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Thesis etd-04062024-120836


Thesis type
Tesi di dottorato di ricerca
Author
GASPERINI, DANIELA
URN
etd-04062024-120836
Thesis title
Additive Manufacturing Implementation of Metasurface Matching Layers to Enhance Signal Transmission in Biomedical Applications
Academic discipline
ING-INF/02
Course of study
INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE
Supervisors
tutor Prof. Manara, Giuliano
tutor Prof. Genovesi, Simone
tutor Prof. Costa, Filippo
Keywords
  • additive manufacturing
  • matching layers
  • metasurface matching layer
  • wireless pressure sensor
  • wireless technologies
Graduation session start date
17/04/2024
Availability
Withheld
Release date
17/04/2027
Summary
La presente tesi di dottorato esplora la propagazione delle onde elettromagnetiche nei tessuti biologici e in strutture complesse, concentrandosi sul potenziale dell' Additive Manufacturing (AM) per le tecnologie wireless. L'accento è posto sui dispositivi di adattamento di impedenza (matching layers) per migliorare la trasmissione di campo elettrico in applicazioni biomediche. Lo studio sviluppa e convalida una procedura per il design dei matching layers utilizzando metodi analitici e simulazioni numeriche. Vengono considerati due tipi di matching layers: uno composto solo da un dielettrico, e l'altro che consiste in un dielettrico ed una metasurface. L'introduzione di una metasurface riduce lo spessore totale dello strato di adattamento, migliorando il comfort dell'utente finale nelle applicazioni pratiche. La validazione sperimentale consiste in un apparato per la valutazione del campo elettrico all'interno di un fantoccio liquido che simula il tessuto muscolare. Le tecniche di AM vengono utilizzate nella realizzazione dei substrati dielettrici per entrambi i tipi di matching layers. Inoltre, l'AM è utilizzata nello sviluppo di un sensore di pressione, dove le variazioni di pressione sono determinate in base alla risposta in frequenza di un'antenna incorporata nel sensore stesso. Sono inoltre stati considerati due polimeri con proprietà meccaniche diverse per la realizzazione del sensore.

This dissertation explores electromagnetic wave propagation in biological tissues and complex materials, highlighting the potential of Additive Manufacturing (AM) in advancing wireless technologies. Particular emphasis is given to devices that can realize impedance matching (matching layers) for enhancing the transmission of electric field in biomedical applications. The study develops and validates a procedure for matching layer design using analytical methods and numerical simulations. Two types of matching layers are considered: one consisting of a dielectric only, the other of a dielectric and a metasurface. The introduction of a metasurface reduces the total thickness of the matching layer, enhancing end-user comfort in practical applications. Experimental validation involves the realization of a system to measure the electric field within a liquid phantom mimicking muscle tissue. Additive Manufacturing techniques are also employed to realize the dielectric substrates for both matching layers. Furthermore, AM is utilized in the development of a pressure sensor, where pressure changes are determined based on the frequency response of an embedded antenna. Two different polymers with different mechanical properties are investigated for sensor development.
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