Method Article

제로 바이어스 쇼트키 다이오드 기반 수신기를 사용하여 pH 모니터링을 위한 무선 지원 내시경 이식형 센서 구축

DOI:

10.3791/62864

⸱

August 27th, 2021

 ,  ,  ,  , 
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 This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

원고는 ASK 변조 된 무선 출력이있는 소형 이식형 pH 센서와 제로 바이어스 쇼트키 다이오드를 기반으로 한 완전히 패시브 수신기 회로를 제공합니다. 이 용액은 생체 내 교정 된 전기 자극 치료 장치의 개발및 외래 pH 모니터링의 기초로 사용될 수 있습니다.

Abstract

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병리학적 역류의 외래 pH 모니터링은 식도의 증상과 노출 사이의 관계를 산성 또는 비산성 역류에 관찰할 수 있는 기회입니다. 이 백서는 소형 무선 지원 pH 센서의 개발, 제조 및 이식 방법을 설명합니다. 이 센서는 단일 혈전 클립으로 내시경 이식되도록 설계되었습니다. 제로 바이어스 쇼트키 다이오드를 기반으로 한 완전히 패시브 레텐나 기반 수신기도 구성 및 테스트됩니다. 장치를 구성하기 위해 2층 인쇄 회로 기판과 기성 부품이 사용되었습니다. 통합 아날로그 주변 장치가 있는 소형 마이크로 컨트롤러는 이온에 민감한 현장 효과 트랜지스터(ISFET) 센서의 아날로그 프런트 엔드로 사용되며 진폭 시프트 키잉 송신기 칩으로 전송되는 디지털 신호를 생성합니다. 이 장치는 두 개의 기본 알칼리성 셀에 의해 구동됩니다. 이식형 장치는 총 0.6cm3의 부피와 1.2 그램의 무게를 가지며, 그 성능은 전 생체 모델 (돼지 식도와 위)에서 확인되었습니다. 다음으로, 외부 수신기 또는 이식형 신경 자극기에 쉽게 통합될 수 있는 작은 발자국 패시브 레텐나 기반 수신기는 근접(20cm)에 있을 때 임플란트로부터 RF 신호를 수신하는 것으로 입증되었다. 센서의 작은 크기는 식도의 최소한의 방해와 지속적인 pH 모니터링을 제공합니다. 센서는 비강 카테터를 삽입할 필요 없이 24/96 h 식도 pH 모니터링을 위한 일상적인 임상 실습에서 사용될 수 있었습니다. 수신기의 "제로 파워" 특성은 소형 하부 식도 괄약근 신경 자극 장치의 자동 생체 내 교정을 위한 센서를 사용할 수 있게 해줍니다. 능동적인 센서 기반 제어를 통해 고급 알고리즘을 개발하여 사용된 에너지를 최소화하여 바람직한 임상 결과를 얻을 수 있습니다. 이러한 알고리즘의 예 중 하나는 위식도 역류 질환 (GERD)의 온디맨드 신경 자극 요법을위한 폐쇄 루프 시스템일 것입니다.

Introduction

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몬트리올 컨센서스는 위식도 역류 질환(GERD)을 "위장의 내용물으로 역류할 때 발생하는 상태"로 정의하며 불쾌한 증상 및/또는 합병증을 유발합니다. 그것은 식도 협착, Barrett의 식도, 또는 식도 선암과 같은 그밖 특정 합병증과 연관될 수 있습니다. GERD는 성인 인구의 약 20%에 영향을 미치며, 주로 경제적 지위가 높은 국가에서1.

병리학적 역류(6% 이상의 산 노출 시간%)의 외래 pH 모니터링을 통해 증상과 산성 또는 비산성 위식도 역류 2,3사이의 관계를 구별할 수 있습니다. PPI (양성자 펌프 억제제) 치료에 반응하지 않는 환자에서, pH 모니터링은 병리학적인 위식도 역류인지 여부와 환자가 표준 PPI 치료에 반응하지 않는 이유에 대해 대답 할 수 있습니다. 다양한 pH 및 임피던스 모니터링 옵션이 현재 제공됩니다. 새로운 가능성 중 하나는 이식형 장치를 사용하는 무선 모니터링4,5입니다.

GERD는 식도 기형 기종 중에 ....

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Protocol

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이 연구에는 살아있는 동물이 참여하지 않았습니다. 실험은 돼지 식도와 위장으로 구성된 전 생체 내 모델에서 수행되었다. 위와 식도는 표준 제품으로 현지 도살장에서 구입했습니다. 이 절차는 체코 법률에 따라, 우리는 때문에 "3R"원칙 (교체, 감소, 및 정제)를 선호합니다.

1. pH 센서 조립의 제작

참고: pH 센서 조립을 통해 정전기 방전(ESD) 민감한 부품을 처리하기 위한 예방 조치를 준수합니다. 납땜 철로 작업 할 때주의하십시오.

  1. 인쇄 회로 기판(PCB)에 장착된 ISFET pH 센서를 평평한 표면에 놓습니다. 납땜 가능한 연락처를 찾습니다.
  2. 납땜 접점은 트림하므로 길이가 3mm 이상입니다.
  3. 납땜 은 불소 에틸렌 프로필렌 (FEP) pH 센서의 납땜 전극에 케이블코팅 의 15mm 섹션을 납땜. 기계적 또는 화학적으로 베어 다이 어셈블리를 청소하지 마십시오. 납땜 중에 플럭스가 있는 다이 및 PCB의 오염을 피하십시오.
  4. 개방형 회로 및 단락을 위해 현미경으로 pH 센서-케이블 어셈블리를 검사합니다. 그런 다음, 오픈 짧은 테스터와 반바지를 확인합니다. 이 단계에서 올바르게 준비된 어셈블리가

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Results

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도 8에 도시된 바와 같이 pH 값의 자율 pH 감지 및 무선 전송이 가능한 장치가 성공적으로 시공되었다. 생성 된 장치는 소형 모델입니다. 무게는 1.2g이며 부피가 0.6cm3입니다. 대략적인 치수는 18mm x 8.5mm x 4.5mm입니다. 도 15, 도 16 및 도 17에 도시된 바와 같이, 단일 혈전 성 클립으로 하부 식도 괄약근의 근접성으로 이식될 수 있다. 특별한 액세서리가 필요하지 않습니다. 이식된 센서를 가진 해부식의 상세한 보기는 도 19에 도시된다.

수동 레텐나 수신기는 손 납땜에 최적화되어 있음에도 불구하고 전체 .......

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 방법은 새로운 활성 이식형 의료 기기의 개발에 일하는 연구자에게 적합합니다. 표면 마운트 부품이 장착된 전자 프로토타입 제조에 대한 숙련도가 필요합니다. 프로토콜의 중요한 단계는 전자 제품의 제조와 관련이 있으며, 특히 PCB를 채우는 데 는 작은 부품의 배치 및 납땜에 작업자 오류가 발생하기 쉽습니다. 그런 다음, 정확한 캡슐화는 수분과 액체에 노출될 때 장치의 수명을 연장하는 데 중요합니다. 이식 방법은 단순을 염두에 두고 설계되었습니다. 이식 중 식도 또는 기타 부작용의 천공 위험은 최소화됩니다. 혈전성 클립은 임상 실습에 널리 사용됩니다. 따라서 이식을 수행하기 위해 특별한 훈련이 필요하지 않습니다.

이 장치는 전압 출력, 즉 저항 센서 및 기타 ISFET 센서가 있는 다른 센서와 함께 쉽게 수정할 수 있습니다. 이것은 연구 와 임상 사례의 그밖 지역에 있는 전체 개념을 이용하는 중대한 융통을 줍니다; pH ISFET 센서의 경우 GERD의 새로운 치료 방법에 대한 연.......

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 선언할 것이 없습니다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 감사찰스 대학 인정 (프로젝트 GA UK 아니 176119) 이 연구를 지원하기위한. 이 작품은 찰스 대학 연구 프로그램 PROGRES Q 28 (종양학)에 의해 지원되었다.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
AG1 배터리PanasonicSR621SW임플란트 1개당 배터리 2
배터리 홀더MYOUNGMY-521-01
안테나용 구리 에나멜 와이어pro-POWERQSE 와이어 - 직경 0.15mm, 캡슐화용 38SWG
에폭시LoctiteEA M-31 CL용 2액형 의료 등급 ISO10993 준수 에폭시
FEP 케이블Molex / Temp-Flex100057-0273
플럭스 클리너ShestoUTFLLU05초음파 처리로 세척하기 위해 탈이온수에 5% 용액을 준비합니다
혈 클립Boston ScientificResolution
열풍 총 + 납땜 인두W.E.P.모델 706주석과 열풍총으로 납땜할 수 있는 모든 납땜 인두는 260°C를 유지할 수 있습니다. C를 사용할 수 있습니다
임피던스 정합 소프트웨어Iowa Hills 소프트웨어Smith Charthttp://www.iowahills.com/9SmithChartPage.html 에서 다운로드 할 수 있습니다 - 또는 모든 RF 설계 소프트웨어가 임피던스 정합 구성 요소 계산을 지원합니다
PCB의 ISFET pH 센서WinSenseWIPS온칩 금 기준 전극이 있는 PCB에 사전 장착된 모델 주문
실험실 pH 측정기Hanna InstrumentsHI2210-02HI1131B 유리 프로브와 함께 사용
Microcontorller 프로그래머MicrochipPICkit 3다른 PIC16 호환 프로그래머도 사용할 수 있습니다
. 식도를 가진 돼지 위현지 돼지 농장대략 40&ndash에서 획득; 돼지 50kg위가 식도의 전체 길이를 포함하는 것이 중요합니다.
인쇄 회로 기판 - 수신기pcb2.zip 데이터에 따라선호하는 PCB 공급 업체 선택1 층, 0.8mm 두께, FR4, 마스크 없음
인쇄 회로 기판 - 센서pcb1.zip 데이터에 따라선호하는 PCB 공급 업체 선택PTH, 0.6mm 두께, FR4, 2x 마스크 수신기가있는 2 층
- 0RVishayCRCW04020000Z0EDC배치 수신기는 그림 12 및 그림 13을 참조하십시오
1.5 pFMurataGRM0225C1C1R5CA03L배치
수신기 - 100 pFMurataGRM0225C1E101JA02L배치
수신기 - 33 nHPulse ElectronicsPE-0402CL330JTT배치
수신기 - RF 쇼트키 다이오드MACOMMA4E2200B1-287T는 그림 12 및 그림 13을 참조하십시오. 배치
수신기 - SMA 안테나LPRSANT-433MS
수신기 - SMA 커넥터Linx TechnologiesCONSMA001배치
센서 - C1MurataGRM0225C1H8R0DA03L8 pF 0402 커패시터
센서 - C2MurataGRM0225C1H8R0DA03L8 pF 0402 커패시터
센서 - C3MurataGCM155R71H102KA37D1 nF 0402 커패시터
센서 - C4MurataGRM0225C1H1R8BA03L1.8 pF
센서 - C5VishayCRCW04020000Z0EDC0R 0402 저항을 배치하거나 안테나와 일치시키는 데 사용
센서 - C6MurataGRM155C81C105KE11J1 uF 0402 커패시터
센서 - C7MurataGRM155C81C105KE11J1 uF 0402 커패시터
센서 - C8MurataGRM022R61A104ME01L100 nF 0402 커패시터
센서 - IC1MicrochipMICRF113YM6-TRMICRF113 RF 송신기
센서 - IC2MicrochipPIC16LF1704-I/MLPIC16LF1704 저전력 마이크로컨트롤러
센서 - R1VishayCRCW040210K0FKEDC10kOhm 0402 저항
센서 - R2VishayCRCW040233K0FKEDC33 kOhm 0402 저항
센서 - R3VishayCRCW04021K00FKEDC1 kOhm 0402 저항
센서 - R5VishayCRCW040210K0FKEDC10 kOhm 0402 저항
센서 - X1ABRACONABM8W-13.4916MHZ-8-J2Z-T33.2 x 2.5 mm 13.4916 MHz 8 pF 크리스탈
티타늄 와이어Sigma-AldrichGF368464340.125 mm 티타늄 와이어
벡터 네트워크 분석기미니 라디오 솔루션miniVNA Tiny다른 벡터 네트워크 분석기를 사용할 수 있습니다 - 필요한 작동 주파수는 300&ndash입니다; 500MHz, 1MHz 이하의 분해능 대역폭, 0dBm 이하의 출력 전력 및 수신 프런트 엔드의 경우 60dB보다 우수한 동적 범위
개 pH 센서. 지.

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. El-Serag, H. B., Sweet, S., Winchester, C. C., Dent, J. Update on the epidemiology of gastro-oesophageal reflux disease: a systematic review. Gut. 63 (6), 871-880 (2014).
  2. Gyawali, C. P., et al. Modern diagnosis of GERD: the Lyon Consensus. Gut. 67 (7), 1351-1362 (....

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Wireless pH SensorImplantable SensorEndoscopic ImplantationSchottky Diode ReceiverPassive RectennaEsophageal pH MonitoringISFET SensorAmplitude Shift KeyingHemostatic ClipGastroesophageal Reflux

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