FO-based pressure transducer for compression therapy in patients affected by lymphedema

Fiber optics (FO) with inscribed Fiber Bragg Grating (FBG) sensors can be exploited to obtain strain, temperature, and pressure measure- ments. In this thesis work, an FBG sensor pressure transducer has been developed for compression therapy treatment in patients affected by lym- phedema. The purpose of the sensor is the detection of bandage pressure, which is associated with a strain-induced wavelength shift in the FBG sensor response. The pressure transducer has been manufactured in two different steps. The fiber optic is hosted in a holed fiberglass core with the FBG in cor- respondence with the hole. Then, a biocompatible silicone elastomer has been cast to obtain the outer layer of the thin membrane, filling the hole with a specifically designed geometry. The final thin membrane produced is the outcome of a series of prototypes where the manufacturing process has been changed to guarantee the best features for biomedical applica- tions. Alongside, a Finite Element Model of the sensing part has been studied in Abaqus CAE to find the geometry that would maximize the sensor’s sensitivity and would guarantee its linear response. The sensor calibration tests in different conditions were the first analysis carried out to evaluate the membrane response when pressure is applied. Finally, the behavior of the thin membrane was tested both on a dummy limb and during an in vivo bandaging. The acquired findings are encour- aging, since the thin membrane responds with proportional wavelength shifts to increasing pressures on the patient. Furthermore, it is veri- fied that a pressure transducer based on FBG technology can detect and monitor the patient’s heartbeat.

Le fibre ottiche con incisi sensori a reticolo di Bragg (FBG) possono es- sere sfruttate per ottenere misurazioni di deformazione, temperatura, e pressione. In questo lavoro di tesi è stato sviluppato un trasduttore di pressione basato su sensori FBG da impiegare nella terapia compressiva di pazienti affetti da linfedema. Lo scopo della membrana sviluppata è la rilevazione della fluttuazione locale di pressione associata alla variazione della lunghezza d’onda indotta dalla deformazione nel sensore FBG. Il trasduttore di pressione è stato realizzato in due fasi distinte. La fibra ottica è inserita in un nucleo forato in fibra di vetro in modo tale che il sensore FBG sia posizionato in corrispondenza del foro. Successiva- mente, un silicone biocompatibile è colato per ottenere lo strato esterno della membrana, con il foro riempito dall’elastomero che presenta una specifica geometria. La sottile membrana finale prodotta è il risultato di una serie di prototipi in cui il processo di produzione è stato modificato per garantire le migliori caratteristiche per applicazioni biomediche. Par- allelamente, è stato studiato un modello agli elementi finiti della parte sensibile utilizzando Abaqus CAE per trovare una geometria che mas- simizzasse la sensibilità del sensore e garantisse una risposta lineare. I test di calibrazione del sensore in diverse condizioni sono stati la prima analisi effettuata per valutare la risposta della membrana all’applicazione di una pressione nota. Infine, il comportamento della membrana è stato testato sia su un arto fittizio che durante un bendaggio in vivo. I risultati ottenuti sono incoraggianti, poiché il sensore risponde con spostamenti proporzionali della lunghezza d’onda all’aumentare della pressione es- ercitata. È stato inoltre verificato che un trasduttore di pressione basato sulla tecnologia FBG rileva il battito cardiaco del paziente.