Constructie van een draadloos-enabled endoscopisch implanteerbare sensor voor pH-bewaking met Zero-Bias Schottky diode-gebaseerde ontvanger

Summary

Het manuscript presenteert een miniatuur implanteerbare pH-sensor met ASK-gemoduleerde draadloze uitgang samen met een volledig passief ontvangercircuit op basis van zero-bias Schottky-diodes. Deze oplossing kan worden gebruikt als basis bij de ontwikkeling van in vivo gekalibreerde elektrostimulatietherapie-apparaten en voor ambulante pH-monitoring.

Abstract

Ambulante pH-monitoring van pathologische reflux is een gelegenheid om de relatie tussen symptomen en blootstelling van de slokdarm aan zure of niet-zure refluxaat te observeren. Dit artikel beschrijft een methode voor de ontwikkeling, productie en implantatie van een miniatuur draadloze pH-sensor. De sensor is ontworpen om endoscopisch te worden geïmplanteerd met een enkele hemostatische clip. Een volledig passieve ontvanger op basis van rectenna op basis van een zero-bias Schottky diode wordt ook geconstrueerd en getest. Om het apparaat te construeren, werden een tweelaagse printplaat en kant-en-klare componenten gebruikt. Een miniatuur microcontroller met geïntegreerde analoge randapparatuur wordt gebruikt als analoge front-end voor de iongevoelige field-effect transistor (ISFET) sensor en om een digitaal signaal te genereren dat wordt verzonden met een amplitude shift keying transmitter chip. Het apparaat wordt aangedreven door twee primaire alkalische cellen. Het implanteerbare apparaat heeft een totaal volume van 0,6 ^cm3 en een gewicht van 1,2 gram, en de prestaties ervan werden geverifieerd in een ex vivo model (varkensslokdarm en maag). Vervolgens werd een passieve ontvanger met een kleine voetafdruk die eenvoudig kan worden geïntegreerd in een externe ontvanger of de implanteerbare neurostimulator, geconstrueerd en bewezen het RF-signaal van het implantaat te ontvangen wanneer het zich in de buurt (20 cm) ervan bevindt. Het kleine formaat van de sensor zorgt voor continue pH-bewaking met minimale obstructie van de slokdarm. De sensor kan in de routinematige klinische praktijk worden gebruikt voor 24/96 h oesofageale pH-monitoring zonder dat een neuskatheter hoeft te worden ingebracht. Het "zero-power" karakter van de ontvanger maakt ook het gebruik van de sensor mogelijk voor automatische in-vivo kalibratie van miniatuur neurostimulatieapparaten voor de onderste slokdarmsfincter. Een actieve sensorgebaseerde besturing maakt de ontwikkeling van geavanceerde algoritmen mogelijk om de gebruikte energie te minimaliseren om een wenselijk klinisch resultaat te bereiken. Een van de voorbeelden van een dergelijk algoritme zou een closed-loop systeem zijn voor on-demand neurostimulatietherapie van gastro-oesofageale refluxziekte (GERD).

Introduction

De Montreal Consensus definieert gastro-oesofageale refluxziekte (GERD) als "een aandoening die zich ontwikkelt wanneer het refluxeren van de inhoud van de maag onaangename symptomen en / of complicaties veroorzaakt". Het kan worden geassocieerd met andere specifieke complicaties zoals slokdarmvernauwingen, Barrett's slokdarm of slokdarmadenocarcinoom. GERD treft ongeveer 20% van de volwassen bevolking, voornamelijk in landen met een hoge economische ^status1.

Ambulante pH-monitoring van pathologische reflux (zure blootstellingstijd van meer dan 6%) stelt ons in staat om de relatie tussen symptomen en zure of niet-zur....

Protocol

Bij dit onderzoek waren geen levende dieren betrokken. Het experiment werd uitgevoerd op een ex vivo model bestaande uit een varkensslokdarm en maag. De maag en slokdarm werden als standaardproduct gekocht bij een lokale slagerij. Deze procedure is in overeenstemming met de Tsjechische wetgeving en we geven er de voorkeur aan vanwege het "3R" -principe (vervanging, vermindering en verfijning).

1. Fabricage van de pH-sensorassemblage

OPMERKING: Neem voorzorgsmaatregelen in acht voor het hanteren van elektrostatische ontlading (ESD) gevoelige componenten tijdens de fabricage van de pH-sensorassemblage. Wees ....

Results

Een apparaat dat in staat is tot autonome pH-detectie en draadloze overdracht van de pH-waarde werd met succes geconstrueerd, zoals weergegeven in figuur 8. Het geconstrueerde apparaat is een miniatuurmodel; het weegt 1,2 g en heeft een volume van 0,6 ^cm3. De geschatte afmetingen zijn 18 mm x 8,5 mm x 4,5 mm. Zoals te zien is in figuur 15, figuur 16 en figuur 17, kan het word.......

Discussion

Deze methode is geschikt voor onderzoekers die werken aan de ontwikkeling van nieuwe actieve implanteerbare medische hulpmiddelen. Het vereist een niveau van vaardigheid in de productie van elektronische prototypes met opbouwcomponenten. De kritieke stappen in het protocol hebben betrekking op de productie van de elektronica, met name het vullen van de PCB's, die gevoelig zijn voor bedieningsfouten bij het plaatsen en solderen van kleine componenten. Vervolgens is een correcte inkapseling cruciaal om de levensduur van he.......

Materials

List of materials used in this article

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