Development of a minimally invasive oxygen saturation measurement catheter for brain monitoring applications

Traumatic brain injury is one of the leading causes of death in the Western society. The largest risk however, does not lie in the primary injury, which happens immediately at the moment of impact, but prevails in the long term effects that can take place up to several days after the impact (secondary injury). For this reason it is critical to monitor the patients at risk in order to assess their correct physiological state. One of the most reliable and commonly used parameter is brain tissue oxygenation. The most used way to monitor oxygen is to use Clark sensors, which have proven reliability and durability but have the issue of continuously consuming oxygen in the analysed tissue. This can be an additional risk factor for patients in potential hypoxiac conditions. As a consequence a new technique, called double potential step, has been introduced. This technique involves in applying a short step voltage at the voltage in which the reaction takes place and analyzing the currents flowing in the sensor. The result is that an acceptable performance is kept and the oxygen depletion in the tissue is decreased by several orders of magnitude. The goal of this project has been to develop a catheter for minimally invasive oxygen monitoring, using such technique, and designing an electronic frontend that can be used to carry out the measurement with a microcontroller board. A prototype with a catheter form factor has been built and showed excellent performance, with an average accuracy of +-2% O2 saturation and high repeatability, although the system showed long term reliability issues. The electronics have been designed on a breadboard and have been partially implemented on a PCB: the results are encouraging and are now being developed further.

Le lesioni da trauma cranico sono una delle principali cause di morbosità nella società occidentale. Il maggiore fattore di rischio tuttavia, non consiste nel danno primario, che accade al momento dell'impatto, ma in quello secondario che può manifestarsi dopo un lasso di tempo variabile da poche ore ad alcuni giorni. Per questo motivo è necessario monitorare i pazienti in stato di rischio nelle unità di cura intensiva. Uno dei parametri più comuni e significativi è la saturazione dell'ossigeno nel tessuto cerebrale. Il metodo di misura più diffuso nella pratica clinica consiste nell'uso dei sensori di Clark. Tali dispositivi hanno il pregio di avere una comprovata stabilità ed affidabilità ma hanno il difetto di richiedere un continuo consumo di ossigeno nel tessuto del paziente. Tale caratteristica può introdurre un ulteriore fattore di rischio nei pazienti con potenziali condizioni di ipossia. Di conseguenza, una nuova tecnica di misura, chiamata doppio gradino di potenziale (o Double Potential Step) è stata introdotta. Questa tecnica consiste nell'applicare un breve gradino ad un potenziale in cui ha luogo la reazione di riduzione dell'ossigeno ed analizzare la corrente che scorre negli elettrodi. Il risultato è che buone prestazioni sono mantenute ed il consumo di ossigeno nel tessuto è diminuito di diversi ordini di grandezza.Lo scopo di questo progetto di tesi è stato duale. Da un lato, si è sviluppato un catetere per il monitoraggio minimamente invasivo di saturazione di ossigeno nel tessuto cerebrale. Dall'altro lato si è sviluppata un'interfaccia elettronica con microcontrollore che può essere utilizzata per automatizzare il processo di misura. Lo sviluppo del sensore ha mostrato ottimi risultati, con accuratezza dell'ordine del 2% saturazione di ossigeno. I risultati di implementazione dell'elettronica sono incoraggianti, con un chiaro trend sulle curve output vs. O2 e sono ora in fase di ulteriore sviluppo e finalizzazione.