构建一种无线内窥镜植入式传感器，用于使用基于零偏置肖特基二极管的接收器进行pH监测

Summary

该手稿介绍了一种微型植入式pH传感器，具有ASK调制无线输出以及基于零偏置肖特基二极管的完全无源接收器电路。该解决方案可用作开发 体内 校准电刺激治疗设备和动态pH监测的基础。

Abstract

病理性反流的动态 pH 值监测是观察症状与食道暴露于酸性或非酸性反流物之间关系的机会。本文介绍了一种开发、制造和植入微型无线pH传感器的方法。该传感器设计为使用单个止血夹在内窥镜下植入。此外，还构建并测试了基于零偏置肖特基二极管的完全无源基于整流罩的接收器。为了构建该器件，使用了两层印刷电路板和现成的组件。带有集成模拟外设的微型微控制器用作离子敏感场效应晶体管（ISFET）传感器的模拟前端，并生成数字信号，该信号通过幅度移位键控发射器芯片传输。该设备由两个原碱性电池供电。植入式装置的总体积为0.6 ^cm3 ，重量为1.2克，其性能在 离体 模型（猪食道和胃）中得到验证。接下来，构建了一种基于小尺寸的无源矫直仪接收器，该接收器可以轻松集成到外部接收器或植入式神经刺激器中，并证明可以在靠近植入物（20厘米）时接收来自植入物的RF信号。传感器体积小，可提供连续的pH监测，同时将食道阻塞降至最低。该传感器可用于常规临床实践，用于24/96小时食管pH监测，而无需插入鼻导管。接收器的"零功率"特性还允许使用传感器对微型食管下括约肌神经刺激装置进行自动 体内 校准。基于传感器的主动控制支持开发高级算法，以最大限度地减少使用的能量，从而实现理想的临床结果。这种算法的一个例子是用于胃食管反流病（GERD）按需神经刺激治疗的闭环系统。

Introduction

蒙特利尔共识将胃食管反流病（GERD）定义为"当胃内容物反流引起不愉快的症状和/或并发症时发展的病症"。它可能与其他特定并发症相关，例如食管狭窄、Barrett 食管或食管腺癌。胃食管反流病影响约20%的成年人口，主要发生在经济地位高的国家¹。

病理性反流的动态pH值监测（酸暴露时间超过6%）使我们能够区分症状与酸性或非酸性胃食管反流之间的关系^2，3。对于对 PPI（质子泵抑制剂）治疗无反应的患者，pH 监测可以回答是否为病理性胃食管反流，以及为什么患者对标准 PPI 治疗无反应。目前提供各种pH和阻抗监测选项。其中一种较新的可能性是使用植入式设备进行无线监控^4，5。

胃食管反流病与食管下括约肌 （LES） 疾病相关，食管压测量期间显示的收缩不是病理性的，但在长期胃食管反流病中振幅减小。LES由平滑肌组成，由于肌源性和神经源性因素而维持强直收缩。由于迷走神经介导的抑制作用，一氧化氮作为神经递质⁶，它会松弛下来。

在犬回流模型中，用两对电极进....

Protocol

本研究没有涉及任何活体动物。该实验是在由猪食道和胃组成的 离体 模型上进行的。胃和食道是从当地屠宰场购买的，作为他们的标准产品。此程序符合捷克法律，由于"3R"原则（替换，减少和改进），我们更喜欢它。

1. pH电极组件的制造

注:在 pH 传感器组件的整个制造过程中，请遵守处理静电放电 （ESD） 敏感组件的注意事项。使用烙铁时要小心。

1. 将安装在印刷电路板（PCB）上的ISFET pH传感器放在平坦的表面上。找到可焊接触点。
2. 修剪可焊触点，使其长度不超过 3 mm。
3. 将 15 mm 部分的氟化乙烯丙烯 （FEP） 涂层电缆焊接到 pH 传感器的可焊接电极上。请勿以机械或化学方式清洁裸片组件。尽量避免在焊接过程中用助焊剂污染芯片和PCB。
4. 在显微镜下检查pH传感器电缆组件是否有开路和短路。然后，使用开空测试仪检查短裤。此阶段正确准备的组件如图 1 所示。
5. 在70°C的5%助焊剂去除剂溶液中，在70°C下在水中清洁pH传感器组件5分钟。超声波功率的最佳范围为50-100 W/l。不要超过 100 瓦/升。
6. 用工业级异丙醇冲洗pH传感器组件至少3分钟，然后在80°C的烘箱中干燥15分钟。
7. 在继续下一步之前，将所....

Results

成功构建了一个能够自主pH传感和无线传输pH值的设备，如图8所示。构造的设备是一个微型模型;它重1.2克，体积为0.6厘米³。近似尺寸为 18 毫米 x 8.5 毫米 x 4.5 毫米。如图15、图16和图17所示，可以用单个止血夹将食管下括约肌植入附近;无需特殊配件。植入传感器的解剖食道的详细视图如图19所示。

无源矫正接收器的整体基底面仅为^{22 mm2} ，尽管它针对手工焊接进行了优化。当无源矫正接收器处于活动状态（插入电池后24小时直到电池完全放电）时，将无源矫正接收器置于pH传感设备（10cm）附近时，可以在设备传输时观察到明显的电压尖峰。如图

Discussion

这种方法适用于致力于开发新型有源可植入医疗器械的研究人员。它需要熟练程度地制造带有表面贴装元件的电子原型。该协议中的关键步骤与电子产品的制造有关，特别是填充PCB，这很容易导致操作员在放置和焊接小组件时出错。然后，正确的封装对于延长暴露在潮湿和液体中的设备的使用寿命至关重要。植入方法的设计考虑了简单性。植入过程中食道穿孔或其他不良事件的风险很小。止血夹在临床实践中广泛使用;因此，无需特殊培训即可进行植入。

该器件可以很容易地进行修改，以配合具有电压输出的其他传感器，即电阻式传感器和其他ISFET传感器。这为在其他研究和临床实践领域利用整个概念提供了极大的灵活性;它不仅限于研究在pH ISFET传感器的情况下治疗GERD的新方法。

构造的设备是微型的;它的重量为1.2克，体积（0.6 ^cm3）比最接近的商业化植入式pH传感器少60%。通过将ISFET集成到PCB上，将电线直接粘合到PCB上，可以实现进一步的小型化。然而，这将大大增加所需设备的进入门槛（至少需要手动引线键合机）。因此，提出了一种更经济可行的替.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AG1 电池	Panasonic	SR621SW	每个植入物两节电池
电池座	MYOUNG	MY-521-01
用于天线的铜漆包线	pro-POWER	QSE 线 - 直径 0.15 毫米，38 SWG
用于封装的环氧树脂	乐泰	EA M-31 CL	的两部分医用级 ISO10993 兼容环氧树脂
FEP 电缆	Molex / Temp-Flex	100057-0273
助焊剂清洁剂	Shesto	UTFLLU05	在去离子水中制备 5% 溶液，以便通过超声处理进行清洁
止血夹	Boston Scientific	Resolution
热风枪 + 烙铁	W.E.P.	706 型	任何能够用锡和热风枪焊接的烙铁，能够保持 260 °C 可以使用
阻抗匹配软件	Iowa Hills 软件	史密斯圆图	可以从 http://www.iowahills.com/9SmithChartPage.html 下载 - 或者，任何射频设计软件都支持阻抗匹配元件的计算
PCB 上的 ISFET pH 传感器	WinSense	WIPS	订购预装在 PCB 上的模型，带有片上金参考电极
实验室 pH 计	Hanna Instruments	HI2210-02	与HI1131B玻璃探头一起使用
Microcontorller 编程器	Microchip	PICkit 3	也可以使用其他 PIC16 兼容编程器
猪胃与食道	本地养猪场	从大约 40–50 公斤猪	重要的是胃包括食道的全长。
印刷电路板 - 接收器	pcb2.zip数据	选择首选的PCB供应商	一层，0.8毫米厚，FR4，无掩模
印刷电路板-传感器	pcb1.zip数据	选择首选的PCB供应商	双层带PTH，0.6毫米厚，FR4,2x掩模
接收器 - 0R	Vishay	CRCW04020000Z0EDC	见图12和图13 用于放置
接收器 -1.5 pF	Murata	GRM0225C1C1R5CA03L	放置见图 12 和图 13
接收器 - 100 pF	Murata	GRM0225C1E101JA02L	放置见图 12 和图 13
接收器 - 33 nH	脉冲电子	PE-0402CL330JTT	放置见图 12 和图 13
接收器 - 射频肖特基二极管	MACOM	MA4E2200B1-287T	参见图 12 和图 13放置
接收器 - SMA 天线	LPRS	ANT-433MS
接收器 - SMA 连接器	Linx Technologies	CONSMA001	参见图 12 和图 13 放置
传感器 - C1	Murata	GRM0225C1H8R0DA03L	8 pF 0402 电容
传感器 - C2	Murata	GRM0225C1H8R0DA03L	8 pF 0402 电容
传感器 - C3	Murata	GCM155R71H102KA37D	1 nF 0402 电容器
传感器 - C4	Murata	GRM0225C1H1R8BA03L	1.8 pF
传感器 - C5	Vishay	CRCW04020000Z0EDC	放置 0R 0402 电阻器或用于匹配天线
传感器 - C6	Murata	GRM155C81C105KE11J	1 uF 0402 电容器
传感器 - C7	Murata	GRM155C81C105KE11J	1 uF 0402 电容器
传感器 - C8	Murata	GRM022R61A104ME01L	100 nF 0402 电容器
传感器 - IC1	Microchip	MICRF113YM6-TR	MICRF113 射频发射器
传感器 - IC2	Microchip	PIC16LF1704-I/ML	PIC16LF1704 低功耗微控制器
传感器 - R1	Vishay	CRCW040210K0FKEDC	10 kOhm 0402 电阻
传感器 - R2	Vishay	CRCW040233K0FKEDC	33 kOhm 0402 电阻器
传感器 - R3	Vishay	CRCW04021K00FKEDC	1 kOhm 0402 电阻器
传感器 - R5	Vishay	CRCW040210K0FKEDC	10 kOhm 0402 电阻器
传感器 - X1	ABRACON	ABM8W-13.4916MHZ-8-J2Z-T3	3.2 x 2.5 mm 13.4916 MHz 8 pF 晶体
钛线	Sigma-Aldrich	GF36846434	0.125 mm 钛线
矢量网络分析仪	mini RADIO SOLUTIONS	miniVNA Tiny	可以使用其他矢量网络分析仪 - 所需的工作频率为 300–500 MHz，分辨率带宽等于或低于 1 MHz，输出功率不超过 0 dBm，接收前端的动态范围最好优于 60 dB