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

Summary

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.

Abstract

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).

Introduction

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 sa....

Protocol

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.....

Results

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.......

Discussion

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.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AG1 Batterie	Panasonic	SR621SW	Zwei Batterien pro Implantat
Batteriehalter	MYOUNG	MY-521-01
Kupferlackdraht für die Antenne	pro-POWER	QSE-Draht - 0,15 mm Durchmesser, 38 SWG
Epoxidharz zur Verkapselung	Loctite	EA M-31 CL	Zweiteiliges
Epoxidharz-FEP-Kabel für pH-Sensor	Molex / Temp-Flex	100057-0273
Flussmittelreiniger	Shesto	UTFLLU05	Bereiten Sie eine 5%ige Lösung in deionisiertem Wasser für die Reinigung durch Ultraschall
Hämostatischer Clip	Boston Scientific	Resolution
Heißluftpistole + Lötkolben	W.E.P.	Modell 706	Jeder Lötkolben, der mit Zinn und Heißluftgebläse löten kann und 260° halten kann; C kann verwendet werden
Impedanzanpassungssoftware	Iowa Hills Software	Smith Chart	Kann von http://www.iowahills.com/9SmithChartPage.html heruntergeladen werden - alternativ unterstützt jede HF-Designsoftware die Berechnung von Impedanzanpassungskomponenten
ISFET-pH-Sensor auf einer Leiterplatte	WinSense	WIPS	Bestellen Sie ein auf einer Leiterplatte vormontiertes Modell mit On-Chip-Gold-Referenzelektrode
Labor-pH-Messgerät	Hanna Instruments	HI2210-02	Wird mit HI1131B Glassonde
verwendet Microcontorller Programmierer	Microchip	PICkit 3	Andere PIC16 kompatible Programmiergeräte können ebenfalls verwendet werden
Schweinemagen mit Speiseröhre	Lokale Schweinefarm	Gewonnen von ca. 40– 50 kg Schwein	Es ist wichtig, dass der Magen die gesamte Länge der Speiseröhre umfasst.
Leiterplatte - Empfänger	Wählen Sie den bevorzugten Leiterplattenlieferanten	Gemäß pcb2.zip Daten	Eine Schicht, 0,8 mm Dicke, FR4, keine
Maske Leiterplatte - Sensor	Wählen Sie den bevorzugten Leiterplattenlieferanten	Gemäß pcb1.zip Daten	Zweilagig mit PTH, 0,6 mm Dicke, FR4, 2x Maske
Empfänger - 0R	Vishay	CRCW04020000Z0EDC	Zur Bestückung siehe Abbildung 12 und Abbildung 13
Empfänger - 1,5 pF	Murata	GRM0225C1C1R5CA03L	Siehe Abbildung 12 und Abbildung 13 für die Platzierung
Empfänger - 100 pF	Murata	GRM0225C1E101JA02L	Siehe Abbildung 12 und Abbildung 13 für die Platzierung
Empfänger - 33 nH	Pulse Electronics	PE-0402CL330JTT	Siehe Abbildung 12 und Abbildung 13 für die Platzierung
Empfänger - HF-Schottky-Dioden	MACOM	MA4E2200B1-287T	Siehe Abbildung 12 und Abbildung 13 für Platzierung
Empfänger - SMA-Antenne	LPRS	ANT-433MS
Empfänger - SMA-Steckverbinder	Linx Technologies	CONSMA001	Für die Platzierung siehe Abbildung 12 und Abbildung 13 Für die Platzierung
Sensor - C1	Murata	GRM0225C1H8R0DA03L	8 pF 0402 Kondensator
Sensor - C2	Murata	GRM0225C1H8R0DA03L	8 pF 0402 Kondensator
Sensor - C3	Murata	GCM155R71H102KA37D	1 nF 0402 Kondensator
Sensor - C4	Murata	GRM0225C1H1R8BA03L	1,8 pF
Sensor - C5	Vishay	CRCW04020000Z0EDC	Platzieren Sie den Widerstand 0R 0402 oder verwenden Sie ihn passend zur Antenne
Sensor - C6	Murata	GRM155C81C105KE11J	1 uF 0402 Kondensator
Sensor - C7	Murata	GRM155C81C105KE11J	1 uF 0402 Kondensator
Sensor - C8	Murata	GRM022R61A104ME01L	100 nF 0402 Kondensator
Sensor - IC1	Microchip	MICRF113YM6-TR	MICRF113 HF-Transmitter
Sensor - IC2	Microchip	PIC16LF1704-I/ML	PIC16LF1704 Low-Power-Mikrocontroller
Sensor - R1		Vishay CRCW040210K0FKEDC	10 kOhm 0402
Widerstandssensor - R2	Vishay	CRCW040233K0FKEDC	33 kOhm Widerstandssensor 0402
R3	Vishay	CRCW04021K00FKEDC	1 kOhm Widerstandssensor 0402
R5	Vishay	CRCW040210K0FKEDC	10 kOhm Widerstand Sensor -
X1	ABRACON	ABM8W-13.4916MHZ-8-J2Z-T3	3.2 x 2.5 mm 13.4916 MHz 8 pF Quarz
Titandraht	Sigma-Aldrich	GF36846434	0.125 mm Titandraht
Vektor-Netzwerkanalysator	mini RADIO SOLUTIONS	miniVNA Winzig	Andere 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