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TWI811092B - 具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片 - Google Patents

具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片 Download PDF

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TWI811092B
TWI811092B TW111133716A TW111133716A TWI811092B TW I811092 B TWI811092 B TW I811092B TW 111133716 A TW111133716 A TW 111133716A TW 111133716 A TW111133716 A TW 111133716A TW I811092 B TWI811092 B TW I811092B
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郭文正
吳祥宇
洪崧成
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國立高雄科技大學
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Abstract

一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片，係以半導體製程 製作形成，其包括：基底層，其為高分子材料，具有可撓性，更包括第一配置區及第二配置區，於第一配置區及第二配置區間的假想折疊線位置，將基底層折疊，使第一配置區位於第二配置區上方；第一電極區，沉積於第一配置區上；第二電極區，沉積於第二配置區上，對應於第一電極區位置下方，用以取得壓力感測值；電感線圈，沉積於第二配置區上，並圍繞於第二電極區四周；以及電容層，塗布於基底層表面上方，用以形成介電質。

Description

具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片
本發明是有關於一種植入式旋轉肌袖縫補用墊片，特別是關於一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片，其主要為利用可撓式特性，可貼附在各種旋轉肌袖縫補用上，進行所受壓力的量測。
旋轉肌袖為肌腱結構，覆蓋在肩關節上，專門負責肩關節的旋轉，但會因為年老退化、車禍創傷等多重因素，造成旋轉肌袖破裂，尤其80歲以上的老年人，有較大機率出現此狀況。而在治療上常見的為肩關節鏡手術的肌袖縫補手術，其利用縫線織成網狀，將破裂的肌腱覆蓋，使得肌腱與骨骼貼合，但是此手術的縫線壓力都是靠醫生的主觀判斷，無法客觀的去判斷壓力值，手術後協助復健的復健師也無科學化數據可以來做最好的治療，容易導致復發。
因此，需要在這樣的手術中提供一種壓力感測的方式，一般而言，壓力量測的原理與方法有許多種，針對應用於不同領堿或不同需求，會有許多不同的設計方法。但我們可以知道的是，在現今大多數的壓力感測器都只設計用於低壓區，無法使用於旋轉肌袖這樣的高壓區，因此需要一種通過一系 列測試，且專為體內應用而設計的感測器，如生物相容性和可靠性測試而用作醫療設備，必需為生物相容，且兼容於高壓量測的壓力感測器，則有其需求的必要性。
本發明提供一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片，為用於旋轉肌袖縫補用高壓區的壓力感測器，且特別是用於旋轉肌袖，其可以透過可撓的特性，使壓力感測器可以植入於不平整之旋轉肌袖縫補用上，進行壓力量測。
本發明的一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片，其包括：一壓力感測單元，係以半導體製程製作形成，包括：一基底層，其為高分子材料，具有可撓性；一電極層，沉積於該基底層上，其中該電極層更包括：一第一電極區；一第二電極區；以及一電感線圈區，圍繞於該第二電極區四周，其中該第一電極區及該第二電極區，透過該電感線圈區相互連結；以及一電容層，塗布於該基底層以及該電極層上方，用以形成一介電質；以及一整合墊片，於該壓力感測單元相互貼合，具有複數個縫線鑽孔；其中，該基底層更具有一折線，透過將該基底層折疊後，形成該壓力感測單元。
在本發明之一實施例中，上述之第一電極區、該第二電極區以及該電感線圈同時沉積於該基底層，透過微影與蝕刻製程形成。
在本發明之一實施例中，上述之基底層為但不限於一柔性聚對二甲苯(Parylene)、一聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)、一聚丙二醇二甲基丙烯酸酯(propylene glycol diacrylate，PPGDA)、一聚二甲基矽氧烷 (polydimethylsiloxane，PDMS)、一聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate)，PMMA)、一聚甲基丙烯酸羥乙酯(poly(hydroxyethyl methacrylate)，PHEMA)等高分子基材。
在本發明之一實施例中，上述之柔性聚對二甲苯基材為一C型聚對二甲苯(Parylene C)、一D型聚對二甲苯(Parylene D)、一N型聚對二甲苯(Parylene N)其中之一或其組合。
在本發明之一實施例中，上述之第一電極區以及該第二電極區為一可撓金屬薄膜電極。
在本發明之一實施例中，將上述之基底層折疊後，形成ㄈ字型的該壓力感測單元。
在本發明之一實施例中，上述之第一電極區以及該第二電極區設置於上下相對應位置，形成一電極對，用以取得一感應電容。
在本發明之一實施例中，上述之電容層透過外部壓力改變，使該電極對間的該感應電容產生變化，用以取得該壓力感測值。
在本發明之一實施例中，上述之感應電容產生變化時，利用一LC電路震盪技術，使一共振頻率改變，用以計算出該壓力感測值。
在本發明之一實施例中，上述之壓力感測值利用一無線感應方式，透過一外部線圈與該電感線圈形成互感，用以取得該具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片的該壓力感測值。
在本發明之一實施例中，上述之電容層為一多孔聚二甲基矽氧烷薄膜。
本發明藉由柔性聚對二甲苯(Parylene)基材形成具有可撓性的基底，使具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片植入人體旋轉肌袖縫補用上，接著藉由多孔聚二甲基矽氧烷薄膜所形成的介電質取代目前所使用真空腔，可以簡化封裝設計，並改善傳統電容式壓力感測器僅能針對低壓區進行量測的缺點，並可L-C諧振電路無線感測的特性於外部來進行壓力偵測。
100:植入式旋轉肌袖縫補用墊片
110:壓力感測單元
111:基底層
1111:折線
112:電極層
1121:第一電極區
1122:第二電極區
1123:電感線圈區
1124:第二電感線圈區
113:電容層
120:整合墊片
121:縫線鑽孔
122:縫線
200:壓力感測單元
210:光阻層
220:基底層
221:鉻/金層
222:AZ-P4620光阻
230:電極層
240:電容層
250:聚對二甲苯層
310:外部感測線圈
圖1是根據本發明之一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片的示意圖。
圖2A是根據本發明之一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片的壓力感測單元示意圖。
圖2B是根據本發明之一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片的另一壓力感測單元示意圖。
圖3是根據本發明之一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片的壓力感測電路圖。
圖4是根據本發明之一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片製造方法中基底層的剖面圖。
圖5是根據本發明之一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片製造方法中電極層的剖面圖。
圖6是根據本發明之一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片製造方法中電容層的剖面圖。
圖7是根據本發明之一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片壓力感測單元折疊時的剖面圖。
圖8是根據本發明之一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片壓力感測單元的植入示意圖。
茲配合圖式將本發明實施例詳細說明如下，其所附圖式主要為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本發明之基本結構，因此在該等圖式中僅標示與本發明有關之元件，且所顯示之元件並非以實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態有可能更為複雜。
以下各實施例的說明是參考附加的圖式，用以例示本發明可據以實施的特定實施例。本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「內」、「外」、「側面」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本申請，而非用以限制本申請。另外，在說明書中，除非明確地描述為相反的，否則詞語“包括”將被理解為意指包括所述元件，但是不排除任何其它元件。
圖1是根據本發明之一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片的示意圖。在圖1中，一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片100，其包括：一壓力感測單元110，係以半導體製程製作形成，包括：一基底層(圖未示)，其為高分子材料，具有可撓性；一電極層(圖未 示)，沉積於該基底層上，其中該電極層更包括：一第一電極區(圖未示)；一第二電極區(圖未示)；以及一電感線圈區1123，圍繞於該第二電極區四周，其中該第一電極區及該第二電極區，透過該電感線圈區相互連結；以及一電容層(圖未示)，塗布於該基底層以及該電極層上方，用以形成一介電質；以及一整合墊片120，於該壓力感測單元110相互貼合，具有複數個縫線鑽孔121。
請同時參照圖2A及圖2B，圖2A是根據本發明之一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片的壓力感測單元示意圖；圖2B是根據本發明之一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片的另一壓力感測單元示意圖。在圖2A中，壓力感測單元110，係以半導體製程製作形成，包括：一基底層111，其為高分子材料，具有可撓性；一電極層112，沉積於該基底層111上，其中該電極層112更包括：一第一電極區1121；一第二電極區1122；以及單線圈設計的一電感線圈區1123，圍繞於該第二電極區1122四周，其中該第一電極區1121及該第二電極區1122，透過該電感線圈區1123相互連結；以及一電容層113，塗布於該基底層111以及該電極層112上方，用以形成一介電質；其中，該基底層111更具有一折線1111，透過將該基底層111折疊後，形成該壓力感測單元110。
於本實施例中，該第一電極區、該第二電極區以及該電感線圈同時沉積於該基底層，透過微影與蝕刻製程形成。
於本實施例中，該基底層為但不限於一柔性聚對二甲苯(Parylene)、一聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)、一聚丙二醇二甲基丙烯酸酯(propylene glycol diacrylate，PPGDA)、一聚二甲基矽氧烷 (polydimethylsiloxane，PDMS)、一聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate)，PMMA)、一聚甲基丙烯酸羥乙酯(poly(hydroxyethyl methacrylate)，PHEMA)等高分子基材。
其中，該柔性聚對二甲苯基材為一C型聚對二甲苯(Parylene C)、一D型聚對二甲苯(Parylene D)、一N型聚對二甲苯(Parylene N)其中之一或其組合。
於本實施例中，該第一電極區以及該第二電極區為一可撓金屬薄膜電極。
其中，將該基底層折疊後，形成ㄈ字型的該壓力感測單元。
於本實施例中，該第一電極區以及該第二電極區設置於上下相對應位置，形成一電極對，用以取得一感應電容。
其中，該電容層透過外部壓力改變，使該電極對間的該感應電容產生變化，用以取得該壓力感測值。
其中，該感應電容產生變化時，利用一LC電路震盪技術，使一共振頻率改變，用以計算出該壓力感測值。
於本實施例中，該壓力感測值利用一無線感應方式，透過一外部線圈與該電感線圈形成互感，用以取得該具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片的該壓力感測值。
其中，該電感線圈為複數圈數的疊加線圈。
於本實施例中，該電容層為一多孔聚二甲基矽氧烷(PDMS)薄膜。
如圖3B所示，在另一實施例中更包括雙線圈設計的一第二電感線圈區1124，圍繞於該第一電極區1121四周。
其中，單線圈設計的該電感線圈區1123，電感線圈數為3圈。
其中，雙線圈設計的該第二電感線圈區1124，電感線圈數為上下各3圈。
優選的，該單線圈設計及該雙線圈設計的電感線圈之電感線寬為200μm。
優選的，該單線圈設計及該雙線圈設計的電感線圈之電感線距為200μm。
優選的，該單線圈設計及該雙線圈設計的電感線圈之電容板寬度為3mm。
優選的，該單線圈設計及該雙線圈設計的電感線圈之電容板長度為3mm。
圖3是根據本發明之一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片的壓力感測電路圖。在圖3中，壓力感測單元透過一個外部感測線圈310(External Readout coil)與壓力感測單元110(Pressur sensor)形成互感(Mutual Inductance)，此法可以推斷出L-C諧振電路所傳遞出的共振頻率，且不需要提供額外電源，即可進行無線傳輸訊號的抓取。
於本實施例中，外部感測線圈與壓力感測單元組成之L-C諧振電路，當壓力感測單元置於外部感測線圈上時，兩線圈形成互感，壓力感測單元內之電感對於外部感測線圈等於一反射負載，因此可透過此模式來得知壓 力感測單元之共振頻，將壓力變化造成之共振頻之改變擷取出來，以讀取壓力變化之訊號。
於本實施例中，當電容板間距受壓後產生變化，電容的變化可表示為△C，而電容板間距初始值表示為
Figure 111133716-A0305-02-0011-2
，其受到外部應力產生改變的距離表示為△D，此時間距會變為
Figure 111133716-A0305-02-0011-3
，間距縮小，電容板的電容值會變大並且使共振頻fS發生變化，可以透過共振頻變化得知L-C諧振電路受到壓應力後間距的改變。
其中，電容板受壓後造成的電容變化量△C可由以下公式進行推導出：
Figure 111133716-A0305-02-0011-7
本發明具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片，其製造方法包括：首先，請參閱圖4，圖4是根據本發明之一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片製造方法中基底層的剖面圖。首先使基底層220沉積於光阻層210之上。
於本實施例中，該基底層為但不限於一柔性聚對二甲苯(Parylene)、一聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)、一聚丙二醇二甲基丙烯酸酯(propylene glycol diacrylate，PPGDA)、一聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)、一聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate)，PMMA)、一聚甲基丙烯酸羥乙酯(poly(hydroxyethyl methacrylate)，PHEMA)等高分子基材。
其中，該柔性聚對二甲苯基材為一C型聚對二甲苯(Parylene C)、一D型聚對二甲苯(Parylene D)、一N型聚對二甲苯(Parylene N)其中之一或其組合。
接著，請參閱圖5，圖5是根據本發明之一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片製造方法中電極層的剖面圖。先將鉻/金層221濺鍍於基底層220上，再將圖案化的AZ-P4620光阻222塗佈於鉻/金層221上，透過微影與蝕刻製程形成第一電極區、第二電容電極層第二電極區以及電感線圈的電極層230，並沉積於該基底層220之上。
於本實施例中，透過濺鍍鉻用以增加金與基底層間的附著力
接著，請參閱圖6，圖6是根據本發明之一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片製造方法中電容層的剖面圖。利用旋轉塗佈機將聚二甲基矽氧烷以及起泡劑預混合物，形成電容層240均勻塗佈於已完成的基底層220及電極層230上，並將光阻層移除。
於本實施例中，首先，在聚二甲基矽氧烷預聚物和固化劑中混合碳酸氫銨(NH4HCO3)粉末，接著，預聚物在90℃下烘烤1小時。
由於碳酸氫銨同時分解為氨、水和二氧化碳，因此在聚二甲基矽氧烷薄膜中形成空隙，產生多孔聚二甲基矽氧烷薄膜。
最後，請參閱圖7，圖7是根據本發明之一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片之壓力感測單元折疊時的剖面圖。摺疊完成後的該壓力感測單元200包括了該基底層220、該電極層230、以及電容層240，並利用一聚對二甲苯層250將該壓力感測單元200進行封裝。
封裝完成後的該壓力感測單元200與該整合墊片相互貼合，形成該具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片。
圖8是根據本發明之一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片壓力感測單元的植入示意圖。如圖8所示，該植入式旋轉肌袖縫補用墊片100透過縫線鑽孔121，將該縫線122縫合至旋轉肌袖縫補用上。
綜上所述，本具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片藉由柔性聚對二甲苯(Parylene)基材形成具有可撓性的基底，使具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片可植入於人體旋轉肌袖縫補用上，接著藉由多孔聚二甲基矽氧烷薄膜所形成的介電質取代目前所使用真空腔，可以簡化封裝設計，並改善傳統電容式壓力感測器僅能針對低壓區進行量測的缺點，並可L-C諧振電路無線感測的特性於外部來進行壓力偵測。
雖然本發明以前述實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，所作更動與潤飾之等效替換，仍為本發明之專利保護範圍內。
100:植入式旋轉肌袖縫補用墊片
110:壓力感測單元
120:整合墊片
121:縫線鑽孔

Claims (10)

  1. 一種具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片，其包括： 一壓力感測單元，係以半導體製程製作形成，包括： 一基底層，其為高分子材料，具有可撓性； 一電極層，沉積於該基底層上，其中該電極層更包括： 一第一電極區； 一第二電極區；以及 一電感線圈區，圍繞於該第二電極區四周，其中該第一電極區及該第二電極區，透過該電感線圈區相互連結；以及 一電容層，塗布於該基底層以及該電極層上方，用以形成一介電質；以及 一整合墊片，於該壓力感測單元相互貼合，具有複數個縫線鑽孔； 其中，該基底層更具有一折線，透過將該基底層折疊後，形成該壓力感測單元。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片，其中該基底層為一柔性聚對二甲苯(Parylene)基材。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片，其中該柔性聚對二甲苯基材為一C型聚對二甲苯(Parylene C)、一D型聚對二甲苯(Parylene D)、一N型聚對二甲苯(Parylene N)其中之一或其組合。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片，其中該第一電極區以及該第二電極區為一可撓金屬薄膜電極。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片，其中將該基底層折疊後，形成ㄈ字型的該壓力感測單元。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片，其中該第一電極區以及該第二電極區設置於上下相對應位置，形成一電極對，用以取得一感應電容。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片，其中該電容層透過外部壓力改變，使該電極對間的該感應電容產生變化，用以取得該壓力感測值。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片，其中該感應電容產生變化時，利用一LC電路震盪技術，使一共振頻率改變，用以計算出該壓力感測值。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片，其中該壓力感測值利用一無線感應方式，透過一外部線圈與該電感線圈形成互感，用以取得該具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片的該壓力感測值。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的具壓力感測的植入式旋轉肌袖縫補用墊片，其中該電容層為一多孔聚二甲基矽氧烷薄膜。
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