ゼロバイアスショットキーダイオードベース受信機を用いたpHモニタリング用ワイヤレス対応内視鏡型埋め込み型センサの構築

Summary

原稿はゼロバイアスショットキーダイオードに基づいて完全に受動の受信機回路と一緒にASK変調された無線出力とのミニチュア埋め込み型pHセンサーを提示する。このソリューションは、 生体内 での校正された電気刺激療法装置の開発および歩行pHモニタリングの基礎として使用することができる。

Abstract

病理学的逆流の歩行pHモニタリングは、酸性または非酸性逆流物への食道の症状と暴露との関係を観察する機会である。本論文では、小型無線対応pHセンサの開発、製造、移植の方法について説明する。センサーは単一の止血クリップと内視鏡的に埋め込まれるように設計されている。ゼロバイアスショットキーダイオードをベースにした完全パッシブレクテンナベースのレシーバも構築され、テストされています。装置を構成するために、2層プリント基板と既製の部品を使用した。アナログ周辺機器を内蔵した小型マイクロコントローラは、イオン感受性電界効果トランジスタ(ISFET)センサのアナログフロントエンドとして使用され、振幅シフトキーイングトランスミッタチップで伝送されるデジタル信号を生成します。装置は2つの主要なアルカリ細胞によって動力を与えられる。埋め込み型装置は、総容積0.6cm3及び1.2グラムの重量を有し、その性能は、ex vivoモデル(ブタ食道および胃)で検証された。次に、外部受信機または埋め込み型神経刺激装置のいずれかに容易に組み込むことができる小型の設置型受動直腸受信機を、それに近接する場合にインプラントからRF信号を受信することが証明された。センサーの小さいサイズは食道の最低の妨害と連続的なpHの監視を提供する。このセンサーは、鼻カテーテルを挿入することなく、24/96時間食道pHモニタリングのための日常的な臨床現場で使用することができます。受信機の「ゼロパワー」の性質はまた、ミニチュア下部食道括約筋神経刺激装置の自動インビボキャリブレーションのためのセンサーの使用を可能にする。アクティブセンサーベースの制御により、高度なアルゴリズムの開発が可能になり、使用されるエネルギーを最小限に抑え、望ましい臨床結果を達成できます。このようなアルゴリズムの一例は、胃食道逆流症(GERD)のオンデマンド神経刺激療法のための閉ループシステムであるであろう。

Introduction

モントリオールコンセンサスは、胃食道逆流症(GERD)を「胃の内容物を逆流させると不快な症状や合併症を引き起こすときに発症する状態」と定義しています。食道狭窄、バレット食道、食道腺癌などの他の特定の合併症に関連している可能性があります。GERDは、主に経済的地位の高い国で、成人人口の約20%に影響を与^えます1。

病理学的逆流(6%以上の酸暴露時間)の歩行pHモニタリングは、症状と酸性または非酸性胃食道逆流の関係を区別することを可能^にする2,3.PPI(プロトンポンプ阻害剤)療法に反応しない患者では、pHモニタリングは病理学的胃食道逆流であるかどうか、そして患者が標準的なPPI療法に反応しない理由に答えることができる。現在、さまざまな pH およびインピーダンス モニタリング オプションが提供されています。新しい可能性の1つは、埋め込み型デバイス^4,5を使用したワイヤレスモニタリング^です。

GERDは、食道筋のマノメトリー中に示される収縮が病理学的ではなく、長期GERDで振幅が低下する下部食道括約筋(LES)障害に関連しています。LESは平滑筋....

Protocol

この研究には生きている動物は関与しなかった。実験は、ブタ食道と胃からなる ex vivo モデルで行われた。胃と食道は、彼らの標準的な製品として地元の肉屋から購入されました。この手順はチェコの法律に従っており、我々は「3R」原則(交換、削減、および改良)のためにそれを好む。

1. pHセンサーアセンブリの製作

メモ:pHセンサアセンブリの製造中に静電気放電(ESD)の敏感な部品を取り扱うための注意事項を守ってください。はんだ付けアイロンを使用する場合は注意してください。

1. 印刷回路基板(PCB)に取り付けられたISFET pHセンサーを平らな面に配置します。はんだ付け可能な連絡先を見つけます。
2. はんだ付けの接点をトリミングして、長さが3mm以下になるようにします。
3. pHセンサーのはんだ付け可能な電極にフッ素化エチレンプロピレン(FEP)被覆ケーブルの15mmセクションをはんだ付け。ベアダイアセンブリを機械的または化学的に洗浄しないでください。はんだ付け時のフラックスでダイとPCBの汚染を避けるようにしてください。
4. 開いた回路と短絡がないか、顕微鏡下でpHセンサーケーブルアセンブリを点検します。次に、オープンショートテスターでショートパンツをチェックします。この段階で正しく準備されたアセンブリを

Results

図8に示すように、pH値の自律pHセンシング及び無線送信が可能な装置が正常に構築された。構築されたデバイスは、ミニチュアモデルです。それは1.2 gの重量を量り、0.6 ^cm3の容積を有する。概算寸法は18mm×8.5mm×4.5mmです。図15、図16、および図17に示すように、単一の止血クリップで下部食道括約筋の近接に埋め込むことができます。特別な付属品は必要としない。センサーを埋め込んだ解剖食道の詳細図を図19に示す。

受動のレチナ受信機は手はんだ付けのために最大限に活用されているにもかかわらず、わずか^{22 mm2} の全体的な足跡を有する。受動のレクテンナ受信機が、アクテ.......

Discussion

この方法は、新しいアクティブな埋め込み型医療機器の開発に取り組む研究者に適しています。表面実装部品を搭載した電子プロトタイプの製造に、ある程度の習熟性が必要です。プロトコルの重要なステップは、電子機器の製造に関連しており、特にPCBを取り込むため、小型部品の配置やはんだ付けにおいてオペレータエラーが発生しやすくなります。その後、正しいカプセル化は、水分や液体にさらされたときにデバイスの寿命を延ばすために重要です。移植方法は、シンプルさを念頭に置いて設計されました。移植中の食道または他の有害事象の穿孔のリスクは最小限である。止血クリップは臨床現場で広く使用されています。したがって、移植を行うために特別な訓練は必要ありません。

このデバイスは、電圧出力、すなわち抵抗型センサおよび他のISFETセンサを備えた他のセンサに付属するように簡単に変更できます。これは、研究や臨床の他の分野で全体の概念を利用する大きな柔軟性を与えます;pH ISFETセンサーの場合のGERDの新しい治療法の研究に限定されない。

構築されたデバイスはミニチュア.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AG1バッテリー	パナソニック	SR621SW	1つのインプラントにつき2つのバッテリー
バッテリーホルダー	MYOUNG	MY-521-01
アンテナ用銅エナメル線	pro-POWER	QSE ワイヤー - 直径0.15mm、38 SWG
カプセル化用エポキシ	ロックタイト	EA M-31 CL
	用医療グレードISO10993準拠エポキシFEPケーブルMolex / Temp-Flex	100057-0273
ックス	クリーナーShesto	UTFLLU05	超音波処理による洗浄のために脱イオン水で5%溶液を準備し
止血クリップ	ボストン科学	分解能
熱風ガン+はんだごて	WP	モデル706	錫ではんだ付けできるはんだごてと、260°Cを維持できる熱風ガン。Cは使用できます
インピーダンスマッチングソフトウェア	アイオワヒルズソフトウェア	スミスチャート	http://www.iowahills.com/9SmithChartPage.html からダウンロードできます-または、任意のRF設計ソフトウェアがインピーダンスマッチングコンポーネントの計算をサポートします
PCB上のISFET pHセンサー	WinSense	WIPS	チップ金参照電極を備えたPCBに事前に実装されたモデルを注文する
研究室用pHメーター	ハンナインスツルメンツ	HI2210-02	HI1131Bガラスプローブと併用
Microcontorllerプログラマー	Microchip	PICkit 3	他のPIC16互換プログラマーも使用可能
食道付き豚胃	地元の養豚場	約40&ndashから取得。50kgの豚	食道の全長を含んでいることが重要です。
プリント基板 - レシーバー	pcb2.zipデータに従って	優先PCBサプライヤーを選択	1層、厚さ0.8mm、FR4、マスクなし
プリント回路基板 - センサー	pcb1.zipデータに従って	優先PCBサプライヤーを選択	PTH付き2層、厚さ0.6mm、FR4、2xマスク
レシーバー - 0R	Vishay	CRCW04020000Z0EDC	配置については図12と図13を参照してください
レシーバー -1.5 pF	Murata	GRM0225C1C1R5CA03L	配置については図 12 と図 13 を参照
レシーバー - 100 pF	Murata	GRM0225C1E101JA02L	配置については図 12 と図 13 を参照
レシーバー - 33 nH	Pulse Electronics	PE-0402CL330JTT	配置については図 12 と図 13 を参照
レシーバー - RF ショットキー ダイオード	MACOM	MA4E2200B1-287T	については、図 12 と図 13 を参照してください。配置
受信機 - SMAアンテナ	LPRS	ANT-433MS
受信機 - SMAコネクタ	Linx Technologies	CONSMA001	配置については図12と図13を参照してください
センサー - C1	村田製作	GRM0225C1H8R0DA03L	8 pF 0402
コンデンサ センサー - C2	村田	GRM0225C1H8R0DA03L	8 pF 0402
コンデンサ センサー - C3	村田製作所	GCM155R71H102KA37D	1 nF 0402
コンデンサ センサ - C4		Murata GRM0225C1H1R8BA03L	1.8 pF
センサ - C5	Vishay	CRCW04020000Z0EDC	0R 0402 抵抗を配置するか、アンテナを一致させるために使用
センサ - C6	Murata	GRM155C81C105KE11J	1 uF 0402 コンデンサ
センサ - C7	Murata	GRM155C81C105KE11J	1 uF 0402 コンデンサ
センサ - C8		Murata GRM022R61A104ME01L	100 nF 0402
コンデンサ センサ - IC1	Microchip	MICRF113YM6-TR	MICRF113 RF トランスミッタ
センサ - IC2	Microchip	PIC16LF1704-I/ML	PIC16LF1704 低電力マイクロコントローラ
センサ - R1	Vishay	CRCW040210K0FKEDC	10 kΩ 0402 抵抗
センサ - R2	Vishay	CRCW040233K0FKEDC	33 kΩ 0402 抵抗
センサー - R3	Vishay	CRCW04021K00FKEDC	1 kOhm 0402 抵抗
センサー - R5	Vishay	CRCW040210K0FKEDC	10 kOhm 0402 抵抗
センサー - X1	ABRACON	ABM8W-13.4916MHZ-8-J2Z-T3	3.2 x 2.5 mm 13.4916 MHz 8 pF
クリスタル チタン線	Sigma-Aldrich	GF36846434	0.125 mm チタン線
ベクトルネットワークアナライザ	mini RADIO SOLUTIONS	miniVNA Tiny	その他のベクトルネットワークアナライザを使用することができます - 必要な動作周波数は300&ndashです。500 MHz、分解能帯域幅が 1 MHz 以下、出力電力が 0 dBm 以下、ダイナミック レンジが受信フロントエンドで 60 dB 以上