Innovative micro-NMR/MRI functionality utilizing flexible electronics and control systems

Das zentrale Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung und Integration von flexibler Elektronik für Mikro-Magnetresonanz (MR)-Anwendungen. Zwei wichtige Anwendungen wurden in der Dissertation behandelt; eine Anwendung auf dem Gebiet der Magnetresonanztomographie (MRI) und die andere auf dem Gebiet der Kernspinresonanz (NMR). Die MRI-Anwendung konzentriert sich auf die Lösung der Sicherheits- und Zuverlässigkeitsaspekte von MR-Kathetern. Die NMR-Anwendung stellt einen neuartigen Ansatz zur Steigerung des Durchsatzes bei der NMR-Spektroskopie vor. Der erste Teil der Dissertation behandelt die verschiedenen Technologien die zur Herstellung flexibler Elektronik auf der Mikroskala entwickelt wurden. Die behandelten MR-Anwendungen erfordern die Herstellung von Induktoren, Kondensatoren und Dioden auf flexiblen Substraten. Die erste Technologie, die im Rahmen der Mikrofabrikation behandelt wird, ist das Aufbringen einer leitfähigen Startschicht auf flexiblen Substraten. Es wurden verschiedene Techniken getestet und verglichen. Die entwickelte Technologie ermöglicht die Herstellung einer mehrschichtigen leitfähigen Struktur auf einem flexiblen Substrat (50 $\mu$m Dicke), die sich zum Umwickeln eines schlanken Rohres (>0,5 mm Durchmesser) eignet. Die zweite Methode ist der Tintenstrahldruck von Kondensatoren mit hoher Dichte und niedrigem Verlustkoeffizienten. Zwei dielektrische Tinten auf Polymerbasis wurden synthetisiert, durch die Dispersion von TiO$_2$ und BaTiO$_3$ in Benzocyclobuten (BCB) Polymer. Die im Tintenstrahldruckverfahren hergestellten Kondensatoren zeigen eine relativ hohe Kapazität pro Flächeneinheit von bis zu 69 pFmm$^{-2}$ und erreichen dabei einen Qualitätsfaktor (Q) von etwa 100. Außerdem wurde eine Technik für eine tintenstrahlgedruckte gleichrichtende Schottky-Diode entwickelt. Die letzte behandelte Technologie ist die Galvanisierung der leitenden Startschichten. Die Galvanik ist eine gut erforschte Technologie und ein sehr wichtiger Prozess auf dem Gebiet der Mikrofabrikation. Sie ist jedoch in hohem Maße von der Erfahrung des Bedieners abhängig. Darüber hinaus ist eine präzise Steuerung der Galvanikleistung erforderlich, insbesondere bei der Herstellung kleiner Strukturen, wobei sich die Pulsgalvanik als ein Verfahren erwiesen hat, das ein hohes Maß an Kontrolle über die abgeschiedene Struktur bietet. In diesem Zusammenhang wurde eine hochflexible Stromquelle auf Basis einer Mikrocontroller-Einheit entwickelt, um Genauigkeit in die Erstellung optimaler Galvanikrezepte zu bringen. Die Stromquelle wurde auf Basis einer modifizierten Howland-Stromquelle (MHCS) unter Verwendung eines Hochleistungs-Operationsverstärkers (OPAMP) aufgebaut. Die Stromquelle wurde validiert und verifiziert, und ihre hohe Leistungsfähigkeit wurde durch die Durchführung einiger schwieriger Anwendungen demonstriert, von denen die wichtigste die Verbesserung der Haftung der im Tintenstrahldruckverfahren gedruckten Startschicht auf flexiblen Substraten ist. Der zweite Teil der Dissertation befasst sich mit interventioneller MRT mittels MR-Katheter. MR-Katheter haben potenziell einen erheblichen Einfluss auf den Bereich der minimalinvasiven medizinischen Eingriffe. Implantierte längliche Übertragungsleiter und Detektorspulen wirken wie eine Antenne und koppeln sich an das MR-Hochfrequenz (HF)-Sendefeld an und machen so den Katheter während des Einsatzes in einem MRT-Scanner sichtbar. Durch diese Kopplung können sich die Leiter jedoch erhitzen, was zu einer gefährlichen Erwärmung des Gewebes führt und eine breite Anwendung dieser Technologie bisher verhindert hat. Ein alternativer Ansatz besteht darin, einen Resonator an der Katheterspitze induktive mit einer Oberflächenspule außerhalb des Körpers zu koppeln. Allerdings könnte sich auch dieser Mikroresonator an der Katheterspitze während der Anregungsphase erwärmen. Außerdem ändert sich die Sichtbarkeit der Katheterspitze, wenn sich die axiale Ausrichtung des Katheters während der Bewegung ändert, und kann verloren gehen, wenn die Magnetfelder des drahtlosen Resonators und der externen Spule orthogonal sind. In diesem Beitrag wird die Abstimmkapazität des Mikrodetektors des Katheters drahtlos über eine Impulsfolgensteuerung gesteuert, die an einen HF-Abstimmkreis gesendet wird, der in eine Detektorspule integriert ist. Der integrierte Schaltkreis erzeugt Gleichstrom aus dem übertragenen HF Signal zur Steuerung der Kapazität aus der Ferne, wodurch ein intelligenter eingebetteter abstimmbarer Detektor an der Katheterspitze entsteht. Während der HF-Übertragung erfolgt die Entkopplung durch eine Feinabstimmung der Detektorbetriebsfrequenz weg von der Larmor-Frequenz. Zusätzlich wird ein neuartiges Detektordesign eingeführt, das auf zwei senkrecht ausgerichteten Mikro-Saddle-Spulen basiert, die eine konstante Sichtbarkeit des Katheters für den gesamten Bereich der axialen Ausrichtungen ohne toten Winkel gewährleisten. Das System wurde experimentell in einem 1T MRT-Scanner verifiziert. Der dritte Teil der Dissertation befasst sich mit dem Durchsatz von NMR-Spektroskopie. Flussbasierte NMR ist eine vielversprechende Technik zur Verbesserung des NMR-Durchsatzes. Eine häufige Herausforderung ist jedoch das relativ große Totvolumen im Schlauch, der den NMR-Detektor speist. In diesem Beitrag wird ein neuartiger Ansatz für vollautomatische NMR-Spektroskopie mit hohem Durchsatz und verbesserter Massensensitivität vorgestellt. Der entwickelte Ansatz wird durch die Nutzung von Mikrofluidik-Technologien in Kombination mit Dünnfilm-Mikro-NMR-Detektoren verwirklicht. Es wurde ein passender NMR-Sensor mit einem mikrofluidischen System entwickelt, das Folgendes umfasst: i) einen Mikro-Sattel-Detektor für die NMR-Spektroskopie und ii) ein Paar Durchflusssensoren, die den NMR-Detektor flankieren und an eine Mikrocontrollereinheit angeschlossen sind. Ein mikrofluidischer Schlauch wird verwendet, um eine Probenserie durch den Sondenkopf zu transportieren, die einzelnen Probenbereiche sind durch eine nicht mischbare Flüssigkeit getrennt, das System erlaubt im Prinzip eine unbegrenzte Anzahl an Proben. Das entwickelte System verfolgt die Position und Geschwindigkeit der Proben in diesem zweiphasigen Fluss und synchronisiert die NMR-Akquisition. Der entwickelte kundenspezifische Sondenkopf ist Plug-and-Play-fähig mit marktüblichen NMR-Systemen. Das System wurde erfolgreich zur Automatisierung von flussbasierten NMR-Messungen in einem 500 MHz NMR-System eingesetzt. Der entwickelte Mikro-NMR-Detektor ermöglicht hochauflösende Spektroskopie mit einer NMR-Empfindlichkeit von 2,18 nmol s$^{1/2}$ bei Betrieb der Durchflusssensoren. Die Durchflusssensoren wiesen eine hohe Empfindlichkeit bis zu einem absoluten Unterschied von 0,2 in der relativen Permittivität auf, was eine Differenzierung zwischen den meisten gängigen Lösungsmitteln ermöglichte. Es wurde gezeigt, dass eine vollautomatische NMR-Spektroskopie von neun verschiedenen 120 $\mu$L Proben innerhalb von 3,6 min oder effektiv 15,3 s pro Probe erreicht werden konnte

Surgical Instruments based on flexible micro-electronics

This dissertation explores strategies to create micro-scale tools with integrated electronic and mechanical functionalities. Recently developed approaches to control the shape of flexible micro-structures are employed to fabricate micro-electronic instruments that embed components for sensing and actuation, aiming to expand the toolkit of minimally invasive surgery. This thesis proposes two distinct types of devices that might expand the boundaries of modern surgical interventions and enable new bio-medical applications. First, an electronically integrated micro-catheter is developed. Electronic components for sensing and actuation are embedded into the catheter wall through an alternative fabrication paradigm that takes advantage of a self-rolling polymeric thin-film system. With a diameter of only 0.1 mm, the catheter is capable of delivering fluids in a highly targeted fashion, comprises actuated opposing digits for the efficient manipulation of microscopic objects, and a magnetic sensor for navigation. Employing a specially conceived approach for position tracking, navigation with a high resolution below 0.1 mm is achieved. The fundamental functionalities and mechanical properties of this instrument are evaluated in artificial model environments and ex vivo tissues. The second development explores reshapeable micro-electronic devices. These systems integrate conductive polymer actuators and strain or magnetic sensors to adjust their shape through feedback-driven closed loop control and mechanically interact with their environment. Due to their inherent flexibility and integrated sensory capabilities, these devices are well suited to interface with and manipulate sensitive biological tissues, as demonstrated with an ex vivo nerve bundle, and may facilitate new interventions in neural surgery.:List of Abbreviations 1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Objectives and structure of this dissertation 2 Background 2.1 Tools for minimally invasive surgery 2.1.1 Catheters 2.1.2 Tools for robotic micro-surgery 2.1.3 Flexible electronics for smart surgical tools 2.2 Platforms for shapeable electronics 2.2.1 Shapeable polymer composites 2.2.2 Shapeable electronics 2.2.3 Soft actuators and manipulators 2.3 Sensors for position and shape feedback 2.3.1 Magnetic sensors for position and orientation measurements 2.3.2 Strain gauge sensors 3 Materials and Methods 3.1 Materials for shapeable electronics 3.1.1 Metal-organic sacrificial layer 3.1.2 Polyimide as reinforcing material 3.1.3 Swelling hydrogel for self assembly 3.1.4 Polypyrrole for flexible micro actuators 3.2 Device fabrication techniques 3.2.1 Photolithography 3.2.2 Electron beam deposition 3.2.3 Sputter deposition 3.2.4 Atomic layer deposition 3.2.5 Electro-polymerization of polypyrrole 3.3 Device characterization techniques 3.3.1 Kerr magnetometry 3.3.2 Electro-magnetic characterization of sensors 3.3.3 Electro-chemical analysis of polypyrrole 3.3.4 Preparation of model environments and materials 3.4 Sensor signal evaluation and processing 3.4.1 Signal processing 3.4.2 Cross correlation for phase analysis 3.4.3 PID feedback control 4 Electronically Integrated Self Assembled Micro Catheters 4.1 Design and Fabrication 4.1.1 Fabrication and self assembly 4.1.2 Features and design considerations 4.1.3 Electronic and fluidic connections 4.2 Integrated features and functionalities 4.2.1 Fluidic transport 4.2.2 Bending stability 4.2.3 Actuated micro manipulator 4.3 Magnetic position tracking 4.3.1 Integrated magnetic sensor 4.3.2 Position control with sensor feedback 4.3.3 Introduction of magnetic phase encoded tracking 4.3.4 Experimental realization 4.3.5 Simultaneous magnetic and ultrasound tracking 4.3.6 Discussion, limitations, and perspectives 5 Reshapeable Micro Electronic Devices 5.1 Design and fabrication 5.1.1 Estimation of optimal fabrication parameters 5.1.2 Device Fabrication 5.1.3 Control electronics and software 5.2 Performance of Actuators 5.2.1 Blocking force, speed, and durability 5.2.2 Curvature 5.3 Orientation control with magnetic sensors 5.3.1 Magnetic sensors on actuated device 5.3.2 Reference magnetic field 5.3.3 Feedback control 5.4 Shape control with integrated strain sensors 5.4.1 Strain gauge curvature sensors 5.4.2 Feedback control 5.4.3 Obstacle detection 5.5 Heterogenous integration with active electronics 5.5.1 Fabrication and properties of active matrices 5.5.2 Fabrication and operation of PPy actuators 5.5.3 Site selective actuation 6 Discussion and Outlook 6.1 Integrated self assembled catheters 6.1.1 Outlook 6.2 Reshapeable micro electronic devices 6.2.1 Outlook 7 Conclusion Appendix A1 Processing parameters for polymer stack layers A2 Derivation of magnetic phase profile in 3D Bibliography List of Figures and Tables Acknowledgements Theses List of Publication

A Digital Manufacturing Process For Three-Dimensional Electronics

Additive manufacturing (AM) offers the ability to produce devices with a degree of three-dimensional complexity and mass customisation previously unachievable with subtractive and formative approaches. These benefits have not transitioned into the production of commercial electronics that still rely on planar, template-driven manufacturing, which prevents them from being tailored to the end user or exploiting conformal circuitry for miniaturisation. Research into the AM fabrication of 3D electronics has been demonstrated; however, because of material restrictions, the durability and electrical conductivity of such devices was often limited. This thesis presents a novel manufacturing approach that hybridises the AM of polyetherimide (PEI) with chemical modification and selective light-based synthesis of silver nanoparticles to produce 3D electronic systems. The resulting nanoparticles act as a seed site for the electroless deposition of copper. The use of high-performance materials for both the conductive and dielectric elements created devices with the performance required for real-world applications. For printing PEI, a low-cost fused filament fabrication (FFF); also known as fused deposition modelling (FDM), printer with a unique inverted design was developed. The orientation of the printer traps hot air within a heated build environment that is open on its underside allowing the print head to deposit the polymer while keeping the sensitive components outside. The maximum achievable temperature was 120 °C and was found to reduce the degree of warping and the ultimate tensile strength of printed parts. The dimensional accuracy was, on average, within 0.05 mm of a benchmark printer and fine control over the layer thickness led to the discovery of flexible substrates that can be directly integrated into rigid parts. Chemical modification of the printed PEI was used to embed ionic silver into the polymer chain, sensitising it to patterning with a 405 nm laser. The rig used for patterning was a re-purposed vat-photopolymerisation printer that uses a galvanometer to guide the beam that is focused to a spot size of 155 µm at the focal plane. The positioning of the laser spot was controlled with an open-sourced version of the printers slicing software. The optimal laser patterning parameters were experimentally validated and a link between area-related energy density and the quality of the copper deposition was found. In tests where samples were exposed to more than 2.55 J/cm^2, degradation of the polymer was experienced which produced blistering and delamination of the copper. Less than 2.34 J/cm^2 also had negative effect and resulted in incomplete coverage of the patterned area. The minimum feature resolution produced by the patterning setup was 301 µm; however, tests with a photomask demonstrated features an order of magnitude smaller. The non-contact approach was also used to produce conformal patterns over sloped and curved surfaces. Characterisation of the copper deposits found an average thickness of 559 nm and a conductivity of 3.81 × 107 S/m. Tape peel and bend fatigue testing showed that the copper was ductile and adhered well to the PEI, with flexible electronic samples demonstrating over 50,000 cycles at a minimum bend radius of 6.59 mm without failure. Additionally, the PEI and copper combination was shown to survive a solder reflow with peak temperatures of 249°C. Using a robotic pick and place system a test board was automatically populated with surface mount components as small as 0201 resistors which were affixed using high-temperature, Type-V Tin-Silver-Copper solder paste. Finally, to prove the process a range of functional demonstrators were built and evaluated. These included a functional timer circuit, inductive wireless power coils compatible with two existing standards, a cylindrical RF antenna capable of operating at several frequencies below 10 GHz, flexible positional sensors, and multi-mode shape memory alloy actuators

Lab-on-PCB Devices

Lab-on-PCB devices can be considered an emerging technology. In fact, most of the contributions have been published during the last 5 years. It is mainly focussed on both biomedical and electronic applications. The book includes an interesting guide for using the different layers of the Printed Circuit Boards for developing new devices; guidelines for fabricating PCB-based electrochemical biosensors, and an overview of fluid manipulation devices fabricated using Printed Circuit Boards. In addition, current PCB-based devices are reported, and studies for several aspects of research and development of lab-on-PCB devices are described

Advanced Sensors for Real-Time Monitoring Applications

It is impossible to imagine the modern world without sensors, or without real-time information about almost everything—from local temperature to material composition and health parameters. We sense, measure, and process data and act accordingly all the time. In fact, real-time monitoring and information is key to a successful business, an assistant in life-saving decisions that healthcare professionals make, and a tool in research that could revolutionize the future. To ensure that sensors address the rapidly developing needs of various areas of our lives and activities, scientists, researchers, manufacturers, and end-users have established an efficient dialogue so that the newest technological achievements in all aspects of real-time sensing can be implemented for the benefit of the wider community. This book documents some of the results of such a dialogue and reports on advances in sensors and sensor systems for existing and emerging real-time monitoring applications

The 3rd International Conference on the Challenges, Opportunities, Innovations and Applications in Electronic Textiles

This reprint is a collection of papers from the E-Textiles 2021 Conference and represents the state-of-the-art from both academia and industry in the development of smart fabrics that incorporate electronic and sensing functionality. The reprint presents a wide range of applications of the technology including wearable textile devices for healthcare applications such as respiratory monitoring and functional electrical stimulation. Manufacturing approaches include printed smart materials, knitted e-textiles and flexible electronic circuit assembly within fabrics and garments. E-textile sustainability, a key future requirement for the technology, is also considered. Supplying power is a constant challenge for all wireless wearable technologies and the collection includes papers on triboelectric energy harvesting and textile-based water-activated batteries. Finally, the application of textiles antennas in both sensing and 5G wireless communications is demonstrated, where different antenna designs and their response to stimuli are presented

Magnetic DNA detection sensor for point-of-care diagnostics

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University LondonThis thesis focuses on inductive base sensor design at MHz range frequency. The background theory, design, experiments and results for a new magnetic particles sensor is presented. A new magnetic sensor based on a planar coil was investigated for DNA pathogen detection. Change in inductance of the planar coil due to the presence of magnetic particles with varying mass was measured. The experimental set-up consisted of different sized planar coil with associated electronics for inductance measurements. The best sensor performance was accomplished using two different inductors while oscillating at frequencies 2.4MHz using 9.5μH inductor and 7.2MHz with 85μH inductor. The sensor has very large signal to noise ratio (580×103), while the average amount of frequency drift was 0.58. This sensor was tested with various types of magnetic particles. In addition, iron-oxide nanoparticles were synthesized through water in oil microemulsion method and with an average size of 25nm. The best sensitivity achieved for detection of 50μg iron-oxide particles was with the bead size of 10nm. 81Hz frequency shift was attained in regard to that amount of particles. This research shows that increasing the resonance frequency to 7.2MHz can cause the larger output signal difference (frequency shift) in the presence of magnetic particles; however, the sensor stability is the most important factor for determining the detection resolution and sensitivity. The sensitivity is better if the sensor can detect smaller amount of magnetic sample. The results of this research demonstrate that while the sample consists of smaller size particles, the sensor can detect the lower amount of sample. This is due to the heating effect of nanoparticles. On the other hand the sample distance from the sensor has a major impact on the sensitivity too; the shorter the distance, the higher the sensitivity. This technique can potentially be extended to detect several different types of bacterial pathogens and can be modified for multiplex quantitative detection. This sensing technique will be incorporated into a handheld, disposable microfluidic chip for point-of-care diagnostics for sexually transmitted diseases. Key words: Point of care diagnostics, Magnetic particle Detection, Molecular detection, Inductive sensin