Manufatura aditiva no fabrico de células de vapor de metal alcalino para magnetoencefalografia

Abstract

The magnetoencephalography (MEG) exam is one of the technologies that allows the mapping of brain electrophysiology by recording magnetic fields emanating from the brain. In this technology, the main sensing technology is based on superconducting quantum interference devices (SQUIDs). These bulky devices are expensive to manufacture and maintain, and therefore, optical pumping magnetometers (OPMs) have emerged more recently as magnetic sensing alternatives that are comparable in sensitivity to SQUIDs. The ability to adjust to the patient's head allows us to conceptualize the development of a structure based on this technology, formed by several rubidium (Rb) cells, which is the main component of OPMs. This master's dissertation had as its main objective the development of a Rb vapor cell, through additive manufacturing (AM) techniques, in order to obtain an alternative to the techniques of microelectromechanical systems (MEMS). In the modeling technology by deposition of molten material (FDM), nylon was selected to make up the vapor cell and thermoplastic polyurethane (TPU) to serve as a support structure, while in the AM technology by photopolymerization, a transparent resin. Several iterations of cell design and printing parameters were performed for each material, resulting in a cubic cell measuring 10mm on each edge and with a wall thickness of 0.40mm. The present dissertation also evaluated the effect of the application of various coatings (alumina, sodium silicate and acrylic) on the transmittance and polarization of light, as well as its effect on the tightness of the cell. These tests resulted in a final cell coated externally with acrylic and internally with alumina. Regarding the production of Rb vapour, it was necessary to obtain rubidium azide (RbN3) from the reaction between silver azide (AgN3) and rubidium chloride (RbCl). The introduction of the RbN3 solution into the cell was carried out through a pipetting procedure followed by evaporation of the water. The cell was finally introduced into a vacuum chamber and sealed. The production of Rb vapor was performed by exposing the cell with RbN3 to 254 nm ultraviolet (UV) radiation. The work developed in this dissertation establishes relevant foundations in the development of OPMs by MA.

O exame de magnetoencefalografia (MEG) é umas das tecnologias que permite realizar o mapeamento da eletrofisiologia cerebral através do registo de campos magnéticos emanados pelo cérebro. Neste método de diagnóstico a principal tecnologia de sensorização baseia-se nos dispositivos supercondutores de interferência quântica (SQUIDs). Estes dispositivos são volumosos, apresentam um custo de fabrico e manutenção elevados e portanto, os magnetómetros de bombeamento ótico (OPMs) surgem mais recentemente como alternativas de sensorização magnética equiparáveis em sensibilidade aos SQUIDs. A capacidade de ajuste à cabeça do paciente permite conceptualizar o desenvolvimento de uma estrutura baseada nesta tecnologia, formada por várias células de rubídio (Rb), que constitui a principal componente dos OPMs. A presente dissertação de mestrado teve como objetivo principal o desenvolvimento de uma célula de vapor de Rb, através de manufatura aditiva (MA), de forma a obter uma alternativa às técnicas de sistemas microeletromecânicos (MEMS). Na MA de modelação por deposição de material fundido (FDM) selecionou-se o nylon, para perfazer a célula de vapor e o termoplástico poliuretano (TPU), para servir de estrutura de suporte, já na tecnologia de MA por fotopolimerização selecionou-se uma resina transparente. Realizaram-se varias iterações de design da célula e dos parâmetros de impressão de cada material, resultando numa célula cubica de com 10 mm em cada aresta e com 0.40 mm de espessura de parede. A presente dissertação também avaliou o efeito da aplicação de vários revestimentos (alumina, silicato de sódio e acrílico) na transmitância e na polarização da luz, bem o seu efeito na estanquicidade da célula. Este testes resultaram numa célula final revestida externamente com acrílico e internamente com alumina. No que toca à produção de vapor de Rb, foi necessário obter azida de rubídio (RbN3) da reação entre azida de prata (AgN3) com cloreto de rubídio (RbCl). A introdução da solução de RbN3 na célula foi realizada através de um procedimento de pipetação seguida da evaporação da água. A célula foi finalmente introduzida numa câmara de vácuo e selada. A produção de vapor de Rb foi realizada através da exposição da célula com RbN3 a radiação ultravioleta (UV) de 254 nm. O trabalho desenvolvido nesta dissertação estabelece alicerces pertinentes no desenvolvimento de OPMs por MA.