Towards implantable sensors for wireless monitoring of human bladder volume

The incidence of pathologies related to bladder dysfunction is clinically relevant. A considerable part of these illnesses is linked to urinary incontinence, which is not only cause of severe discomfort for patients, but in cases of poor or erroneous treatment it could lead to infections and tissue lacerations, with serious threat for health. A number of therapies are currently available for micturition control, however a definitive solution for real-time and adequate monitoring bladder volume is still not available. Such solution would allow the continuous probing of the filling state of the organ, thus avoiding the insurgence of two complications, i.e. excessive expansion of the bladder and its incomplete evacuation. This system could also works as feedback for already existing urinary stimulation technologies. The objective of this thesis is to propose a Proof of Concept design for a novel strain capacitive sensor, able to monitor continuously the volume variations of the organ, allowing for wireless data transfer via a passive communication system based on the mutual induction properties of a RLC resonator. The original prototype introduced in this work ensures a variation of capacitance value that is proportional to the bladder tissue elongation, and it is able to accommodate the wide and repeated volume changes to which the organ is subject, without exposing the device components to continuous and recurrent mechanical deformations. The present work initially focuses on the design and fabrication of a prototype sensor, on its electrical characterization, and on its subsequent integration with a RF antenna to allow contactless communication. The stable operation of the device is demonstrated, as well as its application on an artificial bladder model.

L’incidenza di patologie legate a disfunzioni della vescica è clinicamente rilevante. Parte di queste problematiche è correlata all’incontinenza urinaria che, oltre ad indurre un disagio non trascurabile nel paziente, in caso di mancato o erroneo trattamento può portare a infezioni e lacerazioni del tessuto con gravi rischi per salute. Nonostante siano disponibili diverse terapie per il controllo della minzione, non è ancora disponibile ad oggi una soluzione definitiva per il monitoraggio in tempo reale del volume della vescica, che ne garantirebbe un controllo continuo sullo stato di riempimento, evitando l’insorgere di due complicazioni, ossia l’eccessivo riempimento dell’organo e il suo non completo svuotamento. Questo sistema potrebbe inoltre agire da feedback per sistemi già esistenti atti alla stimolazione della minzione. L’obiettivo di questa tesi è di presentare un Proof of Concept per un innovativo sensore estensimetrico capacitivo atto al monitoraggio del volume della vescica, che ne permetta il trasferimento di informazioni tramite un sistema di comunicazione passivo e senza fili, sfruttando la mutua induzione di un risonatore RLC integrato all’interno del dispositivo stesso. Lo specifico design originale proposto in questo lavoro garantisce la registrazione di una variazione di capacità proporzionale all’allungamento del tessuto, ed è in grado di accomodare le ampie e reiterate variazioni di volume a cui è soggetto l’organo senza sottoporre i materiali a continue e ripetute deformazioni meccaniche. Il presente lavoro si focalizza inizialmente sul design e sulla realizzazione di un prototipo di sensore, della sua caratterizzazione elettrica, e della sua successiva integrazione in un’antenna RF per consentire la lettura a distanza del livello di deformazione a cui è sottoposto. Il funzionamento del dispositivo viene inoltre dimostrato su un modello artificiale di vescica, così come la sua stabilità a ripetuti cicli di funzionamento.