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

Das Protokoll zeigt die Herstellung eines drahtlosen implantierbaren pH-Sensors, der Daten an einen vollständig passiven Empfänger überträgt und so eine sehr energieeffiziente Übertragung von Daten von einem implantierbaren Gerät an ein anderes ermöglicht. Der Sensor kann von Hand und mit gängigen Techniken hergestellt werden. Als nächstes kann die Methode der Datenübertragung direkt bei der Entwicklung verschiedener implantierbarer Geräte wiederverwendet werden.

Es ist wichtig, den drahtlosen pH-Sensor nach jedem Schritt gründlich zu inspizieren. Die für die Herstellung verwendeten Komponenten sind sehr klein und es kann zu Kurzschlüssen oder Fehlplatzierungen während der Herstellung kommen. Platzieren Sie zunächst den ISFET-pH-Sensor auf einer Leiterplatte auf einer ebenen Oberfläche und löten Sie einen 15 Millimeter langen Abschnitt aus fluoriertem Ethylen-Propylen-beschichtetem Kabel an die lötbaren Elektroden des pH-Sensors, ohne Farbstoff und Leiterplatte mit Flussmittel zu kontaminieren.

Mischen Sie mindestens zwei Milliliter zweiteiliges Epoxidharz, um die gelöteten Elektroden zu verkapseln, und verwenden Sie dann schwarzes undurchsichtiges Epoxidharz für die spätere Inspektion. Beobachten Sie die leichte Sichtbarkeit von Sensorteilen, die der Umgebung ausgesetzt sind, ohne undurchsichtiges Epoxidharz. Übertragen Sie das gemischte Epoxidharz auf eine Ein-Milliliter-Spritze mit einer 0,5-Millimeter-Flachnadel und beschichten Sie den Lötbereich der pH-Sensoren mit Epoxidharz, um die Beschichtung des gesamten Bereichs der PCB-Elektroden und des freiliegenden Drahtes sicherzustellen.

Untersuchen Sie den beschichteten Bereich unter dem Mikroskop auf unbeschichtete freiliegende Metallteile. Nachdem Sie den Beschichtungsprozess von unbeschichtetem Metall wiederholt haben, schneiden Sie die Drähte auf Länge und Winkel und beschichten Sie dann die Enden mit Lot, um ein Ausfransen zu vermeiden. Nachdem Sie die Leiterplatte mit den Komponenten in einer seitlichen Position platziert haben, tragen Sie Lötpaste auf alle freiliegenden vergoldeten Pads auf.

Als nächstes platzieren Sie passive und aktive Komponenten mit einer Pinzette. Untersuchen Sie nach dem Löten und Abkühlen auf Raumtemperatur die Leiterplatte unter dem Mikroskop, um die Platzierung der Komponenten und Kurzschlüsse zu überprüfen. Programmieren Sie die Firmware auf den Mikrocontroller und richten Sie die Programmiersoftware wie im Text beschrieben ein.

Als nächstes stellen Sie den Programmierer so ein, dass das Gerät mit einer Spannung von ca. 2,5 Volt versorgt wird. Entlöten Sie dann die fünf Drähte nach der Programmierung. Löten Sie zwei Batteriehalter an den gegenüberliegenden Teil der Leiterplatte.

Als nächstes löten Sie die pH-Sensorbaugruppe an die Anschlüsse der Leiterplatte und legen Sie dann zwei AG1-Batterien in die Batteriehalter ein. Nach der Herstellung von Epoxidharz verkapseln Sie die Vorrichtung wie zuvor beschrieben mit dem Epoxidharz. Lassen Sie das Epoxidharz bei Raumtemperatur aushärten.

Befestigen Sie den Drahthaken mit einem Tropfen schnell aushärtendem Epoxidharz am Gerät. Nach der Aushärtung bei Raumtemperatur könnte sich der pH-Sensor auf der unteren linken Seite des implantierbaren Geräts befinden. Löten Sie die Komponenten mit der Lötpistole.

Um den Rectenna-Empfänger erneut herzustellen oder ohne Empfängerabgleich fortzufahren, verwenden Sie die Werte der hier bereitgestellten Komponenten und überspringen Sie im nächsten Schritt die Aufzeichnung des S11 Smith-Diagramms. Andernfalls löten Sie den SMA-Stecker an die Leiterplatte. Schließen Sie einen Vektor-Netzwerkanalysatoreingang an den SMA-Anschluss an.

Nehmen Sie das S11 Smith-Diagramm der Rectenna auf. Beobachten Sie die Reaktion und notieren Sie die Impedanz. Verwenden Sie eine Impedanzanpassungsrechner-Software, um die Werte der übereinstimmenden Komponenten zu bestimmen.

Löten Sie die impedanzgerechten Komponenten und prüfen Sie unter dem Mikroskop auf Kurzschlüsse und Bauteilplatzierung. Nachdem Sie erneut mit dem Spektrumanalysator gemessen haben, bestätigen Sie, dass das Spannungs-Stehwellenverhältnis zwischen 300 und 500 Megahertz unter drei liegt. Andernfalls wiederholen Sie den Vorgang mit verschiedenen übereinstimmenden Komponenten.

Nachdem das Gerät nach 24 Stunden nach dem Einsetzen des Akkus aktiviert wurde, überprüfen Sie den Ausgang des Sensors, indem Sie das im Oszilloskop angezeigte Signal beobachten. Bereiten Sie 2% Salzsäurelösung und 100 Millimolar Pufferlösung von pH vier, pH sieben und pH 10 vor. Tauchen Sie die Kapsel in jedes Becherglas und nehmen Sie mindestens drei Proben auf.

Messen Sie den Zeitraum zwischen dem zweiten und dritten Impuls. Und nachdem Sie es in der bereitgestellten Tabelle ausgefüllt haben, bestimmen Sie die Kalibrierkoeffizienten für den pH-Sensor mithilfe der Tabelle. Nachdem Sie ein endoskopisches Ex-vivo-Schweinemodell des Magens und eines langen Segments der Speiseröhre erstellt haben, greifen Sie den Sensor äußerlich mit einem hämostatischen Clip.

Setzen Sie das Endoskop mit dem Sensor im Clip standardmäßig in das Modell ein. Nachdem Sie den Clip mit dem Sensor in der Nähe des unteren Ösophagussphinkters platziert haben, drehen Sie das Endoskop gegen die Speiseröhrenwand, öffnen Sie den Clip und drücken Sie ihn dann in Richtung der Speiseröhrenwand. Schließen Sie den Clip, und lassen Sie ihn los.

Während der Sensor an der gewünschten Stelle an der Speiseröhrenwand befestigt bleibt, extrahieren Sie das Endoskop. Platzieren Sie den Empfänger innerhalb von 10 Zentimetern des implantierten Sensors. Injizieren Sie 50 Milliliter der Lösungen mit verschiedenen pH-Werten in die Speiseröhre und beobachten Sie die Veränderungen in der Reaktion des Sensors.

Ziehen Sie das Endoskop nach jeder Injektion ein und lesen Sie den Wert frühestens 30 Sekunden nach der Injektion ab und berechnen Sie anhand der Tabelle den vom Sensor gemessenen pH-Wert. Waschen Sie die Speiseröhre mit 100 Millilitern entionisiertem Wasser zwischen Injektionslösungen mit unterschiedlichem pH-Wert. Wenn der passive Rektenna-Empfänger in die Nähe des pH-Messgeräts gebracht wurde, wurden bei der Übertragung des Geräts deutliche Spannungsspitzen beobachtet.

Die ersten beiden kurzen Impulse waren Synchronisationsimpulse. Die Zeit zwischen dem zweiten und dritten Impuls übersetzt sich linear in den pH-Wert der Umgebung, der der Sensor ausgesetzt war. Basierend auf einer einfachen Zwei-Punkt-Kalibrierung mit den Puffern pH vier und pH 10 lieferte der Sensor stabile und wiederholbare pH-Werte.

Der Mittelwert und die Standardabweichung der Fehler betrugen 0,25 und 0,30, wenn sie in Lösungen und Bechergläsern getestet wurden, und betrugen 0,31 und 0,36 in einem Ex-vivo-Modell. Die Wirkung einer Mobilfunkantenne mit einem aktiven GSM-Anruf hatte nur einen geringen negativen Effekt auf den Empfang der Daten vom Sensor, wie für 20 Zentimeter, 10 Zentimeter und fünf Zentimeter Abstand zwischen dem Rand des Telefons und dem Empfänger gezeigt. Die Verkapselung des Sensors muss ordnungsgemäß durchgeführt und inspiziert werden, um die Lebensdauer des Geräts bei der Implantation zu verlängern.

Als nächstes ist die korrekte Platzierung des hämostatischen Clips entscheidend. Diese Forschung ebnet den Weg für die Entwicklung drahtloser Netzwerke von implantierbaren Geräten, indem sie eine energieeffiziente Möglichkeit schafft, Daten insbesondere aus der Sicht des Empfängers zu übertragen.