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Methodenartikel

Aufbau eines funkfähigen endoskopisch implantierbaren Sensors zur pH-Überwachung mit Zero-Bias Schottky Dioden-basiertem Empfänger

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DOI:

10.3791/62864

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27. August 2021

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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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Das Manuskript präsentiert einen implantierbaren Miniatur-pH-Sensor mit ASK-moduliertem Funkausgang zusammen mit einer vollständig passiven Empfängerschaltung, die auf Null-Bias-Schottky-Dioden basiert. Diese Lösung kann als Grundlage für die Entwicklung von in vivo kalibrierten Elektrostimulationstherapiegeräten und für die ambulante pH-Überwachung verwendet werden.

Zusammenfassung

Die ambulante pH-Überwachung des pathologischen Refluxes ist eine Gelegenheit, den Zusammenhang zwischen Symptomen und exposition der Speiseröhre gegenüber saurem oder nicht saurem Refluxat zu beobachten. Dieser Artikel beschreibt eine Methode zur Entwicklung, Herstellung und Implantation eines drahtlosen Miniatur-pH-Sensors. Der Sensor ist so konzipiert, dass er endoskopisch mit einem einzigen hämostatischen Clip implantiert werden kann. Ein vollständig passiver Rectenna-basierter Empfänger, der auf einer Null-Bias-Schottky-Diode basiert, wird ebenfalls konstruiert und getestet. Um das Gerät zu konstruieren, wurden eine zweischichtige Leiterplatte und handelsübliche Komponenten verwendet. Ein Miniatur-Mikrocontroller mit integrierter analoger Peripherie wird als analoges Frontend für den ionenempfindlichen Feldeffekttransistor (ISFET) Sensor und zur Erzeugung eines digitalen Signals verwendet, das mit einem Amplitudenverschiebungs-Keying-Transmitterchip übertragen wird. Das Gerät wird von zwei primären Alkalizellen angetrieben. Das implantierbare Gerät hat ein Gesamtvolumen von 0,6 cm3 und ein Gewicht von 1,2 Gramm und seine Leistung wurde in einem Ex-vivo-Modell (Schweinespeiseröhre und Magen) nachgewiesen. Als nächstes wurde ein passiver Rektenna-basierter Empfänger mit geringem Platzbedarf konstruiert, der einfach entweder in einen externen Empfänger oder den implantierbaren Neurostimulator integriert werden kann, und es wurde nachgewiesen, dass er das HF-Signal vom Implantat empfängt, wenn es sich in der Nähe (20 cm) befindet. Die geringe Größe des Sensors ermöglicht eine kontinuierliche pH-Überwachung mit minimaler Obstruktion der Speiseröhre. Der Sensor könnte in der klinischen Routinepraxis für die 24/96 h Ösophagus-pH-Überwachung eingesetzt werden, ohne dass ein Nasenkatheter eingeführt werden muss. Die "Zero-Power" -Natur des Empfängers ermöglicht auch die Verwendung des Sensors für die automatische In-vivo-Kalibrierung von Miniatur-Neurostimulationsgeräten für den unteren Ösophagussphinkter. Eine aktive sensorbasierte Steuerung ermöglicht die Entwicklung fortschrittlicher Algorithmen, um die verbrauchte Energie zu minimieren, um ein wünschenswertes klinisches Ergebnis zu erzielen. Eines der Beispiele für einen solchen Algorithmus wäre ein Closed-Loop-System zur On-Demand-Neurostimulationstherapie der gastroösophagealen Refluxkrankheit (GERD).

Einleitung

Der Montreal Consensus definiert die gastroösophageale Refluxkrankheit (GERD) als "eine Erkrankung, die sich entwickelt, wenn der Reflux des Mageninhalts unangenehme Symptome und / oder Komplikationen verursacht". Es kann mit anderen spezifischen Komplikationen wie Ösophagus-Strikturen, Barrett-Ösophagus oder Ösophagus-Adenokarzinom assoziiert sein. GERD betrifft etwa 20 % der erwachsenen Bevölkerung, hauptsächlich in Ländern mit hohem wirtschaftlichen Status1.

Die ambulante pH-Überwachung des pathologischen Refluxes (Säureexpositionszeit von mehr als 6 %) ermöglicht es uns, den Zusammenhang zwischen Symptomen und saurem oder nicht saurem gastroösophagealem Reflux zu unterscheiden2,3. Bei Patienten, die nicht auf eine PPI-Therapie (Protonenpumpenhemmer) ansprechen, kann die pH-Überwachung beantworten, ob es sich um einen pathologischen gastroösophagealen Reflux handelt und warum der Patient nicht auf die Standard-PPI-Therapie anspricht. Derzeit werden verschiedene Optionen zur pH- und Impedanzüberwachung angeboten. Eine der neueren Möglichkeiten ist die drahtlose Überwachung mit implantierbaren Geräten4,5.

GERD ist mit einer Störung des unteren Ösophagussphinkters (LES) assoziiert, bei der die während der Ösophagusmanometrie gezeigten Kontraktionen nicht pathologisch sind, sondern bei langfristiger GERD eine verminderte Amplitude aufweisen. LES besteht aus glatter Muskulatur und erhält tonische Kontraktionen aufgrund myogener und neurogener Faktoren aufrecht. Es entspannt sich aufgrund einer vagalvermittelten Hemmung mit Stickstoffmonoxid als Neurotransmitter6.

Es wurde nachgewiesen, dass die elektrische Stimulation mit zwei Elektrodenpaaren die Kontraktionszeit des LES in einem Canine Reflux Model7 erhöht. Die Entspannung des LES einschließlich des Restdrucks beim Schlucken wurde sowohl durch die nieder- als auch durch die hochfrequente Stimulation nicht beeinflusst. Hochfrequenzstimulation ist eine offensichtliche Wahl, da sie weniger Strom benötigt und die Akkulaufzeit verlängert.

Obwohl die Elektrostimulationsbehandlung (ET) des unteren Ösophagussphinkters ein relativ neues Konzept bei der Behandlung von Patienten mit GERD ist, erwies sich diese Therapie als sicher und wirksam. Es hat sich gezeigt, dass diese Form der Behandlung eine signifikante und dauerhafte Linderung der Symptome von GERD bietet, während die Notwendigkeit einer PPI-Behandlung entfällt und die Exposition gegenüber Speiseröhrensäure reduziert wird8,9,10.

Der aktuelle pH-Sensor auf dem neuesten Stand der Technik für die Diagnose von GERD ist das Bravo-Gerät11,12. Bei einem geschätzten Volumen von 1,7 cm3 kann es mit oder ohne visuelle endoskopische Rückkopplung direkt in die Speiseröhre implantiert werden und bietet eine Überwachung des pH-Wertes in der Speiseröhre über 24 h+.

In Anbetracht der Tatsache, dass die Elektrostimulationstherapie eine der vielversprechendsten Alternativen zur Behandlung von GERD ist, die nicht auf die Standardtherapie anspricht8,13, ist es sinnvoll, die Daten vom pH-Sensor dem Neurostimulator zur Verfügung zu stellen. Die jüngste Forschung zeigt einen klaren Weg für die zukünftige Entwicklung in diesem Bereich, die zu starren implantierbaren All-in-One-Geräten führen wird, die sich am Ort der Neurostimulation befinden werden14,15. Zu diesem Zweck ist der ISFET (ionenempfindlicher Feldeffekttransistor) aufgrund seiner Miniaturnatur, der Möglichkeit der On-Chip-Integration einer Referenzelektrode (in diesem Fall Gold) und einer ausreichend hohen Empfindlichkeit einer der besten Sensortypen. Auf Silizium ähnelt der ISFET der Struktur eines Standard-MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Das Gate, das normalerweise mit einer elektrischen Klemme verbunden ist, wird jedoch durch eine Schicht aus aktivem Material ersetzt, die in direktem Kontakt mit der Umgebung steht. Bei pH-sensitiven ISFETs wird diese Schicht durch Siliziumnitrid (Si3N4)16 gebildet.

Der Hauptnachteil endoskopisch implantierbarer Geräte ist die inhärente Begrenzung der Batteriegröße, die zu einer verkürzten Lebensdauer dieser Geräte führen oder die Hersteller motivieren kann, fortschrittliche Algorithmen zu entwickeln, die den erforderlichen Effekt bei geringeren Energiekosten liefern. Eines der Beispiele für einen solchen Algorithmus wäre ein closed-loop-System zur On-Demand-Neurostimulationstherapie von GERD. Ähnlich wie kontinuierliche Glukosemessgeräte (CGM) + Insulinpumpensysteme17 würde ein solches System einen pH-Sensor der Speiseröhre oder einen anderen Sensor verwenden, um den aktuellen Druck des unteren Ösophagussphinkters zusammen mit einer Neurostimulationseinheit zu erfassen.

Das Ansprechen auf die Neurostimulationstherapie und die Anforderungen an Neurostimulationsmuster können individuell sein13. Daher ist es wichtig, unabhängige Sensoren zu entwickeln, die entweder zur Diagnose und Charakterisierung der Dysfunktion eingesetzt werden können oder aktiv an der Kalibrierung des Neurostimulationssystems entsprechend den individuellen Anforderungen der Patienten beteiligt sind18. Diese Sensoren sollten so klein wie möglich sein, um die normale Funktionalität des Organs nicht zu beeinträchtigen.

Dieses Manuskript beschreibt eine Methode des Designs und der Herstellung eines ISFET-basierten pH-Sensors mit Amplituden-Shift-Keying-Sender (ASK) und einem passiven Rectenna-basierten Empfänger mit geringem Platzbedarf. Basierend auf der einfachen Architektur der Lösung können die pH-Daten von einem externen Empfänger oder sogar dem implantierbaren Neurostimulator ohne nennenswerte Volumen- oder Leistungseinbußen empfangen werden. Die ASK-Modulation wird aufgrund der Art des passiven Empfängers gewählt, der nur in der Lage ist, die empfangene HF-Signalleistung (oft als "empfangene Signalstärke" bezeichnet) zu erfassen. Das schematische Diagramm, das als Ergänzungsmaterial eingebettet ist, zeigt den Aufbau des Gerätes. Es wird direkt von zwei AG1 Alkaline-Batterien gespeist, die eine Spannung zwischen 2,0-3,0 V (basierend auf dem Ladezustand) liefern. Die Batterien versorgen den internen Mikrocontroller mit Strom, der seinen ADC (Analog-Digital-Wandler), DAC (Digital-Analog-Wandler), den internen Operationsverstärker und die FVR-Peripherie (Festspannungsreferenz) nutzt, um den ISFET-pH-Sensor zu verbiegen. Die resultierende "Gate"-Spannung (die Gold-Referenzelektrode) ist proportional zum pH-Wert der Umgebung. Ein stabiler Ids-Strom wird durch einen Low-Side-R2-Messwiderstand bereitgestellt. Die Quelle des ISFET-Sensors ist mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden, während der invertierende Eingang mit der Ausgangsspannung des DAC-Moduls verbunden ist, die auf 960 mV eingestellt ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers wird mit dem Drain-Pin des ISFETs verbunden. Dieser Operationsverstärker regelt die Drain-Spannung so, dass die Spannungsdifferenz am R2-Widerstand immer 960 mV beträgt; somit fließt ein konstanter Vorspannungsstrom von 29 μA durch den ISFET (im Normalbetrieb). Die Gate-Spannung wird dann mit einem ADC gemessen. Der Mikrocontroller schaltet dann den HF-Transmitter über einen der GPIO-Pins (General Purpose Input/Output) ein und überträgt die Sequenz. Die HF-Senderschaltung umfasst einen Quarz und ein passendes Netzwerk, das den Ausgang auf 50 Ω Impedanz anpasst.

Für die hier gezeigten Experimente verwendeten wir einen Schweinemagen mit einem langen Abschnitt der Speiseröhre, der in einem standardisierten Kunststoffmodell montiert war. Dies ist ein häufig verwendetes Modell für das Üben endoskopischer Techniken wie ESD (endoskopische submuköse Dissektion), POEM (orale endoskopische Myotomie), endoskopische Schleimhautresektion (EMR), Hämostase usw. In Bezug auf die engstmöglichen anatomischen Parameter, die sich menschlichen Organen nähern, haben wir den Magen und die Speiseröhre von Schweinen mit einem Gewicht von 40-50 kg verwendet.

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Protokoll

An dieser Studie waren keine lebenden Tiere beteiligt. Das Experiment wurde an einem Ex-vivo-Modell durchgeführt, das aus einer Schweinespeiseröhre und einem Magen bestand. Der Magen und die Speiseröhre wurden von einer lokalen Metzgerei als Standardprodukt gekauft. Dieses Verfahren entspricht den tschechischen Gesetzen und wir bevorzugen es wegen des "3R" -Prinzips (Ersatz, Reduzierung und Verfeinerung).

1. Herstellung der pH-Sensorbaugruppe

HINWEIS: Beachten Sie die Vorsichtsmaßnahmen für den Umgang mit elektrostatischen Entladungskomponenten (ESD) während der gesamten Herstellung der pH-Sensorbaugruppe. Seien Sie vorsichtig, wenn Sie mit dem Lötkolben arbeiten.

  1. Platzieren Sie den ISFET-pH-Sensor auf einer Leiterplatte (PCB) auf einer ebenen Oberfläche. Suchen Sie die lötbaren Kontakte.
  2. Trimmen Sie die lötbaren Kontakte, so dass ihre Länge nicht länger als 3 mm ist.
  3. Löten Sie einen 15 mm langen Abschnitt eines mit fluoriertem Ethylenpropylen (FEP) beschichteten Kabels an die lötbaren Elektroden des pH-Sensors. Reinigen Sie die blanke Matrizenbaugruppe nicht mechanisch oder chemisch. Versuchen Sie, eine Kontamination der Matrize und der Leiterplatte mit Flussmittel während des Lötens zu vermeiden.
  4. Untersuchen Sie die pH-Sensorkabelbaugruppe unter dem Mikroskop auf offene Stromkreise und Kurzschlüsse. Überprüfen Sie dann die Shorts mit einem Open-Short-Tester. Eine korrekt vorbereitete Baugruppe in dieser Phase ist in Abbildung 1 dargestellt.
  5. Reinigen Sie die pH-Sensorbaugruppe in einem Ultraschallreiniger für 5 min bei 70 °C in einer 5%igen Lösung des Flussmittelentferners in Wasser. Der optimale Bereich der Ultraschallleistung beträgt 50-100 W/l. Überschreiten Sie nicht 100 W/l.
  6. Spülen Sie die pH-Sensorbaugruppe in isopropylalkohol technischer Qualität für mindestens 3 min ab und lassen Sie sie 15 min im Ofen bei 80 °C trocknen.
  7. Platzieren Sie alle pH-Sensoren auf einer ebenen Oberfläche (falls mehrere gleichzeitig vorbereitet werden), bevor Sie mit dem nächsten Schritt fortfahren.
  8. Mischen Sie eine geeignete Menge zweiteiliges Epoxidharz für die Verkapselung der gelöteten Elektroden. Verwenden Sie mindestens 2 ml, um ein gründliches Mischen zu ermöglichen. Verwenden Sie schwarzes undurchsichtiges Epoxidharz, um eine spätere Inspektion zu ermöglichen - Teile des Sensors, die der Umgebung ausgesetzt sind, werden leichter gesehen, da sie kein undurchsichtiges Epoxidharz enthalten
  9. Geben Sie das gemischte Epoxidharz mit einer 0,5 mm flachen Nadel auf eine 1 ml Spritze.
  10. Beschichten Sie den Lötbereich von pH-Sensoren mit Epoxidharz. Stellen Sie sicher, dass Sie den gesamten Bereich der PCB-Elektroden und des freiliegenden Drahtes beschichten.
  11. Lassen Sie das Epoxidharz entweder bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur (max. 80 °C) aushärten, für diese Studie wurden 50 °C mit dem in der Materialtabelle aufgeführten Epoxidharz verwendet.
  12. Untersuchen Sie den beschichteten Bereich unter dem Mikroskop. Wenn unbeschichtete Metallteile (entweder PCB-Elektrode oder Draht) freigelegt sind, wiederholen Sie die Schritte 1.8-1.11, bis keine sichtbaren Anzeichen von unbeschichtetem Metall mehr vorhanden sind.
  13. Trimmen Sie die Drähte auf die in Abbildung 2 dargestellte Länge und den Winkel. Beschichten Sie die Enden mit Lot, um ein Ausfransen zu vermeiden.

2. Herstellung der elektronischen Baugruppe

HINWEIS: Beachten Sie die Vorsichtsmaßnahmen für den Umgang mit ESD-empfindlichen Komponenten während der gesamten Herstellung der Elektronik. Seien Sie vorsichtig, wenn Sie mit dem Lötkolben und der Heißluftpistole arbeiten.

  1. Platzieren Sie die Leiterplatte (hergestellt auf der Grundlage der ergänzenden Dateien "pcb1.zip" und des Schaltplandiagramms "schematic.png") auf einer ebenen Oberfläche, Komponenten mit der Seite nach oben.
  2. Tragen Sie Lotpaste auf alle freiliegenden vergoldeten Pads auf.
  3. Platzieren Sie alle passiven und aktiven Komponenten mit einer Pinzette gemäß Abbildung 3 und der Materialtabelle.
  4. Erhitzen Sie die Leiterplatte mit der Heißluftpistole, um die Komponenten zu löten. Erhitzen Sie die Leiterplatte allmählich auf 150 °C für 2 min, um Restwasser aus den Verpackungen zu entfernen und das Flussmittel in der Lotpaste zu aktivieren. Erhitzen Sie dann die Leiterplatte auf 260 °C, um die Komponenten zu löten. Lassen Sie die Leiterplatte auf Raumtemperatur abkühlen und bewegen Sie sie während des gesamten Lötvorgangs nicht.
  5. Untersuchen Sie nach dem Löten und Abkühlen auf Raumtemperatur die Leiterplatte unter dem Mikroskop, um die korrekte Platzierung aller Komponenten und Kurzschlüsse zu überprüfen. Wenn keine Shorts oder eine falsche Bauteilplatzierung beobachtet werden, überspringen Sie Schritt 2.6.
  6. Reparieren Sie Shorts oder falsche Komponentenplatzierung mit einer Lötpistole oder Heißluftpistole. Fahren Sie mit Schritt 2.5 fort.
  7. Löten Sie 5 Drähte an die Komponenten (Strom- und Programmierleitungen), wie in Abbildung 4 dargestellt.
  8. Um die Leiterplatte mit dem Programmiergerät zu verbinden, schließen Sie die in Schritt 2.7 gelöteten Drähte an. zum Anschluss des Programmierers.
  9. Programm-Firmware (siehe Repräsentative Ergebnisse für eine detaillierte Erklärung, welche Datei zu verwenden ist) auf den Mikrocontroller. Verwenden Sie die zuvor beschriebene Vorgehensweise, um die Programmiersoftware einzurichten19. Stellen Sie den Programmierer so ein, dass er das Gerät mit einer Spannung von ca. 2,5 V mit Strom versorgt.
  10. Platzieren Sie die Leiterplatte auf einer ebenen Oberfläche, Bauteilseite nach oben. Löten Sie den AWG38-Kupferantennendraht (Länge 3 cm) wie in Abbildung 5 dargestellt, und wickeln Sie ihn um den Rand der Leiterplatte. Befestigen Sie den Antennendraht mit einem Cyanacrylatkleber am Rand der Leiterplatte. Löten Sie die beiden anderen Drahtbrücken mit SWG38-Kupferdraht, wie in Abbildung 5 dargestellt. Vermeiden Sie elektrischen Kontakt mit anderen Komponenten.
  11. Legen Sie die Leiterplatte auf eine flache Oberfläche, Bauteilseite nach unten.
  12. Löten Sie zwei Batteriehalter an den gegenüberliegenden Teil der Leiterplatte, wie in Abbildung 6 dargestellt.
  13. Löten Sie die pH-Sensorbaugruppe an die Anschlüsse auf der Leiterplatte, wie in Abbildung 7 dargestellt.
  14. Legen Sie zwei AG1-Batterien in die Batteriehalter ein.
    HINWEIS: Fahren Sie mit diesem Schritt und den nächsten Schritten in diesem Abschnitt nicht früher als 24 Stunden vor dem Testen und der endoskopischen Implantation des Sensors fort.
  15. Bereiten Sie eine geeignete Menge Epoxidharz vor, wie in Schritt 1.8 beschrieben. zur Verkapselung des Gerätes.
  16. Verkapseln Sie das Gerät mit dem Epoxidharz unter Verwendung des in Schritt 1.9 beschriebenen Verfahrens (Spritze mit Nadel). Lassen Sie das Epoxidharz bei Raumtemperatur oder leicht erhöhter Temperatur aushärten (nicht mehr als 50 ° C wegen der Anwesenheit von Batterien). In Abbildung 8 finden Sie die korrekten Verkapselungsergebnisse.
  17. Erstellen Sie einen Titandrahthaken gemäß Abbildung 9.
    HINWEIS: Titan (Grade II) wurde aufgrund seiner Biokompatibilität und seiner Erfolgsbilanz bei der Verwendung in implantierbaren Medizinprodukten ausgewählt. Es kann auch Edelstahl verwendet werden. Die Art und Wärmebehandlung muss jedoch sorgfältig gewählt werden, da einige Edelstahlsorten sehr spröde sind.
  18. Befestigen Sie den Drahthaken mit einem Tropfen schnell aushärtendem Epoxidharz am Gerät (siehe Abbildung 10) und lassen Sie es bei Raumtemperatur oder leicht erhöhter Temperatur (maximal 50 °C) aushärten. Der pH-Sensor befindet sich auf der linken unteren Seite des implantierbaren Geräts.
  19. Der Sensor wird 24 h nach dem Einsetzen der Batterien aktiviert. Fahren Sie in der Zwischenzeit mit Schritt 3 fort.
    HINWEIS: Pausieren Sie das Protokoll jetzt, wenn der Abschluss von Schritt 3 innerhalb von 24 Stunden nach dem Einsetzen der Batterien möglich ist.

3. Herstellung eines passiven Rektenna-Empfängers

  1. Platzieren Sie die Leiterplatte (hergestellt anhand der Zusatzdatei "pcb2.zip"). für die Rectenna auf einer ebenen Fläche.
  2. Löten Sie die Bauteile mit dem in den Schritten 2.2-2.6 beschriebenen Lötpastenverfahren oder verwenden Sie eine Lötpistole gemäß Abbildung 11A.
    HINWEIS: Wenn der Experimentator beschließt, den Rektenna-Empfänger erneut herzustellen (er wurde zuvor hergestellt und abgeglichen) oder nicht mit dem Empfängerabgleich fortfahren möchte, verwenden Sie die Werte der Komponenten, die zuvor vom Experimentator bestimmt oder in Abbildung 11B angegeben wurden, und überspringen Sie die Schritte 3.5-3.7.
  3. Löten Sie den SMA-Stecker auf die Leiterplatte.
  4. Untersuchen Sie die Leiterplatte unter einem Mikroskop. Wenn Shorts oder eine falsche Platzierung der Komponenten beobachtet werden, beheben Sie die Probleme.
  5. Schließen Sie einen Vektor-Netzwerkanalysatoreingang an den SMA-Anschluss an.
  6. Nehmen Sie das S11 Smith-Diagramm der Rektenna von 300-500 MHz mit 1 kHz Auflösungsbandbreite auf. Beobachten Sie die Reaktion und zeichnen Sie die Impedanz bei 431,7 MHz auf. Verwenden Sie eine Impedanzanpassungsrechner-Software, um die Werte der übereinstimmenden Komponenten zu bestimmen. Das Smith-Beispieldiagramm ist in Abbildung 12A dargestellt.
  7. Löten Sie die impedanzgerechten Komponenten und prüfen Sie unter dem Mikroskop auf Kurzschlüsse und Bauteilplatzierung.
  8. Messen Sie erneut mit dem Spektrumanalysator und bestätigen Sie, dass das Spannungs-Stehwellenverhältnis (VSWR) unter 3 zwischen 300-500 MHz liegt (innerhalb des äußeren Cyankreises in Abbildung 12B). Wenn nicht, wiederholen Sie dies entweder mit verschiedenen passenden Komponenten oder fahren Sie mit der reduzierten Leistung der Rectenna fort.
  9. Schließen Sie die 433-MHz-Bandantenne an den SMA-Anschluss an. Schließen Sie ein Oszilloskop an den Rektenna-Ausgang an.
  10. Stellen Sie das Oszilloskop auf Einkanalbetrieb, Rollzeitbasis, DC-Modus, 500 ms/div-Zeitbasis und 5 mV/div Spannungsskala ein.

4. Prüfung des Gerätes

HINWEIS: Die folgenden Schritte erfordern die Verwendung von Chemikalien. Studieren Sie vorher die Sicherheitsdatenblätter der Chemikalien und verwenden Sie bei der Manipulation geeignete Schutzausrüstung und gängige Laborpraktiken.

  1. Überprüfen Sie den Ausgang des Sensors, indem Sie das auf dem Oszilloskop angezeigte Signal beobachten. Die Beispielausgabe ist in Abbildung 13,14 dargestellt. Das Gerät wird nach 24 Stunden nach dem Einsetzen der Batterien aktiv sein. Der Zeitraum der Übertragung des Ausgangs des pH-Sensors variiert je nach der Datei, die auf den Mikrocontroller programmiert wurde (siehe Repräsentative Ergebnisse für eine detaillierte Erklärung).
  2. Bereiten Sie 2% ige Salzsäurelösung vor (seien Sie vorsichtig beim Umgang mit Salzsäure). 100 mM Pufferlösungen von pH 4 (Kaliumhydrogenphthalat/Salzsäure), pH 7 (Kaliumdihydrogenphosphat/Natriumhydroxid) und pH 10 (Natriumcarbonat/Natriumhydrogencarbonat) unter Verwendung von Standardlaborverfahren herzustellen und die Bechergläser zu markieren.
  3. Überprüfen Sie den pH-Wert aller vier Bechergläser mit einem kalibrierten pH-Messgerät. Bei Bedarf anpassen.
  4. Tauchen Sie die Kapsel in jedes Becherglas und nehmen Sie mindestens 3 Proben auf. Messen Sie den Zeitraum zwischen dem zweiten und dritten Impuls und füllen Sie ihn in die bereitgestellte Tabelle ein (Ergänzende Datei 1). Bestimmen Sie die Kalibrierkoeffizienten für den pH-Sensor mithilfe der Tabelle.
  5. Messen Sie nach der Kalibrierung die Zeit zwischen dem zweiten und dem dritten Impuls und geben Sie sie in die Tabelle ein, um den pH-Wert der Lösung zu bestimmen, der der pH-Sensor ausgesetzt ist.

5. Endoskopische Implantation des Sensors

  1. Bereiten Sie ein endoskopisches Ex-vivo-Schweinemodell vor, das aus dem Magen und einem langen Segment der Speiseröhre besteht.
  2. Greifen Sie den Sensor extern mit einem hämostatischen Clip an, wie in Abbildung 15 und Abbildung 16 dargestellt.
  3. Setzen Sie das Endoskop mit dem Sensor im Clip standardmäßig in das Modell ein.
  4. Positionieren Sie den Clip mit dem Sensor in der Nähe des unteren Ösophagussphinkters.
  5. Drehen Sie das Endoskop gegen die Speiseröhrenwand, öffnen Sie den Clip und drücken Sie dann in Richtung der Ösophaguswand. Schließen Sie den Clip, und lassen Sie ihn los. Der Sensor bleibt an der gewünschten Stelle an der Speiseröhrenwand befestigt, wie in Abbildung 17D und Abbildung 17E dargestellt.
  6. Extrahieren Sie das Endoskop.

6. Experiment nach der Implantation

HINWEIS: Die folgenden Schritte erfordern die Verwendung von Chemikalien. Studieren Sie vorher die Sicherheitsdatenblätter der Chemikalien und verwenden Sie bei der Manipulation geeignete Schutzausrüstung und gängige Laborpraktiken.

  1. Platzieren Sie den Empfänger innerhalb von 10 cm (maximal) des implantierten Sensors.
  2. Injizieren Sie 50 ml der Lösungen mit verschiedenen pH-Werten in die Speiseröhre, wie in Abbildung 18 gezeigt, und beobachten Sie die Änderungen in der Reaktion des Sensors. Ziehen Sie das Endoskop nach jeder Injektion zurück und lesen Sie den Wert frühestens 30 s nach der Injektion ab. Waschen Sie die Speiseröhre mit 100 ml entionisiertem Wasser zwischen Injektionslösungen mit unterschiedlichem pH-Wert.
  3. Verwenden Sie die Tabelle (Ergänzende Datei 1), um den vom Sensor gemessenen pH-Wert zu berechnen.

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Ergebnisse

Ein Gerät, das in der Lage ist, den pH-Wert autonom zu erfassen und den pH-Wert drahtlos zu übertragen, wurde erfolgreich konstruiert, wie in Abbildung 8 dargestellt. Das konstruierte Gerät ist ein Miniaturmodell; es wiegt 1,2 g und hat ein Volumen von 0,6 cm3. Die ungefähren Abmessungen betragen 18 mm x 8,5 mm x 4,5 mm. Wie in Abbildung 15, Abbildung 16 und Abbildung 17 geze...

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Diskussion

Diese Methode eignet sich für Forscher, die an der Entwicklung neuartiger aktiver implantierbarer medizinischer Geräte arbeiten. Es erfordert ein gewisses Maß an Kompetenz in der Herstellung von elektronischen Prototypen mit oberflächenmontierbaren Komponenten. Die kritischen Schritte im Protokoll beziehen sich auf die Herstellung der Elektronik, insbesondere auf die Befüllung der Leiterplatten, die anfällig für Bedienerfehler bei der Platzierung und dem Löten kleiner Komponenten ist. Dann ist die korrekte Verkapselung e...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts zu erklären.

Danksagungen

Die Autoren danken der Charles University (Projekt GA UK No 176119) für die Unterstützung dieser Studie. Diese Arbeit wurde durch das Forschungsprogramm PROGRES Q 28 (Onkologie) der Karlsuniversität unterstützt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
AG1 BatteriePanasonicSR621SWZwei Batterien pro Implantat
BatteriehalterMYOUNGMY-521-01
Kupferlackdraht für die Antennepro-POWERQSE-Draht - 0,15 mm Durchmesser, 38 SWG
Epoxidharz zur VerkapselungLoctiteEA M-31 CLZweiteiliges
Epoxidharz-FEP-Kabel für pH-SensorMolex / Temp-Flex100057-0273
FlussmittelreinigerShestoUTFLLU05Bereiten Sie eine 5%ige Lösung in deionisiertem Wasser für die Reinigung durch Ultraschall
Hämostatischer ClipBoston ScientificResolution
Heißluftpistole + LötkolbenW.E.P.Modell 706Jeder Lötkolben, der mit Zinn und Heißluftgebläse löten kann und 260° halten kann; C kann verwendet werden
ImpedanzanpassungssoftwareIowa Hills SoftwareSmith ChartKann von http://www.iowahills.com/9SmithChartPage.html heruntergeladen werden - alternativ unterstützt jede HF-Designsoftware die Berechnung von Impedanzanpassungskomponenten
ISFET-pH-Sensor auf einer LeiterplatteWinSenseWIPSBestellen Sie ein auf einer Leiterplatte vormontiertes Modell mit On-Chip-Gold-Referenzelektrode
Labor-pH-MessgerätHanna InstrumentsHI2210-02Wird mit HI1131B Glassonde
verwendet Microcontorller ProgrammiererMicrochipPICkit 3Andere PIC16 kompatible Programmiergeräte können ebenfalls verwendet werden
Schweinemagen mit SpeiseröhreLokale SchweinefarmGewonnen von ca. 40– 50 kg SchweinEs ist wichtig, dass der Magen die gesamte Länge der Speiseröhre umfasst.
Leiterplatte - EmpfängerWählen Sie den bevorzugten LeiterplattenlieferantenGemäß pcb2.zip DatenEine Schicht, 0,8 mm Dicke, FR4, keine
Maske Leiterplatte - SensorWählen Sie den bevorzugten LeiterplattenlieferantenGemäß pcb1.zip DatenZweilagig mit PTH, 0,6 mm Dicke, FR4, 2x Maske
Empfänger - 0RVishayCRCW04020000Z0EDCZur Bestückung siehe Abbildung 12 und Abbildung 13
Empfänger - 1,5 pFMurataGRM0225C1C1R5CA03LSiehe Abbildung 12 und Abbildung 13 für die Platzierung
Empfänger - 100 pFMurataGRM0225C1E101JA02LSiehe Abbildung 12 und Abbildung 13 für die Platzierung
Empfänger - 33 nHPulse ElectronicsPE-0402CL330JTTSiehe Abbildung 12 und Abbildung 13 für die Platzierung
Empfänger - HF-Schottky-DiodenMACOMMA4E2200B1-287TSiehe Abbildung 12 und Abbildung 13 für Platzierung
Empfänger - SMA-AntenneLPRSANT-433MS
Empfänger - SMA-SteckverbinderLinx TechnologiesCONSMA001Für die Platzierung siehe Abbildung 12 und Abbildung 13 Für die Platzierung
Sensor - C1MurataGRM0225C1H8R0DA03L8 pF 0402 Kondensator
Sensor - C2MurataGRM0225C1H8R0DA03L8 pF 0402 Kondensator
Sensor - C3MurataGCM155R71H102KA37D1 nF 0402 Kondensator
Sensor - C4MurataGRM0225C1H1R8BA03L1,8 pF
Sensor - C5VishayCRCW04020000Z0EDCPlatzieren Sie den Widerstand 0R 0402 oder verwenden Sie ihn passend zur Antenne
Sensor - C6MurataGRM155C81C105KE11J1 uF 0402 Kondensator
Sensor - C7MurataGRM155C81C105KE11J1 uF 0402 Kondensator
Sensor - C8MurataGRM022R61A104ME01L100 nF 0402 Kondensator
Sensor - IC1MicrochipMICRF113YM6-TRMICRF113 HF-Transmitter
Sensor - IC2MicrochipPIC16LF1704-I/MLPIC16LF1704 Low-Power-Mikrocontroller
Sensor - R1Vishay CRCW040210K0FKEDC10 kOhm 0402
Widerstandssensor - R2VishayCRCW040233K0FKEDC33 kOhm Widerstandssensor 0402
R3VishayCRCW04021K00FKEDC1 kOhm Widerstandssensor 0402
R5VishayCRCW040210K0FKEDC10 kOhm Widerstand Sensor -
X1ABRACONABM8W-13.4916MHZ-8-J2Z-T33.2 x 2.5 mm 13.4916 MHz 8 pF Quarz
TitandrahtSigma-AldrichGF368464340.125 mm Titandraht
Vektor-Netzwerkanalysatormini RADIO SOLUTIONSminiVNA WinzigAndere Vektor-Netzwerkanalysatoren können verwendet werden - die erforderliche Betriebsfrequenz beträgt 300– 500 MHz, Auflösungsbandbreite kleiner oder gleich 1 MHz, Ausgangsleistung nicht mehr als 0 dBm und Dynamikbereich vorzugsweise besser als 60 dB für das Empfangs-Frontend
medizinisches ISO10993 konformes vor - -

Referenzen

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