Wireless and Suture-Type Strain Sensing System for Monitoring Reconstructed Soft Tissue

Abstract

웨어러블 센서 및 체내삽입형 소자는 최근 고령 인구의 증가와 정확한 건강관리에 대한 수요의 증가와 맞물려 각광받고 있습니다. 이러한 많은 웨어러블 센서 및 체내삽입형 소자는 대부분 MEMS 및 반도체 공정을 기반으로 연구되고 있습니다. 그러나 이러한 소자들은 MEMS와 반도체 공정 기술을 기반으로 제작하여 대부분 이차원의 필름 형태를 가지며 이는 여러 한계점들을 가지고 있습니다. 대표적으로 표적 부위/조직과의 구조적 불일치가 발생하며 이를 해결하기 위해 추가적인 고정 방법들이 필요합니다. 그리고 대부분의 소자는 무선으로 신호 전송을 위해 PCB 회로와 추가적으로 연결하고 이는 전체 소자의 생체적합성을 떨어뜨리며 전체적인 시스템을 커지게 합니다. 본 논문은 무선 측정이 가능하면서 봉합사형의 스트레인 측정 시스템을 소개합니다. 전체 시스템은 생체적합 금 나노입자 기반 전도성 섬유로 구성되어 전체 시스템의 생체적합성을 확보하였습니다. 금 나노입자 기반 전도성 섬유는 화학적 기법을 통해 균일하게 금 나노입자들이 분포하여 낮은 수준의 저항도를 유지하고 안정적인 전기적 성능을 보여줍니다. 전도성 섬유를 중공을 가진 이중나선 구조로 고정하여 정전용량식 센서를 구성합니다. 중공을 가진 이중나선 구조 덕분에 높은 수준의 민감도를 보여줍니다. 이러한 센서를 코일과 연결하여 납땜이 없는 RLC 회로 구조의 스트레인 측정 봉합사형 시스템을 구성하였고, 센서의 정전용량 변화에 따라 시스템의 공진주파수가 변화합니다. 전체 시스템은 돼지의 아킬레스건에 삽입되어 파열 후 수술이 진행된 아킬레스건의 10주간의 회복을 관찰하였습니다. 아킬레스건의 물리적 특성을 수학적으로 분석하여 회복 기간 동안의 치유 정도를 정량화 하였습니다.|Wearable and implantable healthcare sensors are an emerging field driven by the rapid growth of the aging population and the increasing demand for precise healthcare monitoring. Recently, many wearable and implantable sensors have been developed based on MEMS and semiconductor technologies. However, these sensors face inherent limitations for clinical use due to the reliance on MEMS and semiconductor technologies, which are optimized for two-dimensional film structures. This two-dimensional structure causes a structural mismatch between film-based sensors and target organs or tissues, necessitating additional fixation methods. Furthermore, many developed sensors use PCB circuits for wireless signal transmission, which reduces the overall biocompatibility and increases the size of the system This paper introduces a wireless strain-sensing suture system, designed to be biocompatible with conductive fibers based on gold nanoparticles. The nanoparticles are uniformly distributed through chemical methods, ensuring low resistance and stable electrical performance. These conductive fibers are arranged in a double-helix structure with a hollow core, forming a capacitive sensor with high sensitivity due to its unique design. The sensor is connected to a coil, creating a strain-sensing suture system with a solderless RLC circuit, where the system's resonant frequency varies with changes in the sensor's capacitance. This entire system was implanted in the Achilles tendon of a porcine model, enabling monitoring of recovery over a 10-week period following surgery for a ruptured tendon. The physical properties of the Achilles tendon were quantitatively analyzed to assess healing progress throughout the recovery period.