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
August 27th, 2021
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。
该协议展示了无线植入式pH传感器的制造，该传感器将数据传输到完全无源接收器，从而能够非常节能地将数据从一个植入式设备传输到另一个植入式设备。传感器可以手工制造，也可以采用常用技术制造。接下来，数据传输方法可以直接在不同植入式设备的开发中重复使用。
在每一步之后彻底检查无线pH传感器至关重要。用于制造其组件的组件非常小，在制造过程中可能会发生短路或错位。首先，将安装在PCB上的ISFET pH传感器放在平坦的表面上，然后将15毫米的氟化乙烯丙烯涂层电缆焊接到pH传感器的可焊电极上，而不会污染染料和带有助焊剂的PCB。
混合至少两毫升的双组分环氧树脂以封装焊接的电极，然后使用黑色不透明环氧树脂进行后续检查。观察暴露在环境中的传感器部件在没有不透明环氧树脂的情况下的易見性。将混合的环氧树脂转移到带有0.5毫米平端针的一毫升注射器中，并用环氧树脂涂覆pH传感器的焊接区域，确保整个PCB电极区域和裸露的导线的涂层。
在显微镜下检查涂层区域是否有任何未涂层的裸露金属部件。重复未涂覆金属的涂层过程后，将导线修剪到长度和角度，然后用焊料涂覆两端以避免磨损。将带有组件的PCB置于面朝上的位置后，将焊膏涂在所有暴露的镀金焊盘上。
接下来，使用镊子放置无源和有源元件。焊接并冷却到室温后，在显微镜下检查PCB以验证元件和短路的位置。将固件编程到微控制器，并按照文中所述设置编程软件。
接下来，将编程器设置为以大约2.5伏的电压为设备供电。然后在编程后对五根导线进行脱焊。将两个电池座焊接到 PCB 的另一部分。
接下来，将pH传感器组件焊接到PCB的端子上，然后将两节AG1电池插入电池座。制备环氧树脂后，如前所述用环氧树脂封装设备。让环氧树脂在室温下固化。
用一滴快速固化的环氧树脂将线钩连接到设备上。在室温下固化后，pH传感器可以位于可植入装置的左下角。使用焊枪焊接组件。
要再次制造矫正接收器或在没有接收器匹配的情况下继续，请使用此处提供的组件值，并在下一步中跳过S11 Smith图表的记录。否则，请将 SMA 连接器焊接到 PCB 上。将矢量网络分析仪输入附加到 SMA 连接器。
记录直肠的S11史密斯图。观察响应并记录阻抗。使用阻抗匹配计算器软件确定匹配元件的值。
焊接阻抗匹配元件，并在显微镜下检查短路和元件位置。再次用频谱分析仪测量后，确认电压驻波比在300至500兆赫兹之间。否则，请使用不同的匹配组件重复上述步骤。
在电池插入 24 小时后激活设备后，通过观察示波器中显示的信号来检查传感器的输出。制备pH 4、pH 7、pH 10的2%盐酸溶液和100毫摩尔缓冲溶液。将胶囊浸没在每个烧杯中，并记录至少三个样品。
测量第二和第三脉冲之间的周期。在提供的电子表格中填写后，使用电子表格确定pH传感器的校准系数。在制备胃和食道长段的离体内窥镜猪模型后，用止血夹将传感器从外部抓取。
以标准方式将带有传感器的内窥镜插入夹子中。将夹子与传感器一起靠近食管下括约肌放置后，将内窥镜对着食管壁旋转，打开夹子，然后向食管壁推。合上并松开夹子。
当传感器保持在所需位置的食管壁上时，取出内窥镜。将接收器放置在植入式传感器的10厘米范围内。将50毫升具有不同pH值的溶液注入食道中，并观察传感器响应的变化。
每次注射后收回内窥镜，并在注射后不早于30秒读取该值，并使用电子表格计算传感器测量的pH值。在具有不同pH值的注射溶液之间用100毫升去离子水冲洗食道。当无源矫正接收器放置在pH传感设备附近时，在设备发射时观察到明显的电压尖峰。
前两个短脉冲是同步脉冲。第二个和第三个脉冲之间的时间线性转换为传感器所承受环境的pH值。基于使用 pH 4 和 pH 10 缓冲液进行的简单两点校准，传感器返回稳定且可重复的 pH 值读数。
在溶液和烧杯中测试时，误差的均值和标准差分别为0.25和0.30，在离体模型中分别为0.31和0.36。具有活动GSM呼叫的移动电话天线对从传感器接收数据的影响只有很小的负面影响，如电话边缘和接收器之间的20厘米，10厘米和5厘米距离所示。必须正确完成和检查传感器的封装，以延长植入时设备的使用寿命。
接下来，正确放置止血夹至关重要。这项研究通过创建一种节能的方式来传输数据，特别是从接收器的角度来看，为植入式设备的无线网络的发展铺平了道路。
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
概览
本文介绍了一种制造无线可植入pH传感器的协议，该传感器可将数据传输到完全被动的接收器。该传感器设计用于高效的数据传输，可以使用常见的技术进行制造。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 生物医学工程
- 无线传感器技术
背景
- 开发用于健康监测的可植入设备至关重要。
- 生物医学设备中的无线通信增强了其功能性。
- 电源效率对于可植入传感器的长期使用至关重要。
- 准确的pH监测可以辅助各种治疗应用。
研究目的
- 制造一个微型可植入pH传感器。
- 实现高效的无线数据传输。
- 为未来的电刺激治疗设备奠定基础。
使用的方法
- 使用ISFET技术制造pH传感器。
- 在PCB上组装组件。
- 焊接技术以确保正确的连接。
- 每个制造步骤后检查传感器。
主要结果
- 传感器成功实现了无线数据传输。
- 通过使用被动接收器实现了电源效率。
- 制造方法的可靠性已得到验证。
- 该设计可以适用于各种可植入设备。
结论
- 微型pH传感器代表了可植入技术的重大进步。
- 未来的应用可能包括体内校准电刺激治疗。
- 继续开发此类设备可以增强门诊健康监测。
常见问题
Executive Industry Relevance
This wireless implantable pH sensor enables continuous, minimally invasive monitoring of esophageal pH for gastroesophageal reflux disease (GERD) research and therapeutic development. By eliminating nasal catheters and leveraging a zero-bias Schottky diode-based passive receiver, the system supports long-term ambulatory studies with reduced patient burden. The technology provides a foundation for closed-loop neurostimulation therapies, offering predictive value in target validation and mechanistic de-risking for GI motility and reflux pathophysiology.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of acid exposure dynamics in pathophysiological reflux models to validate therapeutic targets.
- Operational Value: Supports hypothesis testing via quantitative pH readouts that correlate with symptom onset and reflux episodes.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates reproducible, real-time pH measurements for assay standardization in ex vivo and in vivo models.
- Operational Value: Facilitates high-fidelity data transmission to external receivers, enabling scalable screening of compounds affecting gastric acid secretion or LES tone.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Bridges discovery to preclinical validation through continuous pH monitoring in porcine ex vivo models, supporting translational biomarker alignment.
- Operational Value: Allows assessment of device performance under physiological conditions, informing risk-adjusted advancement decisions for implantable therapies.
Pipeline & Workflow Integration
The sensor integrates into the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical evaluation, particularly for GERD-modulating compounds and neurostimulation therapies.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by quantifying pH fluctuations in disease-relevant systems, clarifying pathway involvement in reflux pathogenesis.
- Screening: Enables assay readiness via stable, repeatable signal output calibrated against pH 4 and 10 buffers, ensuring reliable compound evaluation.
- Analytics: Provides quantitative dependent variable measurements (pulse interval) that translate linearly to environmental pH, enabling statistical comparison across conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity through ex vivo validation in porcine esophagus and stomach, supporting extrapolation to in vivo studies.
- Enterprise Reuse: The passive rectenna receiver design is reusable across implantable platforms, reducing redevelopment effort for future wireless sensor networks.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Delivers predictive confidence in target engagement by linking pH changes to pharmacological or neuromodulatory interventions.
- Operational Value: Ensures reproducibility through encapsulation protocols and inspection checkpoints that minimize failure modes during implantation.
- Strategic Value: Reduces late-stage biological risk by enabling early assessment of therapeutic effects on acid exposure in physiologically relevant models.
- Portfolio Impact: Informs go/no-go decisions via objective, longitudinal pH data that reflect disease modification rather than transient effects.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfabrication, soldering of miniature components, and epoxy encapsulation techniques.
- Dependent on PCB assembly tools, spectrum analyzers, and oscilloscopes for signal validation and impedance matching.
- Necessitates cross-team standardization between bioengineering, electronics, and animal surgery teams for consistent device performance.
- Must account for variability in ex vivo tissue models when extrapolating to in vivo conditions.
- Limited by battery life of primary alkaline cells, constraining deployment duration despite passive receiver efficiency.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Introduction
0:57
pH Sensor Assembly Fabrication
2:10
Electronic Assembly Fabrication
3:32
Passive Rectenna Receiver Fabrication
4:36
Device Testing
5:16
Endoscopic Sensor Implantation
5:59
Post-implantation Experiment
6:35
Results: Endoscopically Implantable pH Monitoring Sensor
7:42
Conclusion
