sensor se muestran en
la tabla 3, la estructura completa del sensor
se presenta en la figura 9.
Durante el diseño del sensor implantable, se
deben considerar las limitaciones espaciales
en el ojo, la complejidad quirúrgica y la
funcionalidad a largo plazo del dispositivo.
Diferentes partes del ojo pueden ser usadas
para implantes, sin embargo, los implantes
ubicados en la cámara anterior del ojo
tienen una ventaja severamente marcada en
comparación con implantes ubicados en la
cavidad vítrea, ya que estos últimos tienen
un
alto
riesgo
de
infección
y
desprendimiento de retina [15]. El espesor
de la cornea es de aproximadamente
500µm a lo largo del eje óptico y 1mm en
las extremidades, el diámetro total del
cristalino es de aproximadamente 12 mm, y
el volumen aproximado en la cámara
anterior es de 82mm3 [16], como se ilustra
en la figura 8.
Características del sensor
Dimensiones
600µm
Material
Polisilicio con una
cubierta de Nitruro de
Silicio
Resolución
1mmHg
Tecnología
PolyMEMS -INAOE
Capacitancia
5pF
Tabla 3. Especificaciones del Sensor PIO.
Un sensor PIO funcional a largo plazo,
además de ser invasivo lo menos posible,
también debe contener una unidad externa
inalámbrica colocada cerca del implante,
que le permita operar con el menor
consumo de potencia y enviar los datos de
medición. Ofrecer un monitoreo continuo en
tiempo real. Y lo más importante, es que los
materiales del sensor proporcionen la
biocompatibilidad adecuada, para evitar
factores de riesgo en los pacientes.
Además, el sensor debe mantenerse íntegro
durante el tiempo que el implante
permanezca en el ojo, con el fin de mejorar
el rendimiento del dispositivo. Considerando
el espacio valido en la cámara anterior del
ojo y la funcionalidad que se requiere para
esta aplicación, se diseñaron diafragmas
MEMORIAS TECNyMED 2013 6 Fig. 8. Dimensiones de la cámara anterior del ojo.
a)
b)
Fig. 9. Estructura del sensor de presión intraocular.
MEMORIAS TECNyMED 2013 7 5. CONCLUSIONES
El sensor de presión intraocular como se
diseña, ver figura 10, resulta en un
dispositivo con diafragmas suspendidos
mecánicamente estables y completamente
flexibles que presentan cambios de
magnitud en su capacitancia ante una
presión aplicada. El proceso de fabricación
PolyMEMS INAOE mostro una reducción en
costos de manufactura y un procedimiento
más sencillo
en comparación con
prototipos recientemente reportados. Las
ventajas de funcionalidad que presenta este
dispositivo incluyen la operación continua
del sensor a largo plazo, de acuerdo con los
resultados de la caracterización mecánica y
estructural.
Además,
se
mejora
la
sensibilidad y linealidad debido a su diseño
en modo contacto.
La última fase del proyecto que considera la
etapa de caracterización, montaje e
inserción en el globo ocular del dispositivo
se encuentra en desarrollo. Para esta etapa,
se
utilizara
una
cámara
de
Polimetilmetacrilato (PMMA), este polímero
ha
demostrado
su
alto
nivel
de
biocompatibilidad y duración, y es
ampliamente utilizado en aplicaciones
medicas [17]. El chip del sensor, será
encapsulado con Nitruro de silicio y se
colocara dentro de la cámara de PMMA,
junto con su interfaz eléctrica. La cámara de
PMMA tendrá una abertura hacia el
diafragma del sensor que será expuesto al
medio biológico. El procedimiento posterior
será la inserción parcial del dispositivo en la
cámara anterior del ojo con una pequeña
incisión en la cornea y siguiendo el
protocolo medico indicado,
como se
aprecia en el esquema de la figura 11.
Fig. 11. Esquema de inserción del sensor PIO.
Para realizar el registro en tiempo real de
los niveles de PIO, se utilizara telemetría RF
con una antena externa que sera ubicada
cerca del ojo para que suministre la potencia
del sensor, además de recibir y transmitir las
señales hacia un punto de control externo
de monitoreo.
a)
b)
Fig. 10. Sensor de presión Intraocular. a) Dispositivo de
simetría cuadrada b) Dispositivo de simetría circular.
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