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Bioengineering

शून्य-पूर्वाग्रह Schottky डायोड-आधारित रिसीवर के साथ पीएच निगरानी के लिए एक वायरलेस-सक्षम एंडोस्कोपिक रूप से प्रत्यारोपण योग्य सेंसर का निर्माण

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

पांडुलिपि शून्य-पूर्वाग्रह Schottky डायोड के आधार पर एक पूरी तरह से निष्क्रिय रिसीवर सर्किट के साथ ASK modulated वायरलेस आउटपुट के साथ एक लघु प्रत्यारोपण पीएच सेंसर प्रस्तुत करता है। इस समाधान का उपयोग विवो कैलिब्रेटेड इलेक्ट्रोस्टिम्यूलेशन थेरेपी उपकरणों के विकास में एक आधार के रूप में और एम्बुलेटरी पीएच निगरानी के लिए किया जा सकता है।

Abstract

पैथोलॉजिकल रिफ्लक्स की एम्बुलेटरी पीएच निगरानी लक्षणों और एसोफैगस के एसिडिक या गैर-अम्लीय रिफ्लक्सेट के संपर्क के बीच संबंधों का निरीक्षण करने का एक अवसर है। यह पेपर एक लघु वायरलेस-सक्षम पीएच सेंसर के विकास, विनिर्माण और आरोपण के लिए एक विधि का वर्णन करता है। सेंसर को एकल हेमोस्टैटिक क्लिप के साथ एंडोस्कोपिक रूप से प्रत्यारोपित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। एक शून्य-पूर्वाग्रह Schottky डायोड पर आधारित एक पूरी तरह से निष्क्रिय rectenna-आधारित रिसीवर भी निर्माण और परीक्षण किया जाता है। डिवाइस के निर्माण के लिए, एक दो-परत मुद्रित सर्किट बोर्ड और ऑफ-द-शेल्फ घटकों का उपयोग किया गया था। एकीकृत एनालॉग बाह्य उपकरणों के साथ एक लघु माइक्रोकंट्रोलर का उपयोग आयन-संवेदनशील क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (ISFET) सेंसर के लिए एक एनालॉग फ्रंट एंड के रूप में किया जाता है और एक डिजिटल सिग्नल उत्पन्न करने के लिए किया जाता है जो एक आयाम शिफ्ट कीइंग ट्रांसमीटर चिप के साथ प्रेषित होता है। डिवाइस दो प्राथमिक क्षारीय कोशिकाओं द्वारा संचालित है। इम्प्लांटेबल डिवाइस में 0.6 सेमी 3 की कुल मात्रा और 1.2 ग्राम का वजन होता है, और इसके प्रदर्शन को एक पूर्व विवो मॉडल (पोर्सिनी एसोफैगस और पेट) में सत्यापित किया गया था। इसके बाद, एक छोटा पदचिह्न निष्क्रिय रेक्टेना-आधारित रिसीवर जिसे आसानी से या तो बाहरी रिसीवर या प्रत्यारोपण योग्य न्यूरोस्टिम्युलेटर में एकीकृत किया जा सकता है, का निर्माण किया गया था और प्रत्यारोपण से आरएफ सिग्नल प्राप्त करने के लिए साबित किया गया था जब निकटता (20 सेमी) में। सेंसर का छोटा आकार घुटकी की न्यूनतम बाधा के साथ निरंतर पीएच निगरानी प्रदान करता है। सेंसर का उपयोग नाक कैथेटर डालने की आवश्यकता के बिना 24/96 एच एसोफेजेल पीएच निगरानी के लिए नियमित नैदानिक अभ्यास में किया जा सकता है। रिसीवर की "शून्य-शक्ति" प्रकृति भी लघु निचले एसोफेजेल स्फिंक्टर न्यूरोस्टिम्यूलेशन उपकरणों के स्वचालित इन-विवो अंशांकन के लिए सेंसर के उपयोग को सक्षम बनाती है। एक सक्रिय सेंसर-आधारित नियंत्रण एक वांछनीय नैदानिक परिणाम प्राप्त करने के लिए उपयोग की जाने वाली ऊर्जा को कम करने के लिए उन्नत एल्गोरिदम के विकास को सक्षम बनाता है। इस तरह के एक एल्गोरिथ्म के उदाहरणों में से एक गैस्ट्रोओसोफेगल रिफ्लक्स रोग (जीईआरडी) की ऑन-डिमांड न्यूरोस्टिम्यूलेशन थेरेपी के लिए एक बंद-लूप प्रणाली होगी।

Introduction

मॉन्ट्रियल आम सहमति गैस्ट्रोओसोफेगल रिफ्लक्स रोग (जीईआरडी) को "एक ऐसी स्थिति के रूप में परिभाषित करती है जो पेट की सामग्री को भाटाने पर विकसित होती है जो अप्रिय लक्षणों और / या जटिलताओं का कारण बनती है"। यह अन्य विशिष्ट जटिलताओं जैसे एसोफेजेल सख्ती, बैरेट के अन्नप्रणाली, या एसोफेजेल एडेनोकार्सिनोमा से जुड़ा हो सकता है। जीईआरडी वयस्क आबादी के लगभग 20% को प्रभावित करता है, मुख्य रूप से उच्च आर्थिक स्थिति वाले देशों में।

पैथोलॉजिकल रिफ्लक्स (6% से अधिक का एसिड एक्सपोजर समय) की एम्बुलेटरी पीएच निगरानी हमें लक्षणों और अम्लीय या गैर-अम्लीय गैस्ट्रोओसोफेगल रिफ्लक्स 2,3 के बीच संबंधों को अलग करने की अनुमति देती है। पीपीआई (प्रोटॉन पंप इनहिबिटर) थेरेपी के लिए अनुत्तरदायी रोगियों में, पीएच निगरानी जवाब दे सकती है कि क्या यह पैथोलॉजिकल गैस्ट्रोओसोफेगल रिफ्लक्स है और रोगी मानक पीपीआई थेरेपी का जवाब क्यों नहीं देता है। विभिन्न पीएच और प्रतिबाधा निगरानी विकल्प वर्तमान में की पेशकश कर रहे हैं. नई संभावनाओं में से एक प्रत्यारोपण योग्य उपकरणों का उपयोग करके वायरलेस निगरानी है4,5।

जीईआरडी कम एसोफेजेल स्फिंक्टर (एलईएस) विकार से जुड़ा हुआ है, जहां एसोफेजियल मैनोमेट्री के दौरान दिखाए गए संकुचन पैथोलॉजिकल नहीं हैं, लेकिन दीर्घकालिक जीईआरडी में कम आयाम हैं। एलईएस में चिकनी मांसपेशियां होती हैं और मायोजेनिक और न्यूरोजेनिक कारकों के कारण टॉनिक संकुचन को बनाए रखती हैं। यह एक न्यूरोट्रांसमीटर 6 के रूप में नाइट्रिक ऑक्साइड को शामिल करने वाले वेगल-मध्यस्थता निषेध के कारण आराम करता है।

इलेक्ट्रोड के दो जोड़े के साथ विद्युत उत्तेजना एक कैनाइन भाटा मॉडल 7 में एलईएस के संकुचन समय को बढ़ाने के लिए साबित हुई थी। निगलने के दौरान अवशिष्ट दबाव सहित एलईएस की छूट कम और उच्च आवृत्ति उत्तेजना दोनों से प्रभावित नहीं हुई थी। उच्च आवृत्ति उत्तेजना एक स्पष्ट विकल्प है क्योंकि इसे कम शक्ति की आवश्यकता होती है और बैटरी जीवन का विस्तार करता है।

हालांकि निचले एसोफेजेल स्फिंक्टर का इलेक्ट्रोस्टिमुलेशन उपचार (ईटी) जीईआरडी वाले रोगियों के उपचार में एक अपेक्षाकृत नई अवधारणा है, इस थेरेपी को सुरक्षित और प्रभावी दिखाया गया था। उपचार के इस रूप को जीईआरडी के लक्षणों से महत्वपूर्ण और स्थायी राहत प्रदान करने के लिए दिखाया गया है, जबकि पीपीआई उपचार की आवश्यकता को समाप्त करने और एसोफेजेल एसिड एक्सपोजर को कम करने के लिए 8,9,10।

जीईआरडी के निदान के लिए वर्तमान अत्याधुनिक पीएच सेंसर ब्रावो डिवाइस 11,12 है। 1.7 सेमी 3 की अनुमानित मात्रा में, इसे दृश्य एंडोस्कोपिक प्रतिक्रिया के साथ या बिना एसोफैगस में सीधे प्रत्यारोपित किया जा सकता है और एसोफैगस में पीएच की 24 एच + निगरानी प्रदान करता है।

यह देखते हुए कि इलेक्ट्रोस्टिम्यूलेशन थेरेपी मानक चिकित्सा 8,13 का जवाब नहीं देने वाले जीईआरडी के इलाज के लिए सबसे आशाजनक विकल्पों में से एक है, यह पीएच सेंसर से न्यूरोस्टिमुलेटर को डेटा प्रदान करने के लिए समझ में आता है। हाल के शोध से पता चलता है कि इस क्षेत्र में भविष्य के विकास के लिए एक स्पष्ट मार्ग है जो कठोर ऑल-इन-वन इम्प्लांटेबल उपकरणों को जन्म देगा जो न्यूरोस्टिमुलेशन 14,15 की साइट पर रहेंगे। इस उद्देश्य के लिए, ISFET (आयन-संवेदनशील क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर) अपनी लघु प्रकृति, एक संदर्भ इलेक्ट्रोड (इस मामले में सोना) के ऑन-चिप एकीकरण की संभावना और पर्याप्त रूप से उच्च संवेदनशीलता के कारण सेंसर के सर्वोत्तम प्रकारों में से एक है। सिलिकॉन पर, ISFET एक मानक MOSFET (धातु ऑक्साइड अर्धचालक क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर) की संरचना जैसा दिखता है। हालांकि, गेट, आमतौर पर एक विद्युत टर्मिनल से जुड़ा होता है, आसपास के वातावरण के साथ सीधे संपर्क में सक्रिय सामग्री की एक परत द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। पीएच-संवेदनशील आईएसएफईटी के मामले में, यह परत सिलिकॉन नाइट्राइड (Si3N4)16 द्वारा बनाई जाती है।

एंडोस्कोपिक रूप से प्रत्यारोपण योग्य उपकरणों का मुख्य नुकसान बैटरी के आकार की अंतर्निहित सीमा है, जो इन उपकरणों के जीवनकाल को कम कर सकता है या निर्माताओं को उन्नत एल्गोरिदम विकसित करने के लिए प्रेरित कर सकता है जो कम ऊर्जा लागत पर आवश्यक प्रभाव प्रदान करेगा। इस तरह के एल्गोरिथ्म के उदाहरणों में से एक जीईआरडी की ऑन-डिमांड न्यूरोस्टिमुलेशन थेरेपी के लिए एक बंद-लूप प्रणाली होगी। निरंतर ग्लूकोज मीटर (सीजीएम) + इंसुलिन पंप सिस्टम 17 के समान, इस तरह की प्रणाली एक न्यूरोस्टिम्यूलेशन इकाई के साथ मिलकर निचले एसोफेजेल स्फिंक्टर के वर्तमान दबाव का पता लगाने के लिए एक एसोफेजेल पीएच सेंसर या किसी अन्य सेंसर को नियोजित करेगी।

न्यूरोस्टिमुलेशन थेरेपी की प्रतिक्रिया और न्यूरोस्टिमुलेशन पैटर्न के लिए आवश्यकताएं व्यक्तिगत हो सकती हैं13। इस प्रकार, स्वतंत्र सेंसर विकसित करना महत्वपूर्ण है जिसका उपयोग या तो रोग के निदान और लक्षण वर्णन के लिए किया जा सकता है या रोगियों की व्यक्तिगत आवश्यकताओं के अनुसार न्यूरोस्टिमुलेशन सिस्टम को कैलिब्रेट करने में सक्रिय रूप से भाग लेने के लिए किया जा सकता है। ये सेंसर अंग की सामान्य कार्यक्षमता को प्रभावित नहीं करने के लिए जितना संभव हो उतना छोटा होना चाहिए।

यह पांडुलिपि आयाम-शिफ्ट कीइंग (ASK) ट्रांसमीटर और एक छोटे पदचिह्न निष्क्रिय rectenna-आधारित रिसीवर के साथ एक ISFET आधारित पीएच सेंसर के डिजाइन और निर्माण की एक विधि का वर्णन करती है। समाधान की सरल वास्तुकला के आधार पर, पीएच डेटा को बाहरी रिसीवर या यहां तक कि प्रत्यारोपण योग्य न्यूरोस्टिम्युलेटर द्वारा किसी भी महत्वपूर्ण मात्रा या शक्ति दंड के बिना प्राप्त किया जा सकता है। ASK मॉडुलन को निष्क्रिय रिसीवर की प्रकृति के कारण चुना जाता है, जो केवल प्राप्त आरएफ सिग्नल पावर (जिसे अक्सर "प्राप्त सिग्नल ताकत" कहा जाता है) का पता लगाने में सक्षम है। योजनाबद्ध आरेख, जो पूरक सामग्री के रूप में एम्बेडेड है, डिवाइस के निर्माण को दर्शाता है। यह सीधे दो एजी 1 क्षारीय बैटरी से संचालित होता है, जो 2.0-3.0 वी (चार्ज की स्थिति के आधार पर) के बीच वोल्टेज प्रदान करता है। बैटरी आंतरिक माइक्रोकंट्रोलर को शक्ति देती है, जो आईएसएफईटी पीएच सेंसर को पूर्वाग्रहित करने के लिए अपने एडीसी (एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर), डीएसी (डिजिटल-टू-एनालॉग कनवर्टर), आंतरिक ऑपरेशन एम्पलीफायर और एफवीआर (फिक्स्ड-वोल्टेज संदर्भ) पेरिफेरल्स का उपयोग करती है। परिणामी "गेट" वोल्टेज (सोने का संदर्भ इलेक्ट्रोड) आसपास के वातावरण के पीएच के लिए आनुपातिक है। एक स्थिर आईडी वर्तमान एक कम पक्ष R2 संवेदन रोकनेवाला द्वारा प्रदान की जाती है। ISFET सेंसर का स्रोत परिचालन एम्पलीफायर के गैर-उलटा इनपुट से जुड़ा हुआ है, जबकि उलटा इनपुट 960 mV पर सेट DAC मॉड्यूल के आउटपुट वोल्टेज से जुड़ा हुआ है। परिचालन एम्पलीफायर का आउटपुट ISFET के नाली पिन से जुड़ा हुआ है। यह परिचालन एम्पलीफायर नाली वोल्टेज को नियंत्रित करता है ताकि R2 प्रतिरोधक पर वोल्टेज अंतर हमेशा 960 mV हो; इस प्रकार, 29 μA की एक निरंतर पूर्वाग्रह धारा ISFET के माध्यम से बहती है (जब सामान्य ऑपरेशन में)। गेट वोल्टेज को तब एक एडीसी के साथ मापा जाता है। माइक्रोकंट्रोलर तब GPIO (सामान्य उद्देश्य इनपुट / आउटपुट) पिन में से एक के माध्यम से आरएफ ट्रांसमीटर पर शक्तियां और अनुक्रम प्रसारित करता है। आरएफ ट्रांसमीटर सर्किट में एक क्रिस्टल और मिलान नेटवर्क शामिल होता है जो आउटपुट को 50 Ω प्रतिबाधा से मेल खाता है।

यहां प्रदर्शित प्रयोगों के लिए, हमने एक मानकीकृत प्लास्टिक मॉडल में घुड़सवार एसोफैगस के लंबे खंड के साथ एक सुअर के पेट का उपयोग किया। यह एंडोस्कोपिक तकनीकों जैसे ईएसडी (एंडोस्कोपिक सबम्यूकोसाल विच्छेदन), पीओईएम (मौखिक एंडोस्कोपिक मायोटॉमी), एंडोस्कोपिक म्यूकोसल लकीर (ईएमआर), हेमोस्टेसिस, आदि का अभ्यास करने के लिए आमतौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला मॉडल है। मानव अंगों के निकटतम संभावित शारीरिक मापदंडों के बारे में, हमने 40-50 किलोग्राम वजन वाले सूअरों के पेट और अन्नप्रणाली का उपयोग किया।

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Protocol

इस अध्ययन में कोई जीवित जानवर शामिल नहीं था। प्रयोग एक पूर्व विवो मॉडल पर किया गया था जिसमें एक पोर्सिनी एसोफैगस और पेट शामिल थे। पेट और अन्नप्रणाली को उनके मानक उत्पाद के रूप में एक स्थानीय कसाई से खरीदा गया था। यह प्रक्रिया चेक कानूनों के अनुसार है, और हम इसे "3R" सिद्धांत (प्रतिस्थापन, कमी और शोधन) के कारण पसंद करते हैं।

1. पीएच सेंसर असेंबली का निर्माण

नोट: पीएच सेंसर असेंबली के निर्माण के दौरान इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज (ईएसडी) संवेदनशील घटकों को संभालने के लिए सावधानियों का पालन करें। टांका लगाने वाले लोहे के साथ काम करते समय सावधान रहें।

  1. ISFET pH सेंसर एक सपाट सतह पर एक मुद्रित सर्किट बोर्ड (पीसीबी) पर घुड़सवार रखें। मिलाप योग्य संपर्कों की स्थिति जानें।
  2. टांका लगाने योग्य संपर्कों को ट्रिम करें, इसलिए उनकी लंबाई 3 मिमी से अधिक नहीं है।
  3. मिलाप फ्लोरिनेटेड एथिलीन प्रोपलीन (एफईपी) लेपित केबल का एक 15 मिमी अनुभाग पीएच सेंसर के टांका लगाने योग्य इलेक्ट्रोड के लिए। नंगे मरने वाली असेंबली को यांत्रिक या रासायनिक रूप से साफ न करें। टांका लगाने के दौरान फ्लक्स के साथ मरने और पीसीबी के संदूषण से बचने की कोशिश करें।
  4. खुले सर्किट और शॉर्ट्स के लिए माइक्रोस्कोप के तहत पीएच सेंसर-केबल असेंबली का निरीक्षण करें। फिर, एक ओपन-शॉर्ट परीक्षक के साथ शॉर्ट्स की जांच करें। इस स्तर पर एक सही ढंग से तैयार असेंबली को चित्र 1 में दिखाया गया है।
  5. पानी में फ्लक्स रिमूवर के 5% समाधान में 70 डिग्री सेल्सियस पर 5 मिनट के लिए एक अल्ट्रासोनिक क्लीनर में पीएच सेंसर असेंबली को साफ करें। अल्ट्रासाउंड शक्ति की इष्टतम सीमा 50-100 डब्ल्यू / एल है। 100 W/l से अधिक न करें।
  6. कम से कम 3 मिनट के लिए तकनीकी ग्रेड आइसोप्रोपाइल अल्कोहल में पीएच सेंसर असेंबली को कुल्ला करें और इसे 15 मिनट के लिए 80 डिग्री सेल्सियस पर ओवन में सूखने दें।
  7. अगले चरण पर आगे बढ़ने से पहले एक सपाट सतह पर सभी पीएच सेंसर रखें (यदि कई एक साथ तैयार किए जाते हैं)।
  8. मिलाप इलेक्ट्रोड के encapsulation के लिए दो भाग epoxy की एक उपयुक्त राशि मिश्रण. पूरी तरह से मिश्रण की अनुमति देने के लिए कम से कम 2 एमएल का उपयोग करें। बाद में निरीक्षण के लिए अनुमति देने के लिए काले अपारदर्शी एपॉक्सी का उपयोग करें- पर्यावरण के संपर्क में आने वाले सेंसर के कुछ हिस्सों को आसान देखा जाएगा क्योंकि उनके पास अपारदर्शी एपॉक्सी नहीं होगा।
  9. मिश्रित epoxy एक 0.5 मिमी फ्लैट अंत सुई के साथ एक 1 मिलीलीटर सिरिंज के लिए स्थानांतरण.
  10. epoxy के साथ पीएच सेंसर के टांका क्षेत्र कोट. पीसीबी इलेक्ट्रोड और उजागर तार के पूरे क्षेत्र कोट करने के लिए सुनिश्चित करें।
  11. Epoxy इलाज या तो कमरे या ऊंचा तापमान (80 डिग्री सेल्सियस अधिकतम) पर, इस अध्ययन के लिए 50 डिग्री सेल्सियस सामग्री की तालिका में सूचीबद्ध epoxy के साथ इस्तेमाल किया गया था।
  12. एक माइक्रोस्कोप के तहत लेपित क्षेत्र का निरीक्षण करें। यदि किसी भी uncoated धातु भागों (या तो पीसीबी इलेक्ट्रोड या तार) उजागर कर रहे हैं, तो चरण 1.8-1.11 दोहराएँ जब तक वहाँ uncoated धातु के कोई दृश्य संकेत नहीं हैं.
  13. तारों को चित्र 2 में दिखाए गए लंबाई और कोण पर ट्रिम करें। fraying से बचने के लिए मिलाप के साथ सिरों कोट.

2. इलेक्ट्रॉनिक असेंबली का निर्माण

नोट: इलेक्ट्रॉनिक्स के निर्माण भर में ESD-संवेदनशील घटकों को संभालने के लिए सावधानियों का पालन करें। टांका लगाने वाले लोहे और गर्म हवा की बंदूक के साथ काम करते समय सावधान रहें।

  1. पीसीबी (पूरक फ़ाइलों "pcb1.zip" और योजनाबद्ध आरेख "योजनाबद्ध.png") के आधार पर एक सपाट सतह पर, घटकों के पक्ष में रखें।
  2. सभी उजागर सोने मढ़वाया पैड के लिए मिलाप पेस्ट लागू होते हैं।
  3. चित्रा 3 और सामग्री की तालिका के अनुसार चिमटी का उपयोग करके सभी निष्क्रिय और सक्रिय घटकों को रखें।
  4. घटकों को मिलाप करने के लिए गर्म हवा बंदूक के साथ पीसीबी गर्मी। पैकेज से अवशिष्ट पानी को निष्कासित करने और मिलाप पेस्ट में फ्लक्स को सक्रिय करने के लिए पीसीबी को धीरे-धीरे 2 मिनट के लिए 150 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करें। फिर, घटकों को मिलाप करने के लिए पीसीबी को 260 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करें। पीसीबी को कमरे के तापमान पर ठंडा होने दें, इसे पूरी टांका लगाने की प्रक्रिया के दौरान स्थानांतरित न करें।
  5. टांका लगाने और कमरे के तापमान पर ठंडा करने के बाद, सभी घटकों और शॉर्ट्स के सही प्लेसमेंट को सत्यापित करने के लिए माइक्रोस्कोप के तहत पीसीबी का निरीक्षण करें। कोई शॉर्ट्स या गलत घटक प्लेसमेंट मनाया जाता है, तो चरण 2.6 छोड़ें।
  6. एक टांका बंदूक या गर्म हवा बंदूक के साथ किसी भी शॉर्ट्स या गलत घटक प्लेसमेंट की मरम्मत। चरण 2.5 पर जाएँ।
  7. सोल्डर घटकों (शक्ति और प्रोग्रामिंग लीड) के लिए 5 तार ों के रूप में चित्र 4 में दिखाया गया है.
  8. पीसीबी को प्रोग्रामर से कनेक्ट करने के लिए, चरण 2.7 में टांका लगाए गए तारों को कनेक्ट करें। प्रोग्रामर के कनेक्टर के लिए।
  9. प्रोग्राम फर्मवेयर (जो फ़ाइल का उपयोग करने के लिए) microcontroller के लिए एक विस्तृत विवरण के लिए प्रतिनिधि परिणाम देखें। प्रोग्रामिंग सॉफ़्टवेयर 19 सेट करने के लिए पहले वर्णित प्रक्रिया का उपयोग करें। प्रोग्रामर को लगभग 2.5 V. डी-सोल्डर प्रोग्रामिंग के बाद 5 तारों के वोल्टेज के साथ डिवाइस को पावर देने के लिए सेट करें।
  10. एक सपाट सतह पर पीसीबी जगह, घटक पक्ष ऊपर. AWG38 कॉपर एंटीना तार (3 सेमी की लंबाई) को मिलाप करें जैसा कि चित्रा 5 में दिखाया गया है और इसे पीसीबी के किनारे के चारों ओर लपेटें। एक cyanoacrylate चिपकने वाला के साथ पीसीबी के किनारे के लिए एंटीना तार को ठीक करें। SWG38 तांबे के तार के साथ अन्य दो तार जम्पर मिलाप के रूप में चित्रा 5 में दिखाया गया है. अन्य घटकों के साथ विद्युत संपर्क से बचें।
  11. पीसीबी को एक सपाट सतह पर रखें, घटक पक्ष नीचे।
  12. पीसीबी के विपरीत भाग के लिए दो बैटरी धारकों को मिलाप, जैसा कि चित्र6 में दिखाया गया है।
  13. पीसीबी पर टर्मिनलों के लिए पीएच सेंसर असेंबली को सोल्डर करें, जैसा कि चित्रा 7 में दिखाया गया है।
  14. बैटरी धारकों में दो AG1 बैटरी डालें।
    नोट:: इस चरण और अगले चरण के साथ आगे न बढ़ें इस अनुभाग में 24 घंटे से पहले परीक्षण और सेंसर के एंडोस्कोपिक आरोपण से पहले।
  15. चरण 1.8 में वर्णित के रूप में epoxy की एक उपयुक्त मात्रा तैयार करें। डिवाइस के encapsulation के लिए.
  16. चरण 1.9 (सुई के साथ सिरिंज) में वर्णित एक ही प्रक्रिया का उपयोग करके एपॉक्सी के साथ डिवाइस को encapsulate करें। कमरे के तापमान या थोड़ा ऊंचा तापमान पर एपॉक्सी का इलाज करें (बैटरी की उपस्थिति के कारण 50 डिग्री सेल्सियस से अधिक न करें)। सही encapsulation परिणामों के लिए चित्र 8 देखें।
  17. चित्रा 9 के अनुसार एक टाइटेनियम तार हुक बनाएँ.
    नोट: टाइटेनियम (ग्रेड द्वितीय) को इसकी जैव संगतता और प्रत्यारोपण योग्य चिकित्सा उपकरणों में उपयोग के ट्रैक रिकॉर्ड के कारण चुना गया था। स्टेनलेस स्टील का भी उपयोग किया जा सकता है। हालांकि, प्रकार और गर्मी उपचार को सावधानीपूर्वक चुना जाना चाहिए क्योंकि कुछ स्टेनलेस स्टील प्रकार बहुत भंगुर होते हैं।
  18. तेजी से इलाज epoxy की एक बूंद के साथ डिवाइस के लिए तार हुक संलग्न ( चित्रा 10 देखें) और यह कमरे के तापमान या थोड़ा ऊंचा तापमान (50 डिग्री सेल्सियस अधिकतम) पर इलाज करते हैं। पीएच सेंसर इम्प्लांटेबल डिवाइस के नीचे बाईं ओर स्थित है।
  19. सेंसर बैटरी के सम्मिलन के बाद 24 घंटे सक्रिय हो जाता है। इस बीच, चरण 3 के साथ आगे बढ़ें।
    नोट:: बैटरी के सम्मिलन के बाद 24 घंटे के भीतर चरण 3 के पूरा होने संभव है, तो अब प्रोटोकॉल रोकें।

3. निष्क्रिय rectenna रिसीवर के निर्माण

  1. पीसीबी (पूरक फ़ाइल "pcb2.zip" के आधार पर निर्मित) रखें। एक सपाट सतह पर rectenna के लिए.
  2. सोल्डर चरण 2.2-2.6 में वर्णित मिलाप पेस्ट विधि का उपयोग करके घटकों को मिलाप करें या चित्र11A के अनुसार एक टांका लगाने वाली बंदूक का उपयोग करें।
    नोट:: यदि प्रयोगकर्ता rectenna रिसीवर को फिर से बनाने का निर्णय लेता है (यह पहले निर्मित और मिलान किया गया था) या रिसीवर मिलान के साथ आगे नहीं बढ़ना चाहता है, तो प्रयोगकर्ता द्वारा पहले निर्धारित या चित्र 11B में प्रदान किए गए घटकों के मानों का उपयोग करें और चरण 3.5-3.7 को छोड़ दें।
  3. पीसीबी के लिए SMA कनेक्टर मिलाप.
  4. एक माइक्रोस्कोप के तहत पीसीबी का निरीक्षण करें। यदि कोई शॉर्ट्स या गलत घटक प्लेसमेंट मनाया जाता है, तो समस्याओं को ठीक करें।
  5. SMA कनेक्टर के लिए कोई वेक्टर नेटवर्क विश्लेषक इनपुट अनुलग्न करें।
  6. 1 kHz रिज़ॉल्यूशन बैंडविड्थ के साथ 300-500 मेगाहर्ट्ज से rectenna के S11 स्मिथ चार्ट रिकॉर्ड करें। प्रतिक्रिया का निरीक्षण करें और प्रतिबाधा को 431.7 मेगाहर्ट्ज पर रिकॉर्ड करें। मिलान घटकों के मानों को निर्धारित करने के लिए प्रतिबाधा मिलान कैलकुलेटर सॉफ़्टवेयर का उपयोग करें। नमूना स्मिथ चार्ट चित्र 12A में दिखाया गया है।
  7. मिलाप प्रतिबाधा मिलान घटकों और शॉर्ट सर्किट और घटक प्लेसमेंट के लिए एक माइक्रोस्कोप के तहत निरीक्षण.
  8. स्पेक्ट्रम विश्लेषक के साथ फिर से उपाय करें और पुष्टि करें कि वोल्टेज स्टैंडिंग वेव अनुपात (वीएसडब्ल्यूआर) 300-500 मेगाहर्ट्ज के बीच 3 से कम है ( चित्रा 12 बी में दिखाए गए बाहरी सियान सर्कल के अंदर)। यदि नहीं, तो या तो विभिन्न मिलान घटकों के साथ दोहराएं या मन में रेक्टेना के कम प्रदर्शन के साथ जारी रखें।
  9. SMA कनेक्टर के लिए 433 MHz बैंड एंटीना कनेक्ट करें। rectenna आउटपुट के लिए एक oscilloscope कनेक्ट करें।
  10. एकल चैनल ऑपरेशन, रोलिंग समय आधार, डीसी मोड, 500 एमएस / डिव समय आधार, और 5 एमवी / डिव वोल्टेज पैमाने पर ऑसिलोस्कोप सेट करें।

4. डिवाइस का परीक्षण

नोट:: निम्न चरणों रसायनों के उपयोग की आवश्यकता है। रसायनों की सामग्री सुरक्षा डेटा शीट का पहले से अध्ययन करें और उन्हें हेरफेर करते समय उचित सुरक्षात्मक उपकरण और सामान्य प्रयोगशाला प्रथाओं का उपयोग करें।

  1. ऑसिलोस्कोप पर दिखाए गए संकेत का निरीक्षण करके सेंसर के आउटपुट का निरीक्षण करें। नमूना आउटपुट चित्र 13,14 में दिखाया गया है। डिवाइस बैटरी के सम्मिलन से 24 घंटे पहले सक्रिय हो जाएगा। पीएच सेंसर के आउटपुट को प्रसारित करने की अवधि उस फ़ाइल के आधार पर भिन्न होती है जिसे माइक्रोकंट्रोलर में प्रोग्राम किया गया था (विस्तृत विवरण के लिए प्रतिनिधि परिणाम देखें)।
  2. 2% हाइड्रोक्लोरिक एसिड समाधान तैयार करें (हाइड्रोक्लोरिक एसिड को संभालते समय सावधानी बरतें)। मानक प्रयोगशाला प्रक्रियाओं का उपयोग करके पीएच 4 (पोटेशियम हाइड्रोजन थैलेट / हाइड्रोक्लोरिक एसिड), पीएच 7 (पोटेशियम डाइहाइड्रोजन फॉस्फेट / सोडियम हाइड्रॉक्साइड), और पीएच 10 (सोडियम कार्बोनेट / सोडियम हाइड्रोजन कार्बोनेट) के 100 एमएम बफर समाधान तैयार करें और बीकरों को चिह्नित करें।
  3. एक कैलिब्रेटेड पीएच मीटर का उपयोग करके सभी चार बीकरों के पीएच को सत्यापित करें। यदि आवश्यक हो तो समायोजित करें।
  4. प्रत्येक बीकर में कैप्सूल को डुबोएं और कम से कम 3 नमूने रिकॉर्ड करें। दूसरी और तीसरी नाड़ी के बीच की अवधि को मापें और इसे प्रदान की गई स्प्रेडशीट (पूरक फ़ाइल 1) में भरें। स्प्रेडशीट का उपयोग कर pH सेंसर के लिए अंशांकन गुणांक निर्धारित करें।
  5. अंशांकन के बाद, दूसरी और तीसरी नाड़ी के बीच के समय को मापें और इसे स्प्रेडशीट में इनपुट करें ताकि समाधान के पीएच को निर्धारित किया जा सके, जिसके लिए पीएच सेंसर उजागर होता है।

5. संवेदक के एंडोस्कोपिक आरोपण

  1. पेट और अन्नप्रणाली के एक लंबे खंड से बना एक पूर्व विवो एंडोस्कोपिक पोर्सिनी मॉडल तैयार करें।
  2. सेंसर को बाहरी रूप से हेमोस्टैटिक क्लिप के साथ समझें, जैसा कि चित्र 15 और चित्रा 16 में दिखाया गया है।
  3. मॉडल में मानक तरीके से क्लिप में सेंसर के साथ एंडोस्कोप डालें।
  4. निचले एसोफेजेल स्फिंक्टर के करीब सेंसर के साथ क्लिप की स्थिति।
  5. एसोफैगल दीवार के खिलाफ एंडोस्कोप को घुमाएं, क्लिप खोलें और फिर एसोफेजेल दीवार की ओर धक्का दें। क्लिप बंद करें और क्लिप को रिलीज़ करें. सेंसर वांछित स्थान पर एसोफैगल दीवार से जुड़ा रहेगा, जैसा कि चित्रा 17 डी और चित्रा 17 ई में दिखाया गया है।
  6. एंडोस्कोप निकालें।

6. आरोपण के बाद प्रयोग

नोट:: निम्न चरणों रसायनों के उपयोग की आवश्यकता है। रसायनों की सामग्री सुरक्षा डेटा शीट का पहले से अध्ययन करें और उन्हें हेरफेर करते समय उचित सुरक्षात्मक उपकरण और सामान्य प्रयोगशाला प्रथाओं का उपयोग करें।

  1. प्रतिरोपित सेंसर के 10 सेमी (अधिकतम) के भीतर रिसीवर रखें।
  2. विभिन्न पीएच मानों के साथ समाधानों के 50 मिलीलीटर को एसोफैगस में इंजेक्ट करें, जैसा कि चित्र 18 में दिखाया गया है, और सेंसर की प्रतिक्रिया में परिवर्तनों का निरीक्षण करें। प्रत्येक इंजेक्शन के बाद एंडोस्कोप को वापस लें और इंजेक्शन के बाद 30 सेकंड से पहले मूल्य पढ़ें। विभिन्न पीएच के साथ इंजेक्शन समाधान के बीच विआयनीकृत पानी के 100 मिलीलीटर के साथ अन्नप्रणाली को धोएं।
  3. सेंसर द्वारा मापा pH की गणना करने के लिए स्प्रेडशीट (पूरक फ़ाइल 1) का उपयोग करें।

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Representative Results

पीएच मान के स्वायत्त पीएच संवेदन और वायरलेस ट्रांसमिशन में सक्षम एक उपकरण का सफलतापूर्वक निर्माण किया गया था, जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है। निर्मित डिवाइस एक लघु मॉडल है; इसका वजन 1.2 ग्राम है और इसकी मात्रा 0.6 सेमी3 है। अनुमानित आयाम 18 मिमी x 8.5 मिमी x 4.5 मिमी हैं। जैसा कि चित्रा 15, चित्रा 16, और चित्रा 17 में दिखाया गया है, इसे एकल हेमोस्टैटिक क्लिप के साथ निचले एसोफेजियल स्फिंक्टर की निकटता में प्रत्यारोपित किया जा सकता है; कोई विशेष सामान की जरूरत नहीं है। लगाए गए सेंसर के साथ एक विच्छेदित एसोफैगस का एक विस्तृत दृश्य चित्र 19 में दिखाया गया है।

निष्क्रिय rectenna रिसीवर केवल 22 mm2 का एक समग्र पदचिह्न है, भले ही यह हाथ से टांका लगाने के लिए अनुकूलित है. जब निष्क्रिय रेक्टेना रिसीवर को पीएच सेंसिंग डिवाइस (10 सेमी) की निकटता में रखा जाता है, जब एक सक्रिय स्थिति में (बैटरी के पूर्ण निर्वहन तक बैटरी के सम्मिलन के बाद 24 घंटे), जब डिवाइस संचारित हो रहा हो तो स्पष्ट वोल्टेज स्पाइक्स देखे जा सकते हैं। यह चित्र 13 में दिखाया गया है। पहले दो छोटे (75 एमएस) दालों सिंक्रनाइज़ेशन दालों रहे हैं. दूसरी नाड़ी के अंत और तीसरी नाड़ी की शुरुआत के बीच की दूरी ISFET के Vgs वोल्टेज के लिए आनुपातिक है जिसे 800 mV (100 ms = 900 mV, 200 ms = 1000 mV, आदि) द्वारा घटाया जाता है। यह वोल्टेज रैखिक रूप से पर्यावरण के पीएच में अनुवाद करता है जिसे सेंसर के अधीन किया जाता है।

पीएच 4 और पीएच 10 (तालिका 1) के पीएच बफर के साथ एक सरल दो-बिंदु अंशांकन के आधार पर, सेंसर स्थिर और दोहराए जाने योग्य पीएच मान रीडिंग (तालिका 2) को वापस कर सकता है। ज्ञात पीएच के साथ कुल चार अलग-अलग समाधानों का उपयोग किया गया था- पीएच 0.6 (पानी में हाइड्रोक्लोरिक एसिड का 160 एमएम समाधान, पेट के एसिड 20 की नकल करते हुए) और पीएच 4, पीएच 7 और पीएच 10 के साथ अंशांकन बफर। सेंसर का माध्य त्रुटि पीएच मान क्रमशः बीकर और एक पूर्व विवो मॉडल में समाधान में परीक्षण किए जाने पर 0.25 और 0.31 थे। त्रुटियों के मानक विचलन क्रमशः 0.30 और 0.36 थे।

जब ट्रांसमीटर (10 सेमी) की निकटता में, निष्क्रिय रेक्टेना कम से कम दसियों मिलीवोल्ट के आयाम के साथ एक संकेत का उत्पादन करता है जिसे आसानी से एक साधारण तुलनित्र द्वारा पता लगाया जा सकता है या अल्ट्रा-लो-पावर क्विसेंट वर्तमान परिचालन एम्पलीफायर के साथ प्रवर्धित किया जा सकता है। एक सक्रिय जीएसएम कॉल के साथ एक मोबाइल फोन एंटीना के प्रभाव का सेंसर से डेटा प्राप्त करने पर केवल एक मामूली नकारात्मक प्रभाव पड़ता है, जैसा कि चित्र14 में दिखाया गया है। मोबाइल फोन ट्रांसमिशन चोटियों को एक साधारण निष्क्रिय आरसी / एलसी (प्रतिरोधक-संधारित्र / प्रेरक-संधारित्र) फिल्टर द्वारा फ़िल्टर किया जा सकता है क्योंकि वे सिग्नल का एक उच्च-आवृत्ति हिस्सा बनाते हैं (उनकी आवृत्ति आमतौर पर 500 हर्ट्ज से ऊपर होती है)।

उपकरणों में से एक में, ISFET इलेक्ट्रोड के सभी तीन के बीच एक शॉर्ट सर्किट जानबूझकर यह दिखाने के लिए बनाया गया था कि डिवाइस गलत तरीके से इकट्ठा होने पर डिवाइस का व्यवहार कैसे बदलता है। इस मामले में, कोई वोल्टेज-पीएच प्रतिक्रिया नहीं देखी जाती है, और गेट वोल्टेज नाली वोल्टेज के बराबर होता है, जो बैटरी पैक वोल्टेज (2-3.2 वी) है। AD कनवर्टर, जिसे आंतरिक 2.048 V संदर्भ के लिए संदर्भित किया जाता है, फिर उच्चतम संभव मान देता है, जो 2048 mV में अनुवाद करता है। शोर ADC आउटपुट में मामूली उतार-चढ़ाव का कारण बन सकता है।

फर्मवेयर के दो संस्करण जिन्हें डिवाइस पर प्रोग्राम किया जा सकता है, उन्हें विकसित और परीक्षण किया गया था। पहला एक (firmware_10s.zip) अल्पकालिक प्रयोगों के लिए अभिप्रेत है जहां पीएच मान हर 10 सेकंड में प्रसारित होता है। यह कम बैटरी जीवन की लागत के लिए अधिक डेटा अंक प्रदान करता है, जो लगभग 24-30 घंटे तक सीमित है। दूसरा एक (firmware_1min.zip) दीर्घकालिक प्रयोगों के लिए अभिप्रेत है। पीएच मान प्रति मिनट एक बार प्रेषित किया जाता है। कम नमूना आवृत्ति के साथ सेंसर का जीवनकाल लगभग 5-6 दिन है। फर्मवेयर (फर्मवेयर-टेस्ट.zip) का एक संस्करण भी है, जिसमें 24 घंटे की देरी शामिल नहीं है। इस फ़ाइल का उपयोग एनकैप्सुलेशन से पहले इलेक्ट्रॉनिक्स की सही कार्यक्षमता का परीक्षण करने के लिए किया जा सकता है। वैकल्पिक रूप से, देरी को कोड को बदलकर और प्रोजेक्ट को पुन: संकलित करके संशोधित किया जा सकता है। देरी epoxy या एक संभावना के पूर्ण इलाज के लिए अनुमति देने के लिए लागू किया गया था जब डिवाइस एंडोस्कोपिक सर्जरी कमरे की तुलना में एक अलग साइट पर निर्मित किया जाता है। पेश की गई देरी के साथ, डिवाइस के उपयोगी ऑपरेटिंग जीवन को अधिकतम किया जाता है।

Figure 1
चित्रा 1: अंतिम ट्रिमिंग से पहले पीएच सेंसर असेंबली कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 2
चित्रा 2: अंतिम ट्रिमिंग के बाद पीएच सेंसर असेंबली कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 3
चित्रा 3: प्रत्यारोपण योग्य सेंसर के लिए प्लेसमेंट आरेख (घटक मानों के लिए सामग्री की तालिका देखें)। पिन 1 को लाल बिंदु के रूप में चिह्नित किया गया है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्रा 4: प्रोग्रामिंग तारों का प्लेसमेंट कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 5
चित्रा 5: एंटीना तार और जम्पर तारों का प्लेसमेंट कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 6
चित्रा 6: बैटरी धारकों का प्लेसमेंट कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 7
चित्रा 7: इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए पीएच सेंसर असेंबली की टांका लगाना कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 8
चित्रा 8: समाप्त encapsulated सेंसर. (ए) साइड व्यू, (बी) बैक व्यू कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 9
चित्रा 9: टाइटेनियम तार हुक कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 10
चित्रा 10: इम्प्लांटेबल डिवाइस के लिए वायर हुक का अनुलग्नक कृपया इस आंकड़े के एक बड़े संस्करण को देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 11
चित्र11: rectenna के लिए प्लेसमेंट आरेख. (A) मिलान घटकों के साथ, (B) मिलान घटकों के बिना, एक वेक्टर नेटवर्क विश्लेषक के साथ मिलान करने के लिए तैयार कृपया इस आकृति का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें।

Figure 12
चित्रा 12: स्मिथ चार्ट. (A) बेजोड़ rectenna, (B) मिलान rectenna कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 13
चित्रा 13: सेंसर से आने वाले डेटा के लिए rectenna की उदाहरण प्रतिक्रिया कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें।

Figure 14
चित्रा 14: उदाहरण प्रतिक्रिया जब आरएफ शोर (एक सक्रिय जीएसएम कॉल के साथ पास के फोन) की उपस्थिति में। (ए) फोन और रिसीवर के किनारे के बीच 20 सेमी, (बी) फोन और रिसीवर के किनारे के बीच 10 सेमी, (सी) फोन और रिसीवर के किनारे के बीच 5 सेमी कृपया इस आंकड़े के एक बड़े संस्करण को देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 15
चित्रा 15: हेमोस्टैटिक क्लिप और इम्प्लांटेबल पीएच सेंसर के साथ एंडोस्कोप की तस्वीर कृपया इस आंकड़े के एक बड़े संस्करण को देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 16
चित्रा 16: इम्प्लांटेबल पीएच सेंसर एक टोपी में हेमोस्टैटिक क्लिप के साथ समझा गया कृपया इस आंकड़े के एक बड़े संस्करण को देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 17
चित्रा 17: सेंसर का आरोपण। (ए) मॉडल में प्रत्यारोपण योग्य पीएच सेंसर के साथ एंडोस्कोप का सम्मिलन, (बी) आरोपण का स्थान - गैस्ट्रोओसोफेगल जंक्शन के ऊपर 3 सेमी, (सी) क्लिप प्लेसमेंट की तैयारी, (डी) क्लिप को सफलतापूर्वक रखा गया था, (ई) आईएसएफईटी पीएच सेंसर का दृश्य, निचले एसोफेजेल स्फिंक्टर की निकटता में प्रत्यारोपित कृपया इस आंकड़े के एक बड़े संस्करण को देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 18
चित्रा 18: एंडोस्कोप चैनल के माध्यम से पीएच बफर समाधान का इंजेक्शन कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 19
चित्रा 19: प्रत्यारोपित सेंसर के साथ पूर्व विवो मॉडल के विच्छेदित अन्नप्रणाली कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

अंशांकन डेटा
pH मान (cal. meter) [-] नाड़ी की लंबाई [ms] Calc. वोल्ट. आउटपुट [mV]
3.98 400 1200
10.01 710 1510

तालिका 1: उदाहरण अंशांकन डेटा

मापा गया डेटा
pH मान (cal. meter) [-] Calc. वोल्ट. आउटपुट [mV] अनुमानित पीएच [-] त्रुटि [abs. pH] त्रुटि [%]
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%
पीएच का Std. विचलन [-] 0.30
माध्य त्रुटि [-] 0.25

तालिका 2: मापा डेटा (बीकर के साथ परीक्षण)

मापा गया डेटा
pH मान (cal. meter) [-] Calc. वोल्ट. आउटपुट [mV] अनुमानित पीएच [-] त्रुटि [abs. pH] त्रुटि [%]
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%
पीएच का Std. विचलन [-] 0.36
माध्य त्रुटि [-] 0.31

तालिका 3: मापा डेटा (एक पूर्व विवो मॉडल में परीक्षण)

पूरक फ़ाइल 1: स्प्रेडशीट.xlsx. सेंसर से डेटा के कैलिब्रेट और प्रसंस्करण के लिए स्प्रेडशीट कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें।

पूरक फ़ाइल 2: pcb1.zip. Gerber प्रत्यारोपण योग्य डिवाइस के लिए डेटा विनिर्माण कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक फ़ाइल 3: pcb2.zip. प्राप्तकर्ता के लिए Gerber विनिर्माण डेटा कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक फ़ाइल 4: firmware_10s.zip. 10 s संचरण अवधि के साथ microcontroller के लिए फर्मवेयर कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक फ़ाइल 5: firmware_1min.zip. 1 मिनट संचरण अवधि के साथ microcontroller के लिए फर्मवेयर कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक फ़ाइल 6: फर्मवेयर परीक्षण.zip. सक्रियण से पहले 24 घंटे के विराम के बिना माइक्रोकंट्रोलर के लिए फर्मवेयर कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें।

पूरक फ़ाइल 7: इलेक्ट्रॉनिक्स की योजनाबद्ध आरेख कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

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Discussion

यह विधि उन शोधकर्ताओं के लिए उपयुक्त है जो उपन्यास सक्रिय प्रत्यारोपण योग्य चिकित्सा उपकरणों के विकास पर काम करते हैं। यह सतह माउंट घटकों के साथ इलेक्ट्रॉनिक प्रोटोटाइप के निर्माण में प्रवीणता के एक स्तर की आवश्यकता है। प्रोटोकॉल में महत्वपूर्ण कदम इलेक्ट्रॉनिक्स के विनिर्माण से संबंधित हैं, विशेष रूप से पीसीबी को पॉप्युलेट करना, जो छोटे घटकों के प्लेसमेंट और टांका लगाने में ऑपरेटर त्रुटि के लिए प्रवण है। फिर, नमी और तरल पदार्थों के संपर्क में आने पर डिवाइस के जीवनकाल को लम्बा खींचने के लिए सही एनकैप्सुलेशन महत्वपूर्ण है। आरोपण विधि को ध्यान में रखते हुए सादगी के साथ डिज़ाइन किया गया था। आरोपण के दौरान अन्नप्रणाली या अन्य प्रतिकूल घटनाओं के छिद्र का जोखिम कम से कम है। हेमोस्टेटिक क्लिप व्यापक रूप से नैदानिक अभ्यास में उपयोग किए जाते हैं; इस प्रकार, आरोपण करने के लिए किसी विशेष प्रशिक्षण की आवश्यकता नहीं है।

डिवाइस को वोल्टेज आउटपुट के साथ अन्य सेंसरों के साथ आसानी से संशोधित किया जा सकता है, यानी, प्रतिरोधी सेंसर और अन्य आईएसएफईटी सेंसर। यह अनुसंधान और नैदानिक अभ्यास के अन्य क्षेत्रों में पूरी अवधारणा का उपयोग करने के लिए महान लचीलापन देता है; यह पीएच ISFET सेंसर के मामले में जीईआरडी के उपचार के उपन्यास तरीकों के अनुसंधान तक सीमित नहीं है।

निर्मित उपकरण लघु है; इसका वजन 1.2 ग्राम है और निकटतम व्यावसायीकृत प्रत्यारोपण योग्य पीएच सेंसर की तुलना में 60% कम मात्रा (0.6 सेमी 3) पर कब्जा कर लेता है। आगे लघुकरण पीसीबी पर ISFET के एकीकरण द्वारा प्राप्त किया जा सकता है तारों के साथ सीधे पीसीबी के लिए बंधे. हालांकि, यह आवश्यक उपकरणों के संदर्भ में प्रवेश की बाधा को काफी बढ़ा देगा (इसके लिए कम से कम एक मैनुअल वायर बॉन्डर की आवश्यकता होगी)। इस प्रकार, निर्माता द्वारा पूर्व-पैक किए गए ISFET सेंसर के साथ एक अधिक आर्थिक रूप से व्यवहार्य विकल्प प्रस्तुत किया गया था।

बिजली स्रोत के लिए, सिल्वर ऑक्साइड / क्षारीय / कार्बन-जस्ता 1.5 वी कोशिकाएं बेहतर प्रदर्शन प्रदान करती हैं और सर्किट डिजाइन को सरल बनाती हैं। इस उपकरण के रूप में कारक में प्राथमिक लिथियम बैटरी या ली-आयन बैटरी का उपयोग संभावित समस्याओं को जन्म दे सकता है। छोटे प्राथमिक लिथियम बैटरी में उच्च आउटपुट प्रतिरोध होता है, जो महत्वपूर्ण वोल्टेज बूंदों का कारण बनता है, संभावित रूप से माइक्रोकंट्रोलर और आरएफ ट्रांसमीटर के भूरे रंग के बाहर की ओर जाता है। दूसरी ओर, लिथियम-आयन बैटरी, 3.3 वी माइक्रोकंट्रोलर के साथ असंगत हैं (उनका ऑपरेटिंग वोल्टेज लगभग 3.0-4.2 वी है), सर्किटरी में जटिलता जोड़ना (नियामक या डीसी / डीसी स्टेप-डाउन कनवर्टर की आवश्यकता)। इन कारणों से, दो प्राथमिक 1.5 वी बटन कोशिकाएं उपलब्धता, ऑपरेटिंग वोल्टेज और पर्याप्त रूप से कम आउटपुट प्रतिरोध के आधार पर बैटरी का सबसे अच्छा आसानी से उपलब्ध प्रकार हैं।

सेंसर एसोफेजेल पीएच निगरानी के लिए अच्छी सटीकता प्रदर्शित करता है; एक पूर्व विवो मॉडल में पीएच की औसत त्रुटि 0.36 के मानक विचलन के साथ 0.31 थी। प्रत्येक बफर जोड़ के बीच विआयनीकृत पानी के साथ धोने के कदम के बावजूद, पूर्व विवो मॉडल में एक बड़ा विचलन एसोफैगस में विभिन्न बफर समाधानों के मामूली मिश्रण के कारण हो सकता है, जिसने समाधानों के पीएच को बदल दिया हो सकता है। प्रयुक्त ISFET pH संवेदक की संवेदनशीलता लगभग -51.7 mV/pH पर Nernstian ढलान (-58 mV/pH for 25 °C) का अनुसरण करती है। संवेदनशीलता जीईआरडी (-45 mV / pH) 21 की निगरानी के लिए एंटीमनी-आधारित पीएच सेंसर में रिपोर्ट की तुलना में अधिक है।

बैटरी के सम्मिलन और वायरलेस ट्रांसमिशन रूटीन की शुरुआत के बीच 24 घंटे की देरी को एनकैप्सुलेशन एपॉक्सी इलाज और उदाहरणों के लिए समायोजित करने के लिए पेश किया गया था जहां इलेक्ट्रॉनिक्स के निर्माण के लिए प्रयोगशाला एंडोस्कोपिक सर्जरी रूम की तुलना में एक अलग स्थान पर मौजूद है। इस देरी को स्रोत कोड को संशोधित करके और फर्मवेयर को पुन: संकलित करके बदला जा सकता है।

प्रयोग की प्रकृति के आधार पर, जो शोधकर्ताओं द्वारा किया जाएगा, उपयुक्त एपॉक्सी (लागत बनाम प्रदर्शन) चुना जा सकता है। प्रारंभिक प्रयोगों को ऑटोमोटिव-ग्रेड एपॉक्सी के साथ किया गया था, जो प्रारंभिक प्रयोगों के लिए उपयुक्त था, लेकिन बायोकॉम्पैटिबिलिटी के बिंदु से विवो प्रयोगों में नहीं। उत्तरजीविता प्रयोगों के लिए, एक चिकित्सा-ग्रेड एपॉक्सी जो श्लेष्म झिल्ली के साथ दीर्घकालिक संपर्क के लिए ISO10993 के अनुरूप है, को चुना जाएगा। इसके अलावा, कोटिंग्स जो बायोकॉम्पैटिबिलिटी (जैसे, पीटीएफई या पैरिलीन) में सुधार करते हैं, प्रत्यारोपण की अस्वीकृति दर और / या आरोपण साइट की सूजन / जलन को कम कर सकते हैं।

संवेदनशीलता 22,23 में सुधार करने के लिए डिटेक्टर डायोड को पूर्वाग्रहित करके पूरी तरह से निष्क्रिय रेक्टेना रिसीवर में सुधार किया जा सकता है। मामले में है कि विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप या आरएफ शोर के खिलाफ प्रतिरक्षा में सुधार की आवश्यकता है, डायोड डिटेक्टर आगे आरएफ इनपुट और डायोड डिटेक्टर 24 के बीच एक अत्यधिक चयनात्मक बैंड देखा फिल्टर जोड़ने के द्वारा संशोधित किया जा सकता है। यदि लंबी दूरी के संचार की आवश्यकता होती है, तो एक सक्रिय ASK रिसीवर (या एक सॉफ़्टवेयर-परिभाषित रिसीवर - SDR) का उपयोग किया जा सकता है। दोनों मामलों में, रिसीवर की केंद्र आवृत्ति को 431.73 मेगाहर्ट्ज (आरएफ ट्रांसमीटर एकीकृत सर्किट में पीएलएल द्वारा 32 से गुणा किए गए क्रिस्टल की आवृत्ति) और लगभग 150-250 किलोहर्ट्ज के रिज़ॉल्यूशन बैंडविड्थ पर सेट किया जाएगा। आरएफ आउटपुट आवृत्ति वोल्टेज और तापमान-निर्भर दोनों है, और सामान्य संचालन के दौरान केंद्र आवृत्ति से 50 किलोहर्ट्ज तक के बहाव देखे गए थे। बैंड में आउटपुट पावर को तब मॉनिटर किया जा सकता है और प्रोटोकॉल के अनुसार पीएच मान को डीकोड करने के लिए उपयोग किया जा सकता है। प्रारंभिक परीक्षण के लिए एक सक्रिय रिसीवर के उपयोग की सिफारिश की जाती है। यदि एक प्रत्यारोपण योग्य डिवाइस के अंदर उपयोग किया जाता है, तो यह जटिलता में वृद्धि और एक प्रमुख ऊर्जा दंड के साथ आता है। यह "शून्य-शक्ति" लाभ प्रदान नहीं कर सकता है जो Schottky डिटेक्टर प्रदान करता है।

आज, लगभग सभी सक्रिय प्रत्यारोपण योग्य चिकित्सा उपकरणों को ध्यान में रखते हुए इंटरऑपरेबिलिटी के साथ डिज़ाइन नहीं किया गया है। उनका विन्यास मैन्युअल रूप से एक सर्जन या व्यवसायी द्वारा किया जाता है25 और सहयोग नहीं करता है। एक निष्क्रिय rectenna रिसीवर के साथ इस विधि में प्रस्तुत प्रत्यारोपण योग्य डिवाइस, एक डिस्पोजेबल सेंसर से किसी अन्य प्रत्यारोपण योग्य डिवाइस के लिए निर्बाध डेटा हस्तांतरण का एहसास करने का एक तरीका दिखाता है। जबकि हेटरोडाइन अवधारणा के आधार पर प्रत्यारोपण योग्य उपकरणों के लिए व्यावसायिक रूप से उपलब्ध आरएफ मॉड्यूल मौजूद हैं, रिसीवर मोड बहुत बिजली की मांग है26। प्रस्तुत समाधान के साथ, न्यूरोस्टिम्युलेटर में कोई सक्रिय रिसीवर की आवश्यकता नहीं है; सर्किट को पूरी तरह से निष्क्रिय होने के लिए बनाया जा सकता है। वास्तविक समय के रोगी डेटा को ध्यान में रखने के मुख्य फायदे चिकित्सा की प्रभावकारिता में सुधार करना और बिजली की खपत को काफी कम करना है। उदाहरण के लिए, जीईआरडी थेरेपी के मामले में, पांडुलिपि में प्रस्तुत एक पीएच सेंसर को उत्तेजक के आरोपण के बाद निचले एसोफेजेल स्फिंक्टर के ऊपर प्रत्यारोपित किया जा सकता है ताकि बिजली की खपत को कम करते हुए चिकित्सा के प्रभाव को अधिकतम करने के लिए न्यूरोस्टिमुलेशन पैटर्न को स्वचालित रूप से अनुकूलित किया जा सके। चूंकि आंतरिक एसोफेजेल दीवार के लिए सेंसर का आरोपण कई दिनों के बाद विस्थापन के लिए प्रवण है, इसलिए सेंसर को बैटरी संचालित के रूप में डिजाइन करने के लिए यह अधिक समझ में आता है। प्राथमिक बैटरी के उच्च वॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनत्व के लिए धन्यवाद, एक प्राथमिक शक्ति स्रोत का उपयोग एक सेंसर से बेहतर है जिसमें एक वायरलेस पावर प्राप्त करने वाला सर्किट, चार्जिंग कॉइल और संधारित्र-आधारित ऊर्जा भंडारण शामिल है। वायरलेस चार्जिंग की समग्र दक्षता भी कॉइल के स्थानिक अभिविन्यास पर बहुत अधिक निर्भर करती है, जो डिजाइन के लिए एक और कठिनाई पेश करेगी। वायरलेस चार्जिंग स्थायी रूप से प्रत्यारोपित माइक्रोन्यूरोस्टिम्युलेटर को लाभ प्रदान करता है, यानी, सबम्यूकोसा 14 के लिए। बैटरी संचालित पीएच सेंसर इस तरह के एक माइक्रोन्यूरोस्टिम्युलेटर की ऊर्जा खपत को अनुकूलित करने की संभावना प्रदान करता है। स्फिंक्टर के स्थायी / नियमित न्यूरोस्टिम्यूलेशन के बजाय, पीएच सेंसर दिखा सकता है कि उत्तेजना की आवश्यकता कब होती है (यानी, मुख्य रूप से रात में और / या दिन के कौन से घंटे) और क्या पावर आउटपुट पर्याप्त कम एसोफेजेल स्फिंक्टर दबाव प्राप्त करने के लिए सबसे कम संभव है। ये बंद-लूप या अर्ध-बंद-लूप प्रत्यारोपण योग्य सिस्टम वर्तमान पारंपरिक प्रणालियों के लिए एक आशाजनक विकल्प बन सकते हैं, जो कम-आक्रामक आरोपण के साथ छोटे प्रत्यारोपण योग्य उपकरणों की पेशकश करते हैं और उपचार की प्रभावकारिता में सुधार करते हैं।

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Disclosures

लेखकों के पास घोषणा करने के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

लेखकइस अध्ययन का समर्थन करने के लिए चार्ल्स विश्वविद्यालय (परियोजना जीए यूके नो 176119) को कृतज्ञतापूर्वक स्वीकार करते हैं। इस काम को चार्ल्स विश्वविद्यालय के अनुसंधान कार्यक्रम PROGRES Q 28 (ऑन्कोलॉजी) द्वारा समर्थित किया गया था।

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

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References

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Bioengineering अंक 174
शून्य-पूर्वाग्रह Schottky डायोड-आधारित रिसीवर के साथ पीएच निगरानी के लिए एक वायरलेस-सक्षम एंडोस्कोपिक रूप से प्रत्यारोपण योग्य सेंसर का निर्माण
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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).

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