Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

بناء جهاز استشعار قابل للزرع بالمنظار يعمل لاسلكيا لمراقبة الرقم الحموضة مع جهاز استقبال قائم على ثنائي الثنائي صفر التحيز

Published: August 27, 2021 doi: 10.3791/62864
Automatic Translation
1, 1, 2, 3, 3
1Department of Medical Biophysics and Medical Informatics, Third Faculty of Medicine, Charles University, 2Department of General Surgery, Third Faculty of Medicine, Charles University, University Hospital Královské Vinohrady, 3Department of Internal Medicine, Third Faculty of Medicine, Charles University, University Hospital Královské Vinohrady

Summary

تقدم المخطوطة مستشعرا مصغرا لhh القابل للزرع مع إخراج لاسلكي مشروط ASK مع دائرة استقبال سلبية تماما استنادا إلى ثنائيات Schottky ذات التحيز الصفري. يمكن استخدام هذا الحل كأساس في تطوير أجهزة العلاج بالصدمات الكهربائية معايرتها في الجسم الحي ورصد الحموضة الإسعافية.

Abstract

رصد حموضة الإسعاف من الجزر المرضي هو فرصة لمراقبة العلاقة بين الأعراض والتعرض المريء إلى الجزر الحمضية أو غير الحمضية. تصف هذه الورقة طريقة لتطوير وتصنيع وزرع مستشعر PH مصغر مزود بتقنية اللاسلكية. تم تصميم جهاز الاستشعار ليتم زرعها بالمنظار مع مقطع واحد الهيموستاتيكي. كما يتم بناء واختبار جهاز استقبال سلبي بالكامل قائم على المستقيم يستند إلى صمام ثنائي Schottky صفر التحيز. ولبناء الجهاز، استخدمت لوحة دوائر مطبوعة من طبقتين ومكونات جاهزة. يتم استخدام وحدة تحكم مصغرة مع الأجهزة الطرفية التناظرية المتكاملة كواجهة أمامية تمثيلية لمستشعر الترانزستور (ISFET) الحساس للحقل الحساس لأيون وتوليد إشارة رقمية يتم إرسالها بشريحة إرسال مفتاح تحول السعة. يتم تشغيل الجهاز بواسطة خلية قلوية أساسية. يبلغ إجمالي حجم الجهاز القابل للزرع 0.6 سم3 ووزنه 1.2 جرام ، وتم التحقق من أدائه في نموذج الجسم الحي السابق (المريء والمعدة). بعد ذلك ، تم بناء جهاز استقبال سلبي صغير قائم على المستقيم يمكن دمجه بسهولة إما في جهاز استقبال خارجي أو المحفز العصبي القابل للزرع ، وثبت أنه يتلقى إشارة RF من الغرسة عندما يكون على مقربة (20 سم) منه. يوفر الحجم الصغير للمستشعر مراقبة مستمرة لhh مع الحد الأدنى من انسداد المريء. يمكن استخدام المستشعر في الممارسة السريرية الروتينية لرصد الحموضة المريسورة على مدار الساعة طوال 96 ساعة دون الحاجة إلى إدخال قسطرة أنفية. كما تتيح طبيعة "الطاقة الصفرية" لجهاز الاستقبال استخدام المستشعر للمعايرة التلقائية في الجسم الحي لأجهزة التحفيز العصبي العاصرة السفلية المصغرة. تمكن وحدة التحكم النشطة القائمة على أجهزة الاستشعار من تطوير خوارزميات متقدمة لتقليل الطاقة المستخدمة لتحقيق نتيجة سريرية مرغوبة. أحد الأمثلة على مثل هذه الخوارزمية سيكون نظام الحلقة المغلقة لعلاج التحفيز العصبي عند الطلب لمرض الجزر المعدي المريئي (GERD).

Introduction

يعرف توافق آراء مونتريال مرض الجزر المعدي المريئي (GERD) بأنه "حالة تتطور عند ارتجاع محتويات المعدة يسبب أعراضا و / أو مضاعفات غير سارة". قد يكون مرتبطا بمضاعفات محددة أخرى مثل القيود المريءية أو المريء باريت أو سرطان الغدة المريء. ويصيب هذا الارتجاع نحو 20 في المائة من السكان البالغين، ولا سيما في البلدان ذات الوضع الاقتصادي المرتفع(1).

رصد درجة الحموضة الإسعافية من الجزر المرضي (وقت التعرض للحمض أكثر من 6٪) يسمح لنا بالتمييز بين الأعراض والحمضية أو غير الحمضية ارتجاع المعدة المريئي2،3. في المرضى الذين لا يستجيبون للعلاج PPI (مثبط مضخة البروتون) ، يمكن أن يجيب رصد الرقم الهيدروجيني ما إذا كان ارتجاع المعدة والمريء المرضي ولماذا لا يستجيب المريض للعلاج القياسي لمؤشر أسعار المنتجين. وتقدم حاليا خيارات مختلفة لرصد الحموضة والمعاوقة. واحدة من أحدث الاحتمالات هي المراقبة اللاسلكية باستخدام الأجهزة القابلة للزرع4،5.

يرتبط GERD باضطراب العضلة العاصرة المريء السفلي (LES) ، حيث لا تكون الانقباضات الموضحة أثناء قياس بطانة المريء مرضية ولكنها تحتوي على انخفاض السعة في ارتجاع المريء على المدى الطويل. يتكون LES من العضلات الملساء ويحافظ على تقلصات منشط بسبب العوامل العضلية والعصبية. يرتاح بسبب تثبيط المبهم بوساطة تنطوي على أكسيد النيتريك باعتباره ناقل عصبي6.

وقد ثبت التحفيز الكهربائي مع اثنين من أزواج من الأقطاب الكهربائية لزيادة وقت الانكماش من ليه في نموذج الجزر ال كلاب7. لم يتأثر استرخاء LES بما في ذلك الضغط المتبقي أثناء البلع بالتحفيز منخفض التردد وعالي التردد. التحفيز عالي التردد هو خيار واضح لأنه يتطلب طاقة أقل ويطيل عمر البطارية.

على الرغم من أن العلاج بالهروستيف (ET) من العضلة العاصرة المريء السفلي هو مفهوم جديد نسبيا في علاج المرضى الذين يعانون من ارتجاع المريء ، فقد ثبت أن هذا العلاج آمن وفعال. وقد ثبت أن هذا الشكل من العلاج يوفر راحة كبيرة ودائمة من أعراض ارتجاع المريء مع القضاء على الحاجة إلى علاج مؤشر أسعار المنتجين والحد من التعرض لحمض المريء8,9,10.

جهاز استشعار رقم الحموضة الحالي للدولة من بين الفن لتشخيص GERD هو جهاز برافو11،12. في حجم يقدر ب 1.7 سم3، يمكن زرعها مباشرة في المريء مع أو بدون ردود فعل بالمنظار البصرية ويوفر 24 ساعة + رصد الرقم الحموضة في المريء.

وبالنظر إلى أن العلاج التحفيز الكهربائي هو واحد من البدائل الواعدة لعلاج GERD لا تستجيب للعلاج القياسي8،13، فمن المنطقي لتوفير البيانات من استشعار الحموضة إلى المحفز العصبي. تظهر الأبحاث الحديثة مسارا واضحا للتنمية المستقبلية في هذا المجال مما سيؤدي إلى أجهزة صلبة قابلة للزرع بشكل عام والتي ستقيم في موقع التحفيز العصبي14,15. لهذا الغرض، فإن ISFET (الترانزستور الحساس للأثر الميداني الأيوني) هو واحد من أفضل أنواع أجهزة الاستشعار بسبب طبيعته المصغرة، وإمكانية التكامل على رقاقة من القطب المرجعي (الذهب في هذه الحالة)، وحساسية عالية بما فيه الكفاية. على السيليكون، يشبه ISFET هيكل MOSFET القياسية (أكسيد المعادن أشباه الموصلات تأثير حقل الترانزستور). ومع ذلك، يتم استبدال البوابة، التي ترتبط عادة بمحطة كهربائية، بطبقة من المواد النشطة على اتصال مباشر مع البيئة المحيطة. في حالة ISFETs الحساسة لhh، تتشكل هذه الطبقة بواسطة نيتريد السيليكون (Si3N4)16.

العيب الرئيسي للأجهزة القابلة للزرع بالمنظار هو القيد المتأصل في حجم البطارية ، مما قد يؤدي إلى انخفاض عمر هذه الأجهزة أو تحفيز الشركات المصنعة لتطوير خوارزميات متقدمة من شأنها أن توفر التأثير المطلوب بتكلفة طاقة أقل. أحد الأمثلة على مثل هذه الخوارزمية سيكون نظام الحلقة المغلقة لعلاج التحفيز العصبي عند الطلب من GERD. على غرار عدادات الجلوكوز المستمر (CGM) + أنظمة مضخة الأنسولين17 ، فإن مثل هذا النظام سيستخدم مستشعر درجة الحموضة المريء أو مستشعر آخر للكشف عن الضغط الحالي للعصرة المريء السفلية جنبا إلى جنب مع وحدة التحفيز العصبي.

يمكن أن تكون الاستجابة للعلاج التحفيز العصبي ومتطلبات أنماط التحفيز العصبي فردية13. وبالتالي ، من المهم تطوير أجهزة استشعار مستقلة يمكن استخدامها إما لتشخيص وتوصيف الخلل الوظيفي أو المشاركة بنشاط في معايرة نظام التحفيز العصبي وفقا للمتطلبات الفردية للمرضى18. وينبغي أن تكون أجهزة الاستشعار هذه صغيرة قدر الإمكان لعدم التأثير على الوظائف العادية للجهاز.

تصف هذه المخطوطة طريقة لتصميم وتصنيع مستشعر درجة الحموضة القائم على ISFET مع جهاز إرسال مفتاح تحويل السعة (ASK) وجهاز استقبال صغير قائم على الارتداد السلبي للبصمة. استنادا إلى بنية بسيطة من الحل، يمكن تلقي البيانات الحموضة من قبل جهاز استقبال خارجي أو حتى neurostimulator زرع دون أي حجم كبير أو عقوبة السلطة. يتم اختيار تعديل ASK بسبب طبيعة المتلقي السلبي ، الذي هو قادر فقط على الكشف عن قوة إشارة RF المستلمة (غالبا ما تسمى "قوة الإشارة المستلمة"). الرسم التخطيطي، الذي هو جزء لا يتجزأ من المواد التكميلية، ويبين بناء الجهاز. وهو يعمل مباشرة من اثنين من بطاريات AG1 القلوية، والتي توفر الجهد بين 2.0-3.0 V (على أساس حالة الشحن). تعمل البطاريات على تشغيل وحدة التحكم الدقيقة الداخلية ، والتي تستخدم أجهزة ADC (المحول التناظري إلى الرقمي) ، DAC (المحول الرقمي إلى التناظري) ، ومضخم الصوت الداخلي ، وأجهزة FVR الطرفية (مرجع الجهد الثابت) لتحيز مستشعر الرقم القياسي ISFET. الناتجة "بوابة" الجهد (القطب المرجعي الذهب) يتناسب مع الرقم الهيدروجيني للبيئة المحيطة بها. يتم توفير تيار معرفات مستقر من قبل مقاوم استشعار R2 منخفض الجانب. يتصل مصدر مستشعر ISFET بالمدخلات غير المقلوبة للمضخم التشغيلي ، بينما يتم توصيل الإدخال المقلوب بجهد إخراج وحدة DAC المحددة ب 960 mV. يتم توصيل إخراج مكبر الصوت التشغيلي إلى دبوس استنزاف ISFET. هذا مكبر للصوت التشغيلي ينظم الجهد استنزاف بحيث الفرق الجهد على المقاوم R2 هو دائما 960 mV; وهكذا، فإن تيار التحيز المستمر من 29 ميكروA يتدفق من خلال ISFET (عندما تكون في التشغيل العادي). ثم يتم قياس الجهد بوابة مع ADC. ثم القوى المتحكم الدقيق على جهاز الإرسال RF عبر واحدة من GPIO (إدخال عام الغرض / الإخراج) دبابيس وينقل التسلسل. دائرة الإرسال RF ينطوي على الكريستال ومطابقة الشبكة التي تطابق الإخراج إلى 50 Ω المعاوقة.

للتجارب التي أظهرت هنا، استخدمنا معدة خنزير مع قسم طويل من المريء محمولة في نموذج بلاستيكي موحد. هذا هو نموذج شائع الاستخدام لممارسة التقنيات التنظيرية مثل ESD (تشريح تحت المنظار) POEM (استئصال المنظار عن طريق الفم) ، استئصال المخاطية بالمنظار (EMR) ، hemostasis ، الخ. فيما يتعلق بأقرب المعايير التشريحية الممكنة التي تقترب من الأعضاء البشرية ، استخدمنا معدة ومريء الخنازير التي تزن 40-50 كجم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

لم تشارك أي حية في هذه الدراسة. أجريت التجربة على نموذج الجسم الحي السابق يتكون من مريء خنزير ومعدة. تم شراء المعدة والمريء من جزار محلي كمنتج قياسي. هذا الإجراء هو وفقا للقوانين التشيكية، ونحن نفضل ذلك بسبب مبدأ "3R" (استبدال، والحد، والصقل).

1. تصنيع الجمعية استشعار الحموضة

ملاحظة: لاحظ الاحتياطات اللازمة للتعامل مع المكونات الحساسة للتصريف الكهروستاتيكي (ESD) طوال عملية تصنيع تجميع مستشعر pH. كن حذرا عند العمل مع الحديد لحام.

  1. ضع مستشعر درجة الحموضة ISFET مثبتا على لوحة دوائر مطبوعة (PCB) على سطح مستو. حدد موقع جهات الاتصال القابلة للحام.
  2. تقليم الاتصالات لحام، بحيث طولها لا يزيد عن 3 ملم.
  3. لحام قسم 15 ملم من بروبيلين الإيثيلين المفلورة (FEP) كابل المغلفة إلى الأقطاب لحام من أجهزة الاستشعار الأس الهيدروجيني. لا تنظف ميكانيكيا أو كيميائيا تجميع الموت العاري. في محاولة لتجنب تلوث يموت وPCB مع تدفق أثناء لحام.
  4. فحص جمعية استشعار كابل الحموضة تحت المجهر للدوائر المفتوحة والسراويل القصيرة. ثم تحقق من السراويل القصيرة مع اختبار مفتوح قصير. يتم عرض تجميع معد بشكل صحيح في هذه المرحلة في الشكل 1.
  5. تنظيف الجمعية استشعار درجة الحموضة في نظافة بالموجات فوق الصوتية لمدة 5 دقائق في 70 درجة مئوية في حل 5٪ من مزيل تدفق في الماء. النطاق الأمثل للطاقة بالموجات فوق الصوتية هو 50-100 واط / لتر. لا تتجاوز 100 واط/لتر.
  6. شطف الجمعية استشعار درجة الحموضة في الصف التقني isopropyl الكحول لمدة 3 دقائق على الأقل والسماح لها الجافة في الفرن في 80 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة.
  7. ضع جميع أجهزة استشعار درجة الحموضة على سطح مستو (في حالة إعداد متعددة في وقت واحد) قبل الشروع في الخطوة التالية.
  8. مزيج كمية مناسبة من الايبوكسي من جزأين لتغليف الأقطاب لحام. استخدام الحد الأدنى من 2 مل للسماح خلط شامل. استخدام الايبوكسي السوداء مبهمة للسماح للتفتيش في وقت لاحق - أجزاء من أجهزة الاستشعار المعرضة للبيئة سوف ينظر أسهل لأنها لن يكون الايبوكسي مبهمة عليها
  9. نقل الايبوكسي المختلط إلى حقنة 1 مل مع إبرة نهاية مسطحة 0.5 ملم.
  10. معطف منطقة لحام أجهزة الاستشعار الحموضة مع الايبوكسي. تأكد من تغطية كامل مساحة أقطاب ثنائي الفينيل متعدد الكلور والأسلاك المكشوفة.
  11. السماح لعلاج الايبوكسي إما في الغرفة أو درجة حرارة مرتفعة (80 درجة مئوية كحد أقصى)، لهذه الدراسة 50 °C تم استخدامها مع الايبوكسي المدرجة في جدول المواد.
  12. تفقد المنطقة المغلفة تحت المجهر. إذا تعرضت أي أجزاء معدنية غير مطلية (إما قطب ثنائي الفينيل متعدد الكلور أو سلك) ، كرر الخطوات 1.8-1.11 حتى لا تكون هناك علامات بصرية على المعدن غير المصقول.
  13. قم بقص الأسلاك إلى الطول والزاوية الموضحة في الشكل 2. معطف ينتهي مع لحام لتجنب التمزق.

2. تصنيع التجميع الإلكتروني

ملاحظة: مراعاة الاحتياطات اللازمة للتعامل مع المكونات الحساسة ل ESD طوال عملية تصنيع الإلكترونيات. كن حذرا عند العمل مع الحديد لحام وبندقية الهواء الساخن.

  1. وضع PCB (المصنعة على أساس الملفات التكميلية "pcb1.zip" والرسم التخطيطي "التخطيطي.png") على سطح مستو، والمكونات الجانب.
  2. تطبيق لصق لحام لجميع منصات مطلية بالذهب المكشوفة.
  3. ضع جميع المكونات السلبية والنشطة باستخدام ملاقط وفقا لل الشكل 3 وجدول المواد.
  4. تسخين PCB مع بندقية الهواء الساخن لحام المكونات. سخني ثنائي الفينيل متعدد الكلور تدريجيا إلى 150 درجة مئوية لمدة دقيقتين لطرد المياه المتبقية من الطرود وتنشيط التدفق في عجينة الحام. ثم، تسخين PCB إلى 260 درجة مئوية لحام المكونات. السماح لPCB بارد لدرجة حرارة الغرفة، لا تتحرك خلال عملية لحام كله.
  5. بعد لحام والتبريد إلى درجة حرارة الغرفة، تفقد PCB تحت المجهر للتحقق من الموضع الصحيح لجميع المكونات والسراويل القصيرة. إذا لم يتم ملاحظة أي shorts أو موضع مكون غير صحيح تخطي الخطوة 2.6.
  6. إصلاح أي السراويل القصيرة أو وضع مكون غير صحيح مع بندقية لحام أو بندقية الهواء الساخن. انتقل إلى الخطوة 2.5.
  7. أسلاك Solder 5 إلى المكونات (خيوط الطاقة والبرمجة) كما هو موضح في الشكل 4.
  8. لتوصيل PCB إلى مبرمج، قم بتوصيل الأسلاك soldered في الخطوة 2.7. إلى موصل المبرمج.
  9. البرنامج الثابت (راجع نتائج الممثل للحصول على شرح مفصل عن الملف الذي سيتم استخدامه) إلى وحدة التحكم الدقيقة. استخدم الإجراء الموصوف مسبقا لإعداد برنامج البرمجة19. تعيين مبرمج لتشغيل الجهاز مع الجهد من حوالي 2.5 V. دي لحام الأسلاك 5 بعد البرمجة.
  10. ضع PCB على سطح مستو، جانب المكون لأعلى. لحام السلك الهوائي النحاس AWG38 (طول 3 سم) كما هو مبين في الشكل 5 والتفاف حول حافة PCB. إصلاح سلك الهوائي إلى حافة PCB مع لاصقة سيانواكريلات. لحام الأسلاك الأخرى اثنين من البلوز مع الأسلاك النحاسية SWG38 كما هو مبين في الشكل 5. تجنب ملامسة الكهربائية مع المكونات الأخرى.
  11. وضع PCB على سطح مستو، الجانب المكون لأسفل.
  12. لحام اثنين من حاملي البطارية إلى الجزء المقابل من PCB، كما هو مبين في الشكل 6.
  13. لحام التجمع استشعار الرقم الحموضة إلى المحطات الطرفية على PCB، كما هو مبين في الشكل 7.
  14. أدخل بطاريتين من نوع AG1 في حاملات البطارية.
    ملاحظة: لا تمضي قدما في هذه الخطوة والخطوات التالية في هذا القسم في وقت سابق من 24 ساعة قبل الاختبار وزرع بالمنظار للمستشعر.
  15. إعداد كمية مناسبة من الايبوكسي كما هو موضح في الخطوة 1.8. لتغليف الجهاز.
  16. تغليف الجهاز مع الايبوكسي باستخدام نفس الإجراء الموضح في الخطوة 1.9 (حقنة مع إبرة). السماح لعلاج الايبوكسي في درجة حرارة الغرفة أو درجة حرارة مرتفعة قليلا (لا تتجاوز 50 درجة مئوية بسبب وجود بطاريات). راجع الشكل 8 للحصول على نتائج التغليف الصحيحة.
  17. إنشاء سلك التيتانيوم هوك وفقا لل الشكل 9.
    ملاحظة: تم اختيار التيتانيوم (الصف الثاني) بسبب توافقه البيولوجي وسجله الحافل في الاستخدام في الأجهزة الطبية القابلة للزرع. ويمكن استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ، أيضا. ومع ذلك، يجب اختيار نوع والمعالجة الحرارية بعناية كما بعض أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ هشة جدا.
  18. إرفاق ربط الأسلاك إلى الجهاز مع قطرة من الايبوكسي سريع المعالجة (انظر الشكل 10) والسماح لها علاج في درجة حرارة الغرفة أو درجة حرارة مرتفعة قليلا (50 درجة مئوية كحد أقصى). يقع مستشعر pH في الجانب الأيسر السفلي من الجهاز القابل للزرع.
  19. يصبح المستشعر نشطا بعد 24 ساعة من إدخال البطاريات. وفي الوقت نفسه، المضي قدما في الخطوة 3.
    ملاحظة: إيقاف البروتوكول الآن إذا كان إكمال الخطوة 3 ضمن 24 ساعة بعد إدراج البطاريات ممكنا.

3. تلفيق المتلقي rectenna السلبي

  1. وضع PCB (المصنعة على أساس الملف التكميلي "pcb2.zip"). ل rectenna على سطح مستو.
  2. لحام المكونات باستخدام طريقة لصق لحام وصفها في الخطوات 2.2-2.6 أو استخدام بندقية لحام وفقا لل الشكل 11A.
    ملاحظة: إذا قرر المجرب تصنيع جهاز الاستقبال rectenna مرة أخرى (تم تصنيعه مسبقا ومطابقته) أو لا يريد المتابعة مع مطابقة المتلقي، استخدم قيم المكونات التي تم تحديدها مسبقا من قبل المجرب أو المقدمة في الشكل 11B وتخطي الخطوات 3.5-3.7.
  3. لحام موصل SMA إلى PCB.
  4. فحص PCB تحت المجهر. إذا تم ملاحظة أي shorts أو موضع مكون غير صحيح، إصلاح المشكلات.
  5. إرفاق إدخال محلل شبكة متجهة إلى موصل SMA.
  6. سجل مخطط S11 Smith الخاص ب rectenna من 300-500 ميغاهرتز مع عرض نطاق ترددي بدقة 1 كيلوهرتز. مراقبة الاستجابة وتسجيل المعاوقة في 431.7 ميغاهرتز. استخدم برنامج الحاسبة المطابقة للمعاوقة لتحديد قيم المكونات المطابقة. يظهر مخطط Smith العينة في الشكل 12A.
  7. لحام مكونات مطابقة المعاوقة وفحص تحت المجهر لدوائر قصيرة ووضع المكونات.
  8. قياس مع محلل الطيف مرة أخرى، وتأكيد أن نسبة الجهد الموجة الدائمة (VSWR) هو أقل من 3 بين 300-500 ميغاهرتز (داخل دائرة سماوي الخارجي هو مبين في الشكل 12B). إذا لم يكن الأمر كذلك، كرر إما مع مكونات مطابقة مختلفة أو متابعة مع انخفاض أداء rectenna في الاعتبار.
  9. قم بتوصيل هوائي النطاق MHz 433 بموصل SMA. قم بتوصيل منظار الذبذبات بإخراج المستقيم.
  10. تعيين الذبذبة إلى عملية قناة واحدة، المتداول قاعدة الوقت، وضع العاصمة، 500 ms/div قاعدة الوقت، و5 mV / div مقياس الجهد.

4. اختبار الجهاز

ملاحظة: تتطلب الخطوات التالية استخدام المواد الكيميائية. دراسة أوراق بيانات سلامة المواد من المواد الكيميائية مسبقا واستخدام معدات الحماية المناسبة والممارسات المختبرية الشائعة عند التلاعب بها.

  1. فحص إخراج جهاز الاستشعار عن طريق مراقبة الإشارة المعروضة على منظار الذبذبة. ويظهر ناتج العينة في الشكل 13،14. وسوف يكون الجهاز نشطا بعد 24 ساعة الماضي إدراج البطاريات. تختلف فترة إرسال إخراج مستشعر pH حسب الملف الذي تمت برمجته إلى المتحكم الدقيق (انظر النتائج التمثيلية للحصول على شرح مفصل).
  2. إعداد محلول حمض الهيدروكلوريك 2٪ (توخي الحذر عند التعامل مع حمض الهيدروكلوريك). إعداد حلول عازلة 100 mM من درجة الحموضة 4 (البوتاسيوم الهيدروجين الفثالات / حمض الهيدروكلوريك)، درجة الحموضة 7 (فوسفات ثنائي هيدروجين البوتاسيوم / هيدروكسيد الصوديوم)، وHH 10 (كربونات الصوديوم / كربونات الهيدروجين الصوديوم) باستخدام الإجراءات المختبرية القياسية ووضع علامة على الأكواب.
  3. تحقق من رقم الحموضة لجميع الأكواب الأربعة باستخدام مقياس pH معايرة. ضبط إذا لزم الأمر.
  4. غمر الكبسولة في كل كوب وتسجيل ما لا يقل عن 3 عينات. قياس الفترة بين النبض الثاني والثالث وتعبئته في جدول البيانات المقدم (الملف التكميلي 1). حدد معاملات المعايرة لمستشعر الأس الهيدروجيني باستخدام جدول البيانات.
  5. بعد المعايرة، قم بقياس الوقت بين النبضة الثانية والثالثة وإدخاله في جدول البيانات لتحديد رقم الهيدروجيني للمحلول الذي يتعرض له مستشعر pH.

5. زرع بالمنظار من أجهزة الاستشعار

  1. إعداد نموذج بورسين بالمنظار السابقين تتكون من المعدة وشريحة طويلة من المريء.
  2. فهم الاستشعار خارجيا مع مقطع الهيموستاتيكي، كما هو مبين في الشكل 15 والشكل 16.
  3. أدخل المنظار مع المستشعر في المقطع بالطريقة القياسية في النموذج.
  4. ضع المقطع مع المستشعر بالقرب من العضلة العاصرة المريء السفلية.
  5. تدوير المنظار ضد الجدار المريء، وفتح مقطع ثم دفع نحو الجدار المريء. أغلق المقطع ثم أطلق القصاصة. وسيظل المستشعر موصولا بالجدار المريء في الموقع المطلوب، كما هو مبين في الشكل 17D والشكل 17E.
  6. استخراج المنظار.

6. التجربة بعد الزرع

ملاحظة: تتطلب الخطوات التالية استخدام المواد الكيميائية. دراسة أوراق بيانات سلامة المواد من المواد الكيميائية مسبقا واستخدام معدات الحماية المناسبة والممارسات المختبرية الشائعة عند التلاعب بها.

  1. ضع جهاز الاستقبال في حدود 10 سم (كحد أقصى) من جهاز الاستشعار المزروع.
  2. حقن 50 مل من الحلول مع قيم الرقم الحموضة المختلفة في المريء، كما هو مبين في الشكل 18، ومراقبة التغيرات في استجابة جهاز الاستشعار. تراجع عن المنظار بعد كل حقنة واقرأ القيمة في وقت لا يتجاوز 30 ثانية بعد الحقن. اغسل المريء ب 100 مل من الماء المتأين بين محلول الحقن مع درجة الحموضة المختلفة.
  3. استخدم جدول البيانات (الملف التكميلي 1) لحساب رقم الحموضة الذي يقاس بالمستشعر.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

وتم بنجاح إنشاء جهاز قادر على استشعار الرقم المقوم ذاتيا والإرسال اللاسلكي لقيمة الرقم الحموضة، كما هو مبين في الشكل 8. الجهاز الذي تم بناؤه هو نموذج مصغر. يزن 1.2 غرام، وحجمه 0.6 سم3. الأبعاد التقريبية هي 18 ملم × 8.5 مم × 4.5 مم. كما هو موضح في الشكل 15 والشكل 16 والشكل 17، يمكن زرعها على مقربة من العضلة العاصرة المريء السفلي مع مقطع واحد الهيموستاتيكي؛ لا حاجة إلى ملحقات خاصة. يظهر في الشكل 19 عرض مفصل لمرئ تشريحي مع المستشعر المزروع.

جهاز الاستقبال rectenna السلبي لديه بصمة إجمالية من 22 mm2 فقط على الرغم من أنه هو الأمثل لحام اليد. عندما يتم وضع جهاز استقبال rectenna السلبي على مقربة من جهاز استشعار الحموضة (10 سم) عندما تكون في حالة نشطة (24 ساعة بعد إدخال البطاريات حتى التفريغ الكامل للبطاريات) ، يمكن ملاحظة ارتفاع الجهد الواضح عندما ينتقل الجهاز. يظهر هذا في الشكل 13. أول نبضتين قصيرتين (75 مللي ثانية) هما نبضات المزامنة. المسافة بين نهاية النبض الثاني وبداية النبض الثالث تتناسب مع الجهد VGS من ISFET طرحها 800 mV (100 مللي ثانية = 900 mV، 200 مللي ثانية = 1000 mV، الخ). يترجم هذا الجهد خطيا إلى رقم الحموضة للبيئة التي يتعرض لها المستشعر.

واستنادا إلى معايرة بسيطة من نقطتين مع مخازن درجة الحموضة من درجة الحموضة 4 وhh 10 (الجدول 1)، يمكن للمستشعر العودة مستقرة وقابلة للتكرار قراءات قيمة درجة الحموضة (الجدول 2). تم استخدام ما مجموعه أربعة حلول مختلفة مع درجة الحموضة المعروفة -pH 0.6 (160 mM محلول حمض الهيدروكلوريك في الماء، ومحاكاة حمض المعدة20) والمعايرة العازلة مع درجة الحموضة 4، درجة الحموضة 7، وHH 10. وكان متوسط قيم الخطأ pH للمستشعر 0.25 و 0.31 عند اختباره في حلول في الأكواب ونموذج الجسم الحي السابق ، على التوالي. وكانت الانحرافات المعيارية للأخطاء 0.30 و 0.36 على التوالي.

عندما تكون على مقربة من جهاز الإرسال (10 سم) ، تنتج rectenna السلبية إشارة بحجم لا يقل عن عشرات الملليفولت التي يمكن اكتشافها بسهولة عن طريق جهاز مقارنة بسيط أو تضخيمها بمضخم تشغيلي تيار هادئ للغاية منخفض الطاقة. تأثير هوائي الهاتف المحمول مع دعوة GSM نشطة له تأثير سلبي طفيف فقط على تلقي البيانات من جهاز الاستشعار، كما هو موضح في الشكل 14. ويمكن تصفية ذروات نقل الهاتف المحمول بواسطة مرشح RC/LC سلبي بسيط (المقاوم-المكثف/المكثف-المكثف) لأنها تشكل جزءا عالي التردد من الإشارة (ترددها أعلى عموما من 500 هرتز).

في أحد الأجهزة، تم إجراء ماس كهربائي بين جميع أقطاب ISFET الثلاثة عمدا لإظهار كيفية تغير سلوك الجهاز عند تجميع الجهاز بشكل غير صحيح. في هذه الحالة، لا يلاحظ أي استجابة الجهد-pH، والجهد بوابة يساوي الجهد استنزاف، وهو الجهد حزمة البطارية (2-3.2 V). محول AD، الذي تتم الإشارة إليه إلى مرجع 2.048 V داخلي، ثم إرجاع أعلى قيمة ممكنة، والذي يترجم إلى 2048 mV. قد يسبب الضوضاء تقلبات طفيفة في إخراج ADC.

تم تطوير واختبار نوعين من البرامج الثابتة التي يمكن برمجتها على الجهاز. الأول (firmware_10s.zip) مخصص للتجارب قصيرة الأجل حيث يتم إرسال قيمة pH كل 10 s. وهذا يوفر المزيد من نقاط البيانات لتكلفة انخفاض عمر البطارية، والتي تقتصر على حوالي 24-30 ساعة. أما الآخر (firmware_1min.zip) فهو مخصص للتجارب الطويلة الأجل. يتم إرسال قيمة pH مرة واحدة في الدقيقة. عمر جهاز الاستشعار مع انخفاض وتيرة أخذ العينات حوالي 5-6 أيام. وهناك أيضا نسخة من البرامج الثابتة (الثابتة اختبار.zip)، والتي لا تشمل تأخير 24 ساعة. يمكن استخدام هذا الملف لاختبار الوظيفة الصحيحة للإلكترونيات قبل التغليف. بدلا من ذلك، يمكن تعديل التأخير عن طريق تغيير التعليمات البرمجية وإعادة ترجمة المشروع. تم تنفيذ التأخير للسماح بعلاج كامل من الايبوكسي أو احتمال عندما يتم تصنيع الجهاز في موقع مختلف عن غرفة الجراحة بالمنظار. مع التأخير المقدم ، يتم تعظيم عمر التشغيل المفيد للجهاز.

Figure 1
الشكل 1: جمعية استشعار الرقم القياسي قبل التشذيب النهائي الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: جمعية استشعار الرقم القياسي بعد التشذيب النهائي الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: رسم تخطيطي للمواضع للمستشعر القابل للزرع (انظر جدول المواد لقيم المكونات). تم وضع علامة Pin 1 كنقطة حمراء. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: وضع أسلاك البرمجة الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: وضع سلك هوائي وأسلاك الطائر الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6: وضع حاملي البطارية يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 7
الشكل 7: لحام من التجمع استشعار الرقم القياسي للإلكترونيات يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 8
الشكل 8: جهاز استشعار مغلفة الانتهاء. (أ) عرض الجانب، (ب) عرض مرة أخرى الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 9
الشكل 9: خطاف سلك التيتانيوم الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 10
الشكل 10: مرفق ربط السلك إلى الجهاز القابل للزرع يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 11
الشكل 11: مخطط موضع ل rectenna. (A) مع مكونات مطابقة، (ب) دون مطابقة المكونات، وعلى استعداد لمطابقتها مع محلل شبكة ناقلات الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 12
الشكل 12: مخطط سميث. (أ) rectenna لا مثيل لها، (B) مطابقة rectenna يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 13
الشكل 13: مثال على رد rectenna على البيانات الواردة من جهاز الاستشعار الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 14
الشكل 14: مثال على الاستجابة عندما يكون في وجود ضوضاء RF (هاتف قريب مع مكالمة GSM نشطة). (A) 20 سم بين حافة الهاتف والمتلقي، (B) 10 سم بين حافة الهاتف والمتلقي، (C) 5 سم بين حافة الهاتف والمتلقي الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 15
الشكل 15: صورة للمنظار مع مقطع الهيموستاتيكي واستشعار الرقم القياسي القابل للزرع يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 16
الشكل 16: استشعار الرقم الحموضة القابل للزرع استيعابها مع مقطع الهيموستاتيكي في قبعة الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 17
الشكل 17: زرع جهاز الاستشعار. (أ) إدراج المنظار مع جهاز استشعار درجة الحموضة القابلة للزرع في النموذج، (ب) مكان الزرع - 3 سم فوق تقاطع المعدة والاسعاف، (C) إعداد موضع مقطع، (D) تم وضع مقطع بنجاح، (E) عرض استشعار درجة الحموضة ISFET، زرعت على مقربة من العضلة العاصرة المريء السفلي يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 18
الشكل 18: حقن محلول المخزن المؤقت الرقمى من خلال قناة المنظار يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 19
الشكل 19: تشريح المريء من نموذج الجسم الحي السابق مع جهاز استشعار مزروع الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

بيانات المعايرة
قيمة الحموضة (كال متر) [-] طول النبض [ms] كالك فولت. الإخراج [mV]
3.98 400 1200
10.01 710 1510

الجدول 1: مثال على بيانات المعايرة

البيانات المقاسة
قيمة الحموضة (كال متر) [-] كالك فولت. الإخراج [mV] تقدير الحموضة [-] خطأ [القيمة المطلقة. pH] خطأ [٪]
0.62 1010 0.28 -0.34 -54%
3.98 1200 3.98 0.00 0%
10.01 1490 9.62 -0.39 -4%
0.62 1020 0.48 -0.14 -23%
7.01 1350 6.90 -0.11 -2%
3.98 1220 4.37 0.39 10%
10.01 1480 9.43 -0.58 -6%
3.98 1210 4.17 0.19 5%
7.01 1350 6.90 -0.11 -2%
انحراف الدرجة الحموضة [-] 0.30
متوسط الخطأ [-] 0.25

الجدول 2: البيانات المقاسة (اختبار باستخدام الأكواب)

البيانات المقاسة
قيمة الحموضة (كال متر) [-] كالك فولت. الإخراج [mV] تقدير الحموضة [-] خطأ [القيمة المطلقة. pH] خطأ [٪]
0.62 1010 0.28 -0.34 -54%
3.98 1220 4.37 0.39 10%
7.01 1340 6.70 -0.31 -4%
10.01 1520 10.20 0.19 2%
انحراف الدرجة الحموضة [-] 0.36
متوسط الخطأ [-] 0.31

الجدول 3: البيانات المقاسة (الاختبار في نموذج الجسم الحي السابق)

الملف التكميلي 1: جدول البيانات.xlsx. جدول البيانات لمعايرة ومعالجة البيانات من جهاز الاستشعار الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

الملف التكميلي 2: pcb1.zip. بيانات تصنيع Gerber للجهاز القابل للزرع يرجى الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 3: pcb2.zip. بيانات تصنيع Gerber لجهاز الاستقبال يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

الملف التكميلي 4: firmware_10s.zip. البرامج الثابتة للمتحكم الدقيق مع فترة انتقال 10 ق الرجاء انقر هنا لتحميل هذا الملف.

الملف التكميلي 5: firmware_1min.zip. البرامج الثابتة للمتحكم الدقيق مع فترة نقل دقيقة واحدة يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

ملف تكميلي 6: الثابتة اختبار.zip. البرامج الثابتة للمتحكم الدقيق دون 24 ساعة وقفة قبل التنشيط الرجاء انقر هنا لتحميل هذا الملف.

الملف التكميلي 7: مخطط تخطيطي للإلكترونيات يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

هذه الطريقة مناسبة للباحثين الذين يعملون على تطوير أجهزة طبية نشطة قابلة للزرع. وهو يتطلب مستوى من الكفاءة في تصنيع النماذج الإلكترونية مع مكونات جبل السطح. وتتعلق الخطوات الحاسمة في البروتوكول بتصنيع الإلكترونيات، ولا سيما ملء مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، المعرضة لخطأ المشغل في وضع وحام المكونات الصغيرة. ثم، التغليف الصحيح أمر بالغ الأهمية لإطالة عمر الجهاز عندما تتعرض للرطوبة والسوائل. تم تصميم طريقة الزرع مع البساطة في الاعتبار. خطر ثقب المريء أو غيرها من الأحداث السلبية أثناء عملية الزرع هو الحد الأدنى. وتستخدم على نطاق واسع مقاطع الهيموستاتيكي في الممارسة السريرية; وبالتالي، لا حاجة إلى تدريب خاص لإجراء عملية الزرع.

يمكن تعديل الجهاز بسهولة لمرافقة أجهزة الاستشعار الأخرى مع إخراج الجهد ، أي أجهزة الاستشعار المقاومة وغيرها من أجهزة استشعار ISFET. وهذا يعطي مرونة كبيرة للاستفادة من المفهوم بأكمله في مجالات أخرى من البحوث والممارسة السريرية. لا يقتصر على البحث في أساليب جديدة لعلاج GERD في حالة استشعار ISFET pH.

الجهاز الذي تم بناؤه مصغر؛ يزن 1.2 غرام ويشغل حجم أقل بنسبة 60٪ (0.6 سم3) من أقرب مستشعر PH القابل للزرع تجاريا. ويمكن تحقيق المزيد من التصغير عن طريق إدماج القوة الدولية في حالة الاختزال في جهاز ثنائي الفينيل متعدد الكلور بأسلاك متصلة مباشرة ب PCB. غير أن ذلك سيزيد إلى حد كبير من حاجز الدخول من حيث المعدات المطلوبة (سيتطلب الأمر على الأقل سندا سلكي يدويا). وهكذا، تم تقديم بديل أكثر جدوى من الناحية الاقتصادية مع جهاز استشعار ISFET المعبأة مسبقا من قبل الشركة المصنعة.

أما بالنسبة لمصدر الطاقة، أكسيد الفضة / القلوية / الكربون الزنك 1.5 V الخلايا توفير أداء أفضل والقيام تبسيط تصميم الدائرة. استخدام بطاريات الليثيوم الأولية أو بطاريات ليثيوم أيون في هذا العامل شكل الجهاز يمكن أن يؤدي إلى مشاكل محتملة. بطاريات الليثيوم الأولية الصغيرة لديها مقاومة عالية للإنتاج ، مما قد يسبب انخفاض الجهد الكبير ، مما قد يؤدي إلى إخراج البني من جهاز التحكم الدقيق وجهاز إرسال RF. بطاريات الليثيوم أيون، من ناحية أخرى، لا تتوافق مع 3.3 V المتحكمات الدقيقة (الجهد التشغيل الخاصة بهم حوالي 3.0-4.2 V)، إضافة تعقيد إلى الدوائر (شرط منظم أو DC / DC خطوة إلى أسفل المحول). لهذه الأسباب، اثنين من خلايا زر 1.5 V الابتدائية هي أفضل نوع متاح بسهولة من البطارية على أساس توافر، والجهد التشغيل، ومقاومة الانتاج منخفضة بما فيه الكفاية.

جهاز الاستشعار يظهر دقة جيدة لرصد الحموضة المريء; كان متوسط خطأ pH في نموذج vivo السابق 0.31 مع انحراف معياري قدره 0.36. على الرغم من خطوة الغسيل مع الماء deionized بين كل إضافة العازلة، يمكن أن يكون سبب انحراف أكبر في نموذج الجسم الحي السابق عن طريق خلط طفيفة من الحلول العازلة المختلفة في المريء، والتي قد غيرت درجة الحموضة من الحلول. تتبع حساسية مستشعر درجة الحموضة ISFET المستخدم تقريبا منحدر نيرنستيان (-58 mV/pH لمدة 25 درجة مئوية) عند -51.7 mV/pH. الحساسية أعلى مما تم الإبلاغ عنه في أجهزة استشعار درجة الحموضة القائمة على الأنتيمون لرصد GERD (-45 mV/pH)21.

تم إدخال تأخير 24 ساعة بين إدخال البطاريات وبدء روتين الإرسال اللاسلكي لاستيعاب علاج الايبوكسي التغليف والحالات التي يكون فيها مختبر لتصنيع الإلكترونيات موجودا في مكان مختلف عن غرفة الجراحة بالمنظار. يمكن تغيير هذا التأخير عن طريق تعديل التعليمات البرمجية المصدر وإعادة ترجمة البرامج الثابتة.

اعتمادا على طبيعة التجربة ، والتي سيقوم بها الباحثون ، يمكن اختيار الايبوكسي المناسب (التكلفة مقابل الأداء). أجريت التجارب الأولية مع الايبوكسي من الدرجة السيارات، والتي كانت مناسبة للتجارب الأولية ولكن ليس للتجارب في الجسم الحي من نقطة التوافق البيولوجي. بالنسبة لتجارب البقاء على قيد الحياة، يتم اختيار الايبوكسي الطبي المتوافق مع ISO10993 للاتصال طويل الأجل بالأغشية المخاطية. أيضا، الطلاء التي تحسن التوافق البيولوجي (على سبيل المثال، PTFE أو الباريلين) يمكن أن تقلل من معدل رفض زرع و / أو التهاب / تهيج موقع الزرع.

يمكن تحسين جهاز استقبال rectenna السلبي بالكامل عن طريق تحيز ثنائيات الكاشف لتحسين الحساسية22,23. في حالة الحاجة إلى تحسين المناعة ضد التداخل الكهرومغناطيسي أو ضوضاء الترددات اللاسلكية ، يمكن تعديل كاشف الصمام الثنائي عن طريق إضافة فلتر SAW انتقائي للغاية بين إدخال التردد اللاسلكي وكاشف الصمام الثنائي24. إذا كان الاتصال طويل المدى مطلوبا، يمكن استخدام جهاز استقبال ASK نشط (أو جهاز استقبال معرف بالبرامج - SDR). وفي كلتا الحالتين، يحدد التردد المركزي للمستقبل على 431.73 ميغاهرتز (تردد البلورة مضروبا في 32 من قبل PLL في الدائرة المتكاملة لجهاز الإرسال اللاسلكي) وعرض النطاق الترددي للدقة الذي يبلغ حوالي 150-250 كيلوهرتز. تردد الإخراج RF هو الجهد وتعتمد على درجة الحرارة على حد سواء، والانجرافات تصل إلى 50 كيلوهرتز من تردد المركز لوحظت أثناء التشغيل العادي. ويمكن بعد ذلك رصد قوة الإخراج في النطاق واستخدامها لفك قيمة pH وفقا للبروتوكول. ينصح باستخدام جهاز استقبال نشط للاختبار الأولي. إذا تم استخدامه داخل جهاز قابل للزرع ، فإنه يأتي مع زيادة في التعقيد وعقوبة طاقة كبيرة. لا يمكن أن توفر ميزة "الطاقة الصفرية" التي يوفرها كاشف Schottky.

اليوم، تقريبا جميع الأجهزة الطبية النشطة القابلة للزرع ليست مصممة مع إمكانية التشغيل البيني في الاعتبار. يتم تكوينها يدويا من قبل جراح أو ممارس25 ولا تتعاون. الجهاز القابل للزرع المقدم في هذه الطريقة جنبا إلى جنب مع جهاز استقبال rectenna السلبي، ويبين وسيلة لتحقيق نقل البيانات السلس من جهاز استشعار المتاح إلى جهاز آخر قابل للزرع. في حين أن وحدات RF المتاحة تجاريا للأجهزة القابلة للزرع استنادا إلى مفهوم heterodyne موجودة ، فإن وضع المتلقي يتطلب طاقة كبيرة26. مع الحل المعروض ، لا يلزم وجود مستقبل نشط في المحفز العصبي ؛ يمكن بناء الدائرة لتكون سلبية تماما. المزايا الرئيسية لأخذ بيانات المريض في الوقت الحقيقي في الاعتبار هي تحسين فعالية العلاج وخفض استهلاك الطاقة بشكل كبير. على سبيل المثال، في حالة العلاج ب GERD، يمكن زرع مستشعر درجة الحموضة المعروض في المخطوطة فوق العضلة العاصرة المريء السفلية بعد زرع المحفز لتكييف نمط التحفيز العصبي تلقائيا لتحقيق أقصى قدر من تأثير العلاج مع تقليل استهلاك الطاقة. وبما أن زرع المستشعر في الجدار المري الداخلي عرضة للخلع بعد عدة أيام ، فمن المنطقي أكثر تصميم المستشعر كجهاز يعمل بالبطارية. بفضل كثافة الطاقة الحجمية العالية للبطاريات الأولية، فإن استخدام مصدر الطاقة الأساسي يتفوق على جهاز استشعار يحتوي على دائرة استقبال الطاقة اللاسلكية، ولفائف الشحن، وتخزين الطاقة القائم على المكثف. تعتمد الكفاءة الإجمالية للشحن اللاسلكي أيضا بشكل كبير على التوجه المكاني لللفائف ، مما سيؤدي إلى صعوبة أخرى في التصميم. يوفر الشحن اللاسلكي فوائد للمنشطات الدقيقة المزروعة بشكل دائم ، أي إلى الغشاء المخاطي الفرعي14. يوفر مستشعر pH الذي يعمل بالبطارية إمكانية لتحسين استهلاك الطاقة لمثل هذا المحفز الدقيق. بدلا من التحفيز العصبي الدائم / المنتظم للعصرة ، يمكن أن يظهر مستشعر درجة الحموضة متى تكون هناك حاجة إلى التحفيز (أي في الليل و / أو ساعات اليوم) وما هو ناتج الطاقة الأقل ممكن لتحقيق ضغط العضلة العاصرة المريء السفلي الكافي. يمكن أن تصبح هذه الأنظمة المغلقة الحلقة أو شبه المغلقة الحلقة القابلة للزرع بديلا واعدا للأنظمة التقليدية الحالية ، حيث تقدم أجهزة أصغر قابلة للزرع مع زرع أقل توغلا وتحسين فعالية العلاج.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

وليس لدى صاحبي البلاغ ما يعلنانه.

Acknowledgments

يقر المؤلفون بامتنان بجامعة تشارلز (مشروع GA UK No 176119) لدعمها هذه الدراسة. تم دعم هذا العمل من قبل برنامج أبحاث جامعة تشارلز PROGRES Q 28 (علم الأورام).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
AG1 battery Panasonic SR621SW Two batteries per one implant
Battery holder MYOUNG MY-521-01
Copper enamel wire for the antenna pro-POWER QSE Wire - 0.15 mm diameter, 38 SWG
Epoxy for encapsulation Loctite EA M-31 CL Two-part medical-grade ISO10993 compliant epoxy
FEP cable for pH sensor Molex / Temp-Flex 100057-0273
Flux cleaner Shesto UTFLLU05 Prepare 5% solution in deionized water for cleaning by sonication
Hemostatic clip Boston Scientific Resolution
Hot air gun + soldering iron W.E.P. Model 706 Any soldering iron capable of soldering with tin and hot-air gun capable of maintaining 260 °C can be used
Impedance matching software Iowa Hills Software Smith Chart Can be downloaded from http://www.iowahills.com/9SmithChartPage.html - alternatively, any RF design software supports calculation of impedance matching components
ISFET pH sensor on a PCB WinSense WIPS Order a model pre-mounted on a PCB with on-chip gold reference electrode
Laboratory pH meter Hanna Instruments HI2210-02 Used with HI1131B glass probe
Microcontorller programmer Microchip PICkit 3 Other PIC16 compatible programmers can be also used
Pig stomach with esophagus Local pig farm Obtained from approx. 40–50 kg pig It is important that the stomach includes a full length of the esophagus.
Printed circuit board - receiver Choose preferred PCB supplier According to pcb2.zip data One layer, 0.8 mm thickness, FR4, no mask
Printed circuit board - sensor Choose preferred PCB supplier According to pcb1.zip data Two-layer with PTH, 0.6 mm thickness, FR4, 2x mask
Receiver - 0R Vishay CRCW04020000Z0EDC See Figure 12 and Figure 13 for placement
Receiver - 1.5 pF Murata GRM0225C1C1R5CA03L See Figure 12 and Figure 13 for placement
Receiver - 100 pF Murata GRM0225C1E101JA02L See Figure 12 and Figure 13 for placement
Receiver - 33 nH Pulse Electronics PE-0402CL330JTT See Figure 12 and Figure13 for placement
Receiver - RF schottky diodes MACOM MA4E2200B1-287T See Figure 12 and Figure 13 for placement
Receiver - SMA antenna LPRS ANT-433MS
Receiver - SMA connector Linx Technologies CONSMA001 See Figure 12 and Figure 13 for placement
Sensor - C1 Murata GRM0225C1H8R0DA03L 8 pF 0402 capacitor
Sensor - C2 Murata GRM0225C1H8R0DA03L 8 pF 0402 capacitor
Sensor - C3 Murata GCM155R71H102KA37D 1 nF 0402 capacitor
Sensor - C4 Murata GRM0225C1H1R8BA03L 1.8 pF
Sensor - C5 Vishay CRCW04020000Z0EDC Place 0R 0402 resistor or use to match the antenna
Sensor - C6 Murata GRM155C81C105KE11J 1 uF 0402 capacitor
Sensor - C7 Murata GRM155C81C105KE11J 1 uF 0402 capacitor
Sensor - C8 Murata GRM022R61A104ME01L 100 nF 0402 capacitor
Sensor - IC1 Microchip MICRF113YM6-TR MICRF113 RF transmitter
Sensor - IC2 Microchip PIC16LF1704-I/ML PIC16LF1704 low-power microcontroller
Sensor - R1 Vishay CRCW040210K0FKEDC 10 kOhm 0402 resistor
Sensor - R2 Vishay CRCW040233K0FKEDC 33 kOhm 0402 resistor
Sensor - R3 Vishay CRCW04021K00FKEDC 1 kOhm 0402 resistor
Sensor - R5 Vishay CRCW040210K0FKEDC 10 kOhm 0402 resistor
Sensor - X1 ABRACON ABM8W-13.4916MHZ-8-J2Z-T3 3.2 x 2.5 mm 13.4916 MHz 8 pF crystal
Titanium wire Sigma-Aldrich GF36846434 0.125 mm titanium wire
Vector network analyzer mini RADIO SOLUTIONS miniVNA Tiny Other vector network analyzers can be used - the required operation frequency is 300–500 MHz, resolution bandwidth equal or lower than 1 MHz, output power of no more than 0 dBm and dynamic range preferably better than 60 dB for the receiving front-end

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. El-Serag, H. B., Sweet, S., Winchester, C. C., Dent, J. Update on the epidemiology of gastro-oesophageal reflux disease: a systematic review. Gut. 63 (6), 871-880 (2014).
  2. Gyawali, C. P., et al. Modern diagnosis of GERD: the Lyon Consensus. Gut. 67 (7), 1351-1362 (2018).
  3. Cesario, S., et al. Diagnosis of GERD in typical and atypical manifestations. Acta Biomedica. 89 (5), 33-39 (2018).
  4. Sifrim, D., Gyawali, C. P. Prolonged wireless pH monitoring or 24-hour catheter-based pH impedance monitoring: Who, When, and Why. American Journal of Gastroenterology. 115 (8), 1150-1152 (2020).
  5. Chae, S., Richter, J. E. Wireless 24, 48, and 96 Hour or impedance or oropharyngeal prolonged pH monitoring: Which test, when, and why for GERD. Current Gastroenterology Reports. 20 (11), 52 (2018).
  6. Furness, J. B., Callaghan, B. P., Rivera, L. R., Cho, H. -J. The enteric nervous system and gastrointestinal innervation: integrated local and central control. Adv Exp Med Biol. 817, 39-71 (2014).
  7. Sanmiguel, C. P., et al. Effect of electrical stimulation of the LES on LES pressure in a canine model. American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver Physiology. 295 (2), 389-394 (2008).
  8. Rodríguez, L., et al. Electrical stimulation therapy of the lower esophageal sphincter is successful in treating GERD: final results of open-label prospective trial. Surgical Endoscopy. 27 (4), 1083-1092 (2013).
  9. Rinsma, N. F., Bouvy, N. D., Masclee, A. A. M., Conchillo, J. M. Electrical stimulation therapy for gastroesophageal reflux disease. Journal of Neurogastroenterology and Motility. 20 (3), 287-293 (2014).
  10. Rodríguez, L., et al. Two-year results of intermittent electrical stimulation of the lower esophageal sphincter treatment of gastroesophageal reflux disease. Surgery. 157 (3), 556-567 (2015).
  11. Kwiatek, M. A., Pandolfino, J. E. The BravoTM pH capsule system. Digestive and Liver Disease. 40 (3), 156-160 (2008).
  12. Karamanolis, G., et al. Bravo 48-hour wireless pH monitoring in patients with non-cardiac chest pain. objective gastroesophageal reflux disease parameters predict the responses to proton pump inhibitors. Journal of Neurogastroenterology and Motility. 18 (2), 169-173 (2012).
  13. Rodríguez, L., et al. Two-year results of intermittent electrical stimulation of the lower esophageal sphincter treatment of gastroesophageal reflux disease. Surgery (United States). 157 (3), 556-567 (2015).
  14. Hajer, J., Novák, M., Rosina, J. Wirelessly powered endoscopically implantable devices into the submucosa as the possible treatment of gastroesophageal reflux disease. Gastroenterology Research and Practice. 2019, 1-7 (2019).
  15. Deb, S., et al. Development of innovative techniques for the endoscopic implantation and securing of a novel, wireless, miniature gastrostimulator (with videos). Gastrointestinal Endoscopy. 76 (1), 179-184 (2012).
  16. Shin, P., Mikolajick, T., Ryssel, H. pH Sensing Properties of ISFETs with LPCVD Silicon Nitride Sensitive-Gate. The Journal of Electrical Engineering and Information Science. 2, 82-87 (1997).
  17. Benhamou, P. -Y., et al. Closed-loop insulin delivery in adults with type 1 diabetes in real-life conditions: a 12-week multicentre, open-label randomised controlled crossover trial. The Lancet Digital Health. 1 (1), 17-25 (2019).
  18. Nikolic, M., et al. Tailored modern GERD therapy - steps towards the development of an aid to guide personalized anti-reflux surgery. Scientific Reports. 9 (1), 19174 (2019).
  19. Hajer, J., Novák, M. Autonomous and rechargeable microneurostimulator endoscopically implantable into the submucosa. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (139), e57268 (2018).
  20. Pavelka, M., Roth, J. Parietal Cells Of Stomach: Secretion Of Acid. Functional Ultrastructure. , Springer. Vienna. 202-203 (2010).
  21. Jones, R. D., Neuman, M. R., Sanders, G., Cross, F. S. Miniature antimony pH electrodes for measuring gastroesophageal reflux. The Annals of Thoracic Surgery. 33 (5), 491-495 (1982).
  22. Avago technologies designing detectors for RF/ID tags application note 1089. , Available from: http://docs.avagotech.com/docs/AV02-1577EN (2008).
  23. Waugh, R. W., Buted, R. R. The zero bias schottky diode detector at temperature extremes-problems and solutions. Proceedings of the WIRELESS Symposium. , 175-183 (1996).
  24. Satoh, Y., Ikata, O., Miyashita, T. RF SAW filters. , Available from: http://www.te.chiba-u.jp/lab/ken/Symp/Symp2001/PAPER/SATOH.pdf (2011).
  25. Soffer, E. Effect of electrical stimulation of the lower esophageal sphincter in gastroesophageal reflux disease patients refractory to proton pump inhibitors. World Journal of Gastrointestinal Pharmacology and Therapeutics. 7 (1), 145 (2016).
  26. Microsemi ZL70323 MICS-band RF miniaturized standard implant module (MiniSIM). , Available from: https://www.microsemi.com/document-portal/doc_download/135307-zl70323-datasheet (2015).

Tags

الهندسة الحيوية، العدد 174،
بناء جهاز استشعار قابل للزرع بالمنظار يعمل لاسلكيا لمراقبة الرقم الحموضة مع جهاز استقبال قائم على ثنائي الثنائي صفر التحيز
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Novák, M., Rosina, J.,… More

Novák, M., Rosina, J., Gürlich, R., Cibulková, I., Hajer, J. Construction of a Wireless-Enabled Endoscopically Implantable Sensor for pH Monitoring with Zero-Bias Schottky Diode-based Receiver. J. Vis. Exp. (174), e62864, doi:10.3791/62864 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter