Theoretical analysis and simulations on the development of an ultrasonic biosensor for the detection of arterial rupture

Abstract

An aneurysm is a disease related to an artery's distention, which is caused by prolonged high blood pressures and the high elasticity in the artery wall. There are usually no symptoms associated with this disease. However, a long-term aneurysm can be fatal and dangerous, which leads to life-threatening internal bleeding. When an aneurysm is detected in a patient, the best approach to counter this disease is by adding a stent to an artery. The stent insertion may be rather straight-forward for young patients but may pose vital risks for older people. Therefore, it may be best to wait for the surgery until the artery starts rupturing. The waiting period depends on the patient's condition and may vary for each patient from months to several years. When the artery starts rupturing, the stent procedure should be applied since the vital risk is unavoidable. This research has developed a sensor design that can detect this last possible moment when the artery starts rupturing. This sensor will delay the risks related to a coronary artery stent's insertion, giving the maximum possible time to prevent the surgical procedure. When this sensor is fully implemented, the artery rupture can be detected early, and mortality can be prevented, providing a longer, surgery-free, and comfortable life to a patient. This device is envisioned to be placed on the skin aligned with the aneurysm location. The signals received and processed by this sensor will be different for each rupture size, which will provide an idea about rupture size so that the doctor can proceed according to the situations mentioned above. The sensor design was developed on the COMSOL and simulated for different frequency values to detect the artery rupture. A significant difference between the frequency spectrums of the normal and ruptured artery's ultrasonic echoes was observed. Based on the results, a piezoelectric transducer geometry was designed to send and receive ultrasonic signals at an MHz range frequency. Necessary fabrication procedures to manufacture the device were determined.

Anevrizma, uzun süreli yüksek tansiyon ve arter duvarındaki yüksek elastikiyetin neden olduğu, arterin şişmesi ile ilgili bir hastalıktır. Genellikle bu hastalıkla ilişkili hiçbir belirti yoktur. Bununla birlikte, uzun süreli bir anevrizma ölümcül ve tehlikeli olabilir ve bu da hayatı tehdit eden iç kanamaya yol açar. Bir hastada bir anevrizma tespit edildiğinde, bu hastalığa karşı koymak için en iyi yaklaşım, bir artere stent eklemektir. Stent yerleştirilmesi genç hastalar için oldukça basit olabilir ancak yaşlı insanlar için hayati riskler oluşturabilir. Bu nedenle, atardamar yırtılmaya başlayana kadar ameliyatı beklemek en iyisi olabilir. Bekleme süresi hastanın durumuna bağlıdır ve her hasta için aylardan birkaç yıla kadar değişebilir. Arter yırtılmaya başladığında hayati risk kaçınılmaz olduğundan stent işlemi uygulanmalıdır. Bu araştırma kapsamında, arterin yırtılmaya başladığı bu olası son anı tespit edebilen bir sensör tasarımı geliştirdi. Bu sensör, koroner arter stentinin yerleştirilmesiyle ilgili riskleri geciktirerek cerrahi prosedürü önlemek için hastalara mümkün olan maksimum süreyi tanır. Bu sensör tam olarak uygulandığında, arter yırtılması erken tespit edilebilir ve mortalite önlenebilir, hastaya daha uzun, ameliyatsız ve konforlu bir yaşam sağlanır. Bu cihazın anevrizma yeri ile aynı hizada cilt üzerine yerleştirilmesi öngörülmüştür. Sensör tarafından alınan ve işlenen sinyaller, her yırtılma boyutu için farklı olacak, bu da doktorun yukarıda belirtilen durumlara göre ilerleyebilmesi için yırtılma boyutu hakkında fikir verecektir. Sensör tasarımı COMSOL üzerinde uygulanmış ve arter yırtılmasını tespit etmek için farklı frekans değerleri için simüle edilmiştir. Normal ve yırtılmış arterin ultrasonik ekolarının frekans spektrumları arasında önemli bir fark gözlemlenmiştir. Sonuçlara dayanarak, bir piezoelektrik dönüştürücü geometrisi, 10 MHz frekansında ultrasonik sinyaller göndermek ve almak için tasarlanmıştır. Cihazın üretimi için gerekli üretim prosedürleri belirlenmiştir.