Rękopis przedstawia miniaturowy wszczepialny czujnik pH z modulowanym wyjściem bezprzewodowym ASK wraz z w pełni pasywnym obwodem odbiornika opartym na diodach Schottky'ego o zerowym polaryzacji. Rozwiązanie to może być wykorzystane jako podstawa do opracowywania urządzeń do terapii elektrostymulacji kalibrowanych in vivo oraz do ambulatoryjnego monitorowania pH.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Budowa bezprzewodowego endoskopowo wszczepialnego czujnika do monitorowania pH z odbiornikiem opartym na diodzie Schottky'ego o zerowym odchyleniu
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Ambulatoryjne monitorowanie pH refluksu patologicznego jest okazją do obserwacji związku między objawami a narażeniem przełyku na kwaśny lub niekwaśny refluks. W artykule opisano metodę opracowywania, produkcji i wszczepiania miniaturowego czujnika pH z obsługą bezprzewodową. Czujnik jest przeznaczony do endoskopowego wszczepienia za pomocą pojedynczego klipsa hemostatycznego. Skonstruowano i przetestowano również w pełni pasywny odbiornik oparty na prostowniku opartym na diodzie Schottky'ego o zerowym odchyleniu. Do budowy urządzenia wykorzystano dwuwarstwową płytkę drukowaną oraz gotowe komponenty. Miniaturowy mikrokontroler ze zintegrowanymi analogowymi urządzeniami peryferyjnymi jest używany jako analogowy interfejs dla czujnika tranzystora polowego wrażliwego na jony (ISFET) oraz do generowania sygnału cyfrowego, który jest przesyłany za pomocą układu nadajnika z przesunięciem amplitudy. Urządzenie zasilane jest przez dwa pierwotne ogniwa alkaliczne. Wszczepialne urządzenie ma całkowitą objętość 0,6cm3 i wagę 1,2 grama, a jego działanie zostało zweryfikowane w modelu ex vivo (przełyk i żołądek świni). Następnie skonstruowano pasywny odbiornik oparty na rectennie o niewielkich rozmiarach, który można łatwo zintegrować z zewnętrznym odbiornikiem lub wszczepialnym neurostymulatorem, który udowodniono, że odbiera sygnał radiowy z implantu, gdy znajduje się w jego pobliżu (20 cm). Niewielki rozmiar czujnika zapewnia ciągłe monitorowanie pH przy minimalnej niedrożności przełyku. Czujnik może być używany w rutynowej praktyce klinicznej do monitorowania pH przełyku przez 24 godziny na dobę, 96 dni w tygodniu bez konieczności wprowadzania cewnika do nosa. Charakter odbiornika o "zerowej mocy" umożliwia również wykorzystanie czujnika do automatycznej kalibracji in vivo miniaturowych urządzeń do neurostymulacji dolnego zwieracza przełyku. Aktywna kontrola oparta na czujnikach umożliwia opracowanie zaawansowanych algorytmów w celu zminimalizowania zużywanej energii w celu osiągnięcia pożądanego wyniku klinicznego. Jednym z przykładów takiego algorytmu może być system zamkniętej pętli do terapii neurostymulacji na żądanie choroby refluksowej przełyku (GERD).
Wprowadzenie
Konsensus Montrealski definiuje chorobę refluksową przełyku (GERD) jako "stan, który rozwija się, gdy refluks żołądka powoduje nieprzyjemne objawy i/lub komplikacje". Może to być związane z innymi specyficznymi powikłaniami, takimi jak zwężenia przełyku, przełyk Barretta lub gruczolakorak przełyku. GERD dotyka około 20% dorosłej populacji, głównie w krajach o wysokim statusie ekonomicznym1.
Ambulatoryjne monitorowanie pH refluksu patologicznego (czas ekspozycji na kwas powyżej 6%) pozwala nam rozróżnić związek między objawami a kwaśnym lub niekwaśnym refluksem żołądkowo-przełykowym2,3. U pacjentów, którzy nie reagują na terapię IPP (inhibitorem pompy protonowej), monitorowanie pH może odpowiedzieć na pytanie, czy jest to patologiczny refluks żołądkowo-przełykowy i dlaczego pacjent nie reaguje na standardową terapię IPP. Obecnie oferowane są różne opcje monitorowania pH i impedancji. Jedną z nowszych możliwości jest bezprzewodowe monitorowanie za pomocą urządzeń wszczepialnych4,5.
GERD jest związane z zaburzeniami dolnego zwieracza przełyku (LES), gdzie skurcze wykazywane podczas manometrii przełyku nie są patologiczne, ale mają zmniejszoną amplitudę w długotrwałym GERD. LES składa się z mięśni gładkich i utrzymuje skurcze toniczne spowodowane czynnikami miogennymi i neurogennymi. Rozluźnia się z powodu hamowania za pośrednictwem nerwu błędnego, w którym tlenek azotu jest neuroprzekaźnikiem6.
Udowodniono, że stymulacja elektryczna dwiema parami elektrod wydłuża czas skurczu LES w modelu refluksu u psów7. Na rozluźnienie LES, w tym ciśnienie resztkowe podczas połykania, nie miała wpływu stymulacja zarówno niskiej, jak i wysokiej częstotliwości. Stymulacja o wysokiej częstotliwości jest oczywistym wyborem, ponieważ wymaga mniej energii i wydłuża żywotność baterii.
Chociaż leczenie elektrostymulacją (ET) dolnego zwieracza przełyku jest stosunkowo nową koncepcją w leczeniu pacjentów z GERD, terapia ta okazała się bezpieczna i skuteczna. Wykazano, że ta forma leczenia zapewnia znaczną i trwałą ulgę w objawach GERD, jednocześnie eliminując potrzebę leczenia IPP i zmniejszając ekspozycję na kwas przełykowy8,9,10.
Aktualnym najnowocześniejszym czujnikiem pH do diagnostyki GERD jest urządzenie Bravo11,12. Przy szacowanej objętości 1,7cm3 może być wszczepiony bezpośrednio do przełyku z wizualnym endoskopowym sprzężeniem zwrotnym lub bez niego i zapewnia 24 godziny + monitorowanie pH w przełyku.
Biorąc pod uwagę, że terapia elektrostymulacją jest jedną z najbardziej obiecujących alternatyw w leczeniu GERD, która nie reaguje na standardową terapię8,13, sensowne jest dostarczenie danych z czujnika pH do neurostymulatora. Ostatnie badania pokazują wyraźną ścieżkę przyszłego rozwoju w tej dziedzinie, która doprowadzi do powstania sztywnych wszczepialnych urządzeń typu "wszystko w jednym", które będą znajdować się w miejscu neurostymulacji14,15. W tym celu ISFET (Ion-Sensitive Field-effect Transistor) jest jednym z najlepszych typów czujników ze względu na swój miniaturowy charakter, możliwość integracji elektrody referencyjnej (w tym przypadku złotej) w układzie scalonym i wystarczająco wysoką czułość. W przypadku krzemu tranzystor ISFET przypomina strukturę standardowego tranzystora MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Jednak bramka, zwykle podłączona do terminala elektrycznego, jest zastępowana warstwą materiału aktywnego w bezpośrednim kontakcie z otaczającym środowiskiem. W przypadku tranzystorów ISFET wrażliwych na pH warstwę tę tworzy azotek krzemu (Si3N4)16.
Główną wadą endoskopowo wszczepialnych urządzeń jest nieodłączne ograniczenie rozmiaru baterii, co może prowadzić do skrócenia żywotności tych urządzeń lub zmotywować producentów do opracowania zaawansowanych algorytmów, które zapewnią wymagany efekt przy niższych kosztach energii. Jednym z przykładów takiego algorytmu może być system zamkniętej pętli do terapii neurostymulacji GERD na żądanie. Podobnie jak w przypadku ciągłych glukometrów (CGM) + systemów pomp insulinowych17, taki system wykorzystywałby czujnik pH przełyku lub inny czujnik do wykrywania aktualnego ciśnienia dolnego zwieracza przełyku wraz z jednostką neurostymulacji.
Odpowiedź na terapię neurostymulacyjną i wymagania dotyczące wzorców neurostymulacji mogą być indywidualne13. Dlatego ważne jest, aby opracować niezależne czujniki, które mogłyby być wykorzystywane zarówno do diagnozowania i charakteryzowania dysfunkcji, jak i do aktywnego udziału w kalibracji systemu neurostymulacji zgodnie z indywidualnymi wymaganiami pacjentów18. Czujniki te powinny być jak najmniejsze, aby nie wpływać na normalne funkcjonowanie narządu.
Ten manuskrypt opisuje metodę projektowania i produkcji czujnika pH opartego na tranzystorze ISFET z przetwornikiem z kluczem z przesunięciem amplitudy (ASK) i pasywnym odbiornikiem opartym na rectennie o niewielkich rozmiarach. Opierając się na prostej architekturze rozwiązania, dane dotyczące pH mogą być odbierane przez zewnętrzny odbiornik lub nawet wszczepialny neurostymulator bez znaczącej utraty objętości lub mocy. Modulacja ASK została wybrana ze względu na charakter odbiornika pasywnego, który jest w stanie wykryć tylko odbieraną moc sygnału RF (często nazywaną "siłą odbieranego sygnału"). Schemat ideowy, który jest osadzony jako materiał uzupełniający, przedstawia budowę urządzenia. Zasilany jest bezpośrednio z dwóch baterii alkalicznych AG1, które zapewniają napięcie w zakresie 2,0-3,0 V (w zależności od stanu naładowania). Baterie zasilają wewnętrzny mikrokontroler, który wykorzystuje przetwornik ADC (przetwornik analogowo-cyfrowy), przetwornik cyfrowo-analogowy DAC, wewnętrzny wzmacniacz operacyjny i urządzenia peryferyjne FVR (odniesienie o stałym napięciu) do polaryzacji czujnika pH ISFET. Wynikowe napięcie "bramki" (złota elektroda odniesienia) jest proporcjonalne do pH otaczającego środowiska. Stabilnyprąd wewnętrzny jest zapewniony przez rezystor wykrywający R2 po stronie dolnej. Źródło czujnika ISFET jest podłączone do wejścia nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego, natomiast wejście odwracające jest podłączone do napięcia wyjściowego modułu DAC ustawionego na 960 mV. Wyjście wzmacniacza operacyjnego jest podłączone do bolca spustowego tranzystora ISFET. Ten wzmacniacz operacyjny reguluje napięcie drenu tak, aby różnica napięcia na rezystorze R2 wynosiła zawsze 960 mV; w ten sposób przez ISFET przepływa stały prąd polaryzacji 29 μA (podczas normalnej pracy). Napięcie bramki jest następnie mierzone za pomocą przetwornika ADC. Następnie mikrokontroler włącza nadajnik RF za pośrednictwem jednego z pinów GPIO (wejście/wyjście ogólnego przeznaczenia) i przesyła sekwencję. Obwód nadajnika RF składa się z sieci krystalicznej i dopasowującej, która dopasowuje moc wyjściową do impedancji 50 Ω.
Do eksperymentów tutaj pokazanych, użyliśmy żołądka świni z długim odcinkiem przełyku zamontowanym w standardowym modelu plastikowym. Jest to powszechnie stosowany model do praktykowania technik endoskopowych, takich jak ESD (endoskopowa dyssekcja podśluzówkowa), POEM (doustna miotomia endoskopowa), endoskopowa resekcja błony śluzowej (EMR), hemostaza itp. Jeśli chodzi o parametry anatomiczne jak najbardziej zbliżone do narządów człowieka, wykorzystano żołądek i przełyk świń o masie ciała 40-50 kg.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
W tym badaniu nie brały udziału żadne żywe zwierzęta. Eksperyment przeprowadzono na modelu ex vivo składającym się z przełyku i żołądka świni. Żołądek i przełyk były kupowane w lokalnej rzeźni jako ich standardowy produkt. Ta procedura jest zgodna z prawem czeskim i preferujemy ją ze względu na zasadę "3R" (Wymiana, Redukcja i Udoskonalenie).
1. Wykonanie zespołu czujnika pH
UWAGA: Przestrzegaj zasad ostrożności dotyczących obchodzenia się z komponentami wrażliwymi na wyładowania elektrostatyczne (ESD) podczas produkcji zespołu czujnika pH. Zachowaj ostrożność podczas pracy z lutownicą.
- Umieść czujnik pH ISFET zamontowany na płytce drukowanej (PCB) na płaskiej powierzchni. Zlokalizuj styki do.
- Przytnij styki do, aby ich długość nie była dłuższa niż 3 mm.
- odcinek 15 mm pokrytego fluorowanym etylenem i propylenem (FEP) do elektrod lutowalnych czujnika pH. Nie czyść mechanicznie ani chemicznie zespołu nieosłoniętej matrycy. Staraj się unikać zanieczyszczenia matrycy i płytki drukowanej topnikiem podczas.
- Sprawdź pod mikroskopem zespół czujnika pH i pod kątem przerw w obwodach i zwarć. Następnie sprawdź zwarcia za pomocą testera open-short. Prawidłowo przygotowany montaż na tym etapie jest pokazany w Rysunek 1.
- Zespół czujnika pH należy czyścić w myjce ultradźwiękowej przez 5 minut w temperaturze 70 °C w 5% roztworze topnika w wodzie. Optymalny zakres mocy ultradźwięków to 50-100 W/l. Nie przekraczać 100 W/l.
- Opłucz zespół czujnika pH w technicznym alkoholu izopropylowym przez co najmniej 3 minuty i pozostaw do wyschnięcia w suszarce w temperaturze 80 °C na 15 minut.
- Umieść wszystkie czujniki pH na płaskiej powierzchni (w przypadku, gdy przygotowuje się wiele jednocześnie) przed przejściem do następnego kroku.
- Wymieszaj odpowiednią ilość dwuskładnikowej żywicy epoksydowej do hermetyzacji lutowanych elektrod. Użyj co najmniej 2 ml, aby umożliwić dokładne wymieszanie. Użyj czarnej, nieprzezroczystej żywicy epoksydowej, aby umożliwić późniejszą inspekcję - części czujnika wystawione na działanie środowiska będą łatwiej widoczne, ponieważ nie będą miały na sobie nieprzezroczystej żywicy epoksydowej
- Przenieść zmieszaną żywicę epoksydową do strzykawki o pojemności 1 ml z igłą o płaskim końcu 0,5 mm.
- Pokryj obszar czujników pH żywicą epoksydową. Upewnij się, że pokryłeś cały obszar elektrod PCB i odsłonięty drut.
- Pozwól żywicy epoksydowej utwardzić się w temperaturze pokojowej lub podwyższonej (maks. 80 °C), w tym badaniu użyto 50 °C z żywicą epoksydową wymienioną w tabeli materiałów.
- Sprawdź pokryty obszar pod mikroskopem. Jeśli jakiekolwiek niepowlekane części metalowe (elektroda PCB lub drut) są odsłonięte, powtarzaj kroki 1.8-1.11, aż nie będzie żadnych widocznych śladów niepowlekanego metalu.
- Przytnij przewody do długości i kąta pokazanego w Rysunek 2. Pokryj końce lutem, aby uniknąć strzępienia się.
2. Wykonanie zestawu elektronicznego
UWAGA: Przestrzegaj zasad ostrożności dotyczących obchodzenia się z komponentami wrażliwymi na wyładowania elektrostatyczne podczas produkcji elektroniki. Zachowaj ostrożność podczas pracy z lutownicą i pistoletem na gorące powietrze.
- Umieść płytkę drukowaną (wyprodukowaną na podstawie plików uzupełniających "pcb1.zip" i schematu ideowego "schematic.png") na płaskiej powierzchni, komponentami stroną do góry.
- Nałóż pastę lutowniczą na wszystkie odsłonięte pozłacane pady.
- Umieść wszystkie pasywne i aktywne elementy za pomocą pęsety zgodnie z Rysunek 3 i tabela materiałów.
- Podgrzej płytkę drukowaną za pomocą pistoletu na gorące powietrze, aby komponenty. Podgrzewaj płytkę drukowaną stopniowo do 150 °C przez 2 minuty, aby usunąć resztki wody z opakowań i aktywować topnik w paście lutowniczej. Następnie podgrzej płytkę drukowaną do 260 °C, aby komponenty. Pozwól płytce drukowanej ostygnąć do temperatury pokojowej, nie przesuwaj jej podczas całego procesu.
- Po przylutowaniu i schłodzeniu do temperatury pokojowej należy sprawdzić płytkę drukowaną pod mikroskopem, aby zweryfikować prawidłowe rozmieszczenie wszystkich elementów i zwarć. Jeśli nie zaobserwujesz żadnych zwarć ani nieprawidłowego rozmieszczenia komponentów, pomiń krok 2.6.
- Napraw wszelkie zwarcia lub nieprawidłowe rozmieszczenie elementów za pomocą lutownicy lub pistoletu na gorące powietrze. Przejdź do kroku 2.5.
- 5 przewodów do komponentów (przewodów zasilających i programowania), jak pokazano na Rysunek 4.
- Aby podłączyć płytkę PCB do programatora, podłącz przewody przylutowane w kroku 2.7. do złącza programatora.
- Zaprogramuj oprogramowanie układowe (patrz Reprezentatywne wyniki, aby uzyskać szczegółowe wyjaśnienie, którego file użyć) do mikrokontrolera. Użyj wcześniej opisanej procedury, aby skonfigurować oprogramowanie do programowania19. Ustaw programator tak, aby zasilał urządzenie napięciem około 2,5 V. Po zaprogramowaniu odlutuj 5 przewodów.
- Umieść płytkę drukowaną na płaskiej powierzchni, komponentem do góry. miedziany przewód antenowy AWG38 (długość 3 cm), jak pokazano na Rysunek 5 i owiń go wokół krawędzi płytki drukowanej. Przymocuj przewód antenowy do krawędzi płytki drukowanej za pomocą kleju cyjanoakrylowego. pozostałe dwie zworki przewodów drutem miedzianym SWG38, jak pokazano na Rysunek 5. Unikaj kontaktu elektrycznego z innymi elementami.
- Połóż płytkę drukowaną na płaskiej powierzchni, komponentem do dołu.
- dwa uchwyty baterii do przeciwnej części płytki drukowanej, jak pokazano na Rysunek 6.
- zespół czujnika pH do zacisków na płytce drukowanej, jak pokazano na Rysunek 7.
- Włóż dwie baterie AG1 do uchwytów baterii.
UWAGA: Nie wykonuj tego kroku i kolejnych kroków opisanych w tej sekcji wcześniej niż 24 godziny przed badaniem i endoskopowym wszczepieniem czujnika. - Przygotuj odpowiednią ilość żywicy epoksydowej zgodnie z opisem w kroku 1.8 do hermetyzacji urządzenia.
- Kapsułkować urządzenie żywicą epoksydową, stosując tę samą procedurę, która została opisana w kroku 1.9 (strzykawka z igłą). Pozostaw żywicę epoksydową do utwardzenia w temperaturze pokojowej lub lekko podwyższonej temperaturze (nie przekraczaj 50 °C ze względu na obecność baterii). Zobacz Rysunek 8, aby uzyskać poprawne wyniki enkapsulacji.
- Utwórz hak z drutu tytanowego zgodnie z Rysunek 9.
UWAGA: Tytan (klasa II) został wybrany ze względu na jego biokompatybilność i doświadczenie w stosowaniu w wszczepialnych urządzeniach medycznych. Można również użyć stali nierdzewnej. Jednak rodzaj i obróbkę cieplną należy wybrać ostrożnie, ponieważ niektóre rodzaje stali nierdzewnej są bardzo kruche. - Przymocuj drucianą przyczepę do urządzenia za pomocą kropli szybkoutwardzającej się żywicy epoksydowej (patrz Rysunek 10) i pozwól mu utwardzić się w temperaturze pokojowej lub lekko podwyższonej (maksymalnie 50 °C). Czujnik pH znajduje się w lewym dolnym rogu wszczepialnego urządzenia.
- Czujnik aktywuje się po 24 godzinach od włożenia baterii. W międzyczasie przejdź do kroku 3.
UWAGA: Wstrzymaj teraz protokół, jeśli możliwe jest wykonanie kroku 3 w ciągu 24 godzin po włożeniu baterii.
3. Wykonanie pasywnego odbiornika rectenna
- Umieść płytkę drukowaną (wyprodukowaną na podstawie dodatkowego pliku "pcb2.zip"). do rectenny na płaskiej powierzchni.
- elementy metodą pasty lutowniczej opisaną w krokach 2.2-2.6 lub użyj pistoletu lutowniczego zgodnie z Rysunek 11A.
UWAGA: Jeśli eksperymentator zdecyduje się na ponowne wyprodukowanie odbiornika rectenna (został on wcześniej wyprodukowany i dopasowany) lub nie chce kontynuować dopasowywania odbiornika, użyj wartości komponentów wcześniej określonych przez eksperymentatora lub podanych w Rysunek 11B i pomiń kroki 3.5-3.7. - złącze SMA do płytki drukowanej.
- Sprawdź płytkę drukowaną pod mikroskopem. Jeśli zauważysz jakiekolwiek zwarcia lub nieprawidłowe rozmieszczenie komponentów, rozwiąż problemy.
- Podłącz dane wejściowe wektorowego analizatora sieci do złącza SMA.
- Nagraj wykres S11 Smitha prostownika od 300-500 MHz z szerokością pasma rozdzielczości 1 kHz. Obserwuj odpowiedź i zapisz impedancję przy 431.7 MHz. Użyj oprogramowania kalkulatora dopasowania impedancji, aby określić wartości pasujących komponentów. Przykładowy wykres Smitha jest pokazany w Rysunek 12A.
- elementy pasujące do impedancji i sprawdź pod mikroskopem pod kątem zwarć i rozmieszczenia komponentów.
- Zmierz ponownie za pomocą analizatora widma i potwierdź, że współczynnik fali stojącej napięcia (VSWR) jest poniżej 3 w zakresie 300-500 MHz (wewnątrz zewnętrznego okręgu cyjanu pokazanego na Rysunek 12B). Jeśli nie, powtórz z różnymi pasującymi składnikami lub kontynuuj, mając na uwadze zmniejszoną wydajność prostownika.
- Podłącz antenę pasma 433 MHz do złącza SMA. Podłącz oscyloskop do wyjścia rectenna.
- Ustaw oscyloskop na pracę jednokanałową, podstawę czasu walcowania, tryb DC, podstawę czasu 500 ms/działkę i skalę napięcia 5 mV/działka.
4. Testowanie urządzenia
UWAGA: Następujące kroki wymagają użycia środków chemicznych. Należy wcześniej zapoznać się z kartami charakterystyki substancji chemicznych i używać odpowiedniego sprzętu ochronnego oraz typowych praktyk laboratoryjnych podczas manipulowania nimi.
- Sprawdź wyjście czujnika, obserwując sygnał pokazany na oscyloskopie. Przykładowe dane wyjściowe są pokazane w Rysunek 13,14. Urządzenie będzie aktywne po 24 godzinach od włożenia baterii. Okres przesyłania danych wyjściowych czujnika pH różni się w zależności od pliku, który został zaprogramowany do mikrokontrolera (szczegółowe wyjaśnienie znajduje się w Reprezentatywnych wynikach).
- Przygotować 2% roztwór kwasu solnego (należy zachować ostrożność podczas obchodzenia się z kwasem solnym). Przygotować 100 mM roztwory buforowe o pH 4 (wodoroftalan potasu/kwas solny), pH 7 (diwodorofosforan potasu/wodorotlenek sodu) i pH 10 (węglan sodu/wodorowęglan sodu) stosując standardowe procedury laboratoryjne i oznaczyć zlewki.
- Sprawdź pH wszystkich czterech zlewek za pomocą skalibrowanego pH-metru. Dostosuj w razie potrzeby.
- Zanurzyć kapsułkę w każdej zlewce i pobrać co najmniej 3 próbki. Zmierz okres między drugim a trzecim impulsem i wypełnij go w dostarczonym arkuszu kalkulacyjnym (plik uzupełniający 1). Określ współczynniki kalibracji czujnika pH za pomocą arkusza kalkulacyjnego.
- Po kalibracji zmierz czas między drugim a trzecim impulsem i wprowadź go do arkusza kalkulacyjnego, aby określić pH roztworu, na działanie którego wystawiony jest czujnik pH.
5. Endoskopowa implantacja czujnika
- Przygotuj endoskopowy model świni ex vivo składający się z żołądka i długiego odcinka przełyku.
- Chwyć czujnik zewnętrznie za pomocą klipsa hemostatycznego, jak pokazano na Rysunek 15 i Rysunek 16.
- Włóż endoskop z czujnikiem w klipsie w standardowy sposób do modelu.
- Umieść klips z czujnikiem blisko dolnego zwieracza przełyku.
- Obróć endoskop o ścianę przełyku, otwórz klips, a następnie popchnij w kierunku ściany przełyku. Zamknij zacisk i zwolnij klips. Czujnik pozostanie przymocowany do ściany przełyku w żądanym miejscu, jak pokazano na Rysunek 17D i Rysunek 17E.
- Wyciągnij endoskop.
6. Eksperyment po implantacji
UWAGA: Następujące kroki wymagają użycia środków chemicznych. Należy wcześniej zapoznać się z kartami charakterystyki substancji chemicznych i używać odpowiedniego sprzętu ochronnego oraz typowych praktyk laboratoryjnych podczas manipulowania nimi.
- Umieść odbiornik w odległości nie większej niż 10 cm (maksymalnie) od wszczepionego czujnika.
- Wstrzyknąć 50 ml roztworów o różnych wartościach pH do przełyku, jak pokazano na rysunku Rysunek 18, i obserwować zmiany w odpowiedzi czujnika. Wycofaj endoskop po każdym wstrzyknięciu i odczytaj wartość nie wcześniej niż 30 s po wstrzyknięciu. Przemyć przełyk 100 ml wody dejonizowanej między wstrzykiwaniem roztworów o różnym pH.
- Użyj arkusza kalkulacyjnego (plik uzupełniający 1), aby obliczyć pH zmierzone przez czujnik.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Pomyślnie skonstruowano urządzenie zdolne do autonomicznego pomiaru pH i bezprzewodowego przesyłania wartości pH, co przedstawiono w Rycina 8Zbudowane urządzenie jest modelem miniaturowym; waży 1,2 g i ma objętość 0,6 cm³3Przybliżone wymiary wynoszą 18 mm x 8,5 mm x 4,5 mm. Jak pokazano w Rysunek 15, Rysunek 16, i Rycina 17można go zaimplantować w pobliżu dolnego zwieracza pr...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Metoda ta jest odpowiednia dla badaczy, którzy pracują nad opracowaniem nowatorskich aktywnych urządzeń medycznych do implantacji. Wymaga to pewnego poziomu biegłości w wytwarzaniu prototypów elektronicznych z elementami do montażu powierzchniowego. Krytyczne kroki w protokole są związane z produkcją elektroniki, zwłaszcza z wypełnianiem płytek drukowanych, które są podatne na błędy operatora przy umieszczaniu i małych elementów. Następnie prawidłowa hermetyzacja ma kluczowe znaczenie dla przedłużenia żywotności urządzen...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do zadeklarowania.
Podziękowania
Autorzy dziękują Uniwersytetowi Charlesa (projekt GA UK No 176119) za wsparcie tego badania. Prace te były wspierane przez program badawczy Uniwersytetu Karola PROGRES Q 28 (Onkologia).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Bateria AG1 | Panasonic | SR621SW | Dwie baterie na jeden implant |
| Uchwyt baterii | MYOUNG | MY-521-01 | |
| Drut emaliowany miedziany do anteny | pro-POWER | QSE Drut - średnica 0,15 mm, 38 SWG | |
| Żywica epoksydowa do enkapsulacji | Loctite | EA M-31 CL | Dwuczęściowy epoksydowy FEP klasy medycznej zgodny z ISO10993 |
| do czujnika | pHMolex / Temp-Flex | 100057-0273 | |
| Topnik czyszczący | Shesto | UTFLLU05 | Przygotuj 5% roztwór w wodzie dejonizowanej do czyszczenia metodą sonikacji |
| Klips hemostatyczny | Boston Scientific | Resolution | |
| Pistolet na gorące powietrze + lutownica | W.E.P. | Model 706 | Dowolna lutownica zdolna do za pomocą cyny i pistoletu na gorące powietrze, zdolna do utrzymania 260 & stopni; C może być używany |
| Oprogramowanie do dopasowywania impedancji | Oprogramowanie Iowa Hills | Wykres Smitha | Można pobrać ze strony http://www.iowahills.com/9SmithChartPage.html - alternatywnie, dowolne oprogramowanie do projektowania RF obsługuje obliczanie komponentów dopasowania impedancji |
| Czujnik pH ISFET na płytce drukowanej | WinSense | WIPS | Zamów model wstępnie zamontowany na płytce drukowanej z wbudowaną złotą elektrodą referencyjną |
| Laboratoryjny pH-metr | Hanna Instruments | HI2210-02 | Używany z sondą szklaną HI1131B |
| Programator mikrokontorujący | Microchip | PICkit 3 | Można również stosować inne programatory kompatybilne z PIC16 |
| Żołądek świni z przełykiem | Lokalna ferma trzody chlewnej | Uzyskiwany od ok. 40– 50 kg świnia | Ważne jest, aby żołądek obejmował całą długość przełyku. |
| Płytka drukowana - odbiornik | Wybierz preferowanego dostawcę PCB | Zgodnie z danymi pcb2.zip | Jedna warstwa, grubość 0,8 mm, FR4, bez maski |
| Płytka drukowana - czujnik | Wybierz preferowanego dostawcę PCB | Zgodnie z danymi pcb1.zip | Dwuwarstwowy z PTH, grubość 0,6 mm, FR4, 2x maska |
| Odbiornik - 0R | Vishay | CRCW04020000Z0EDC | Zobacz rysunek 12 i rysunek 13, aby zapoznać się z umieszczeniem |
| Odbiornik - 1,5 pF | Murata | GRM0225C1C1R5CA03L | Patrz Rysunek 12 i Rysunek 13 dla umiejscowienia |
| Odbiornik - 100 pF | Murata | GRM0225C1E101JA02L | Patrz Rysunek 12 i Rysunek 13 dla umiejscowienia |
| Odbiornik - 33 nH | Elektronika impulsowa | PE-0402CL330JTT | Patrz Rysunek 12 i Rysunek 13 dla umiejscowienia |
| Odbiornik - diody Schottky'ego RF | MACOM | MA4E2200B1-287T | Zobacz Rysunek 12 i Rysunek 13 dla Umiejscowienie |
| Odbiornik - antena SMA | LPRS | ANT-433MS | |
| Odbiornik - złącze SMA | Linx Technologies | CONSMA001 | Patrz Rysunek 12 i Rysunek 13 dla umiejscowienia |
| Czujnik - C1 | Murata | GRM0225C1H8R0DA03L | 8 pF 0402 Kondensator |
| Czujnik - C2 | Murata | GRM0225C1H8R0DA03L | 8 pF 0402 Kondensator |
| Czujnik - C3 | Murata | GCM155R71H102KA37D | Kondensator 1 nF 0402 |
| Czujnik - C4 | Murata | GRM0225C1H1R8BA03L | 1.8 |
| pF Czujnik - C5 | Vishay | CRCW04020000Z0EDC | Umieść rezystor 0R 0402 lub użyj do dopasowania anteny |
| Czujnik - kondensator C6 | Murata | GRM155C81C105KE11J | 1 uF 0402 |
| Czujnik - kondensator | |||
| C7 Murata GRM155C81C105KE11J 1 uF 0402Czujnik - | Murata | GRM022R61A104ME01L 100 nF 0402 | |
| Czujnik - IC1 | Microchip | MICRF113YM6-TR | MICRF113 nadajnik RF |
| Czujnik - IC2 | Microchip | PIC16LF1704-I/ML | PIC16LF1704 mikrokontroler małej mocy |
| Czujnik - Rezystor R1 | Vishay | CRCW040210K0FKEDC | 10 kOhm 0402 |
| Czujnik - R2 | Vishay | CRCW040233K0FKEDC | Rezystor 33 kOhm 0402 |
| Czujnik - R3 | Vishay | CRCW04021K00FKEDC | 1 kOhm 0402 Rezystor |
| Czujnik - R5 | Vishay | CRCW040210K0FKEDC | 10 kOhm 0402 Rezystor |
| Czujnik - X1 | ABRACON | ABM8W-13.4916MHZ-8-J2Z-T3 | 3,2 x 2,5 mm 13,4916 MHz 8 pF kryształ |
| Drut tytanowy | Sigma-Aldrich | GF36846434 | 0,125 mm drut tytanowy |
| Wektorowy analizator sieci | mini ROZWIĄZANIA RADIOWE | miniVNA Tiny | Można stosować inne wektorowe analizatory sieci - wymagana częstotliwość pracy to 300– 500 MHz, szerokość pasma rozdzielczości równa lub mniejsza niż 1 MHz, moc wyjściowa nie większa niż 0 dBm i zakres dynamiki najlepiej lepszy niż 60 dB dla interfejsu odbiorczego |
Bibliografia
- 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).
- Gyawali, C. P., et al. Modern diagnosis of GERD: the Lyon Consensus. Gut. 67 (7), 1351-1362 (2018).
- Cesario, S., et al. Diagnosis of GERD in typical and atypical manifestations. Acta Biomedica. 89 (5), 33-39 (2018).
- Sifrim, D., Gyawali, C. P. Prolonged wireless pH monitoring or 24-hour catheter-based pH impedance monitoring: Who, When, and Why. American Journal of Gastroenterology. 115 (8), 1150-1152 (2020).
- Chae, S., Richter, J. E. Wireless 24, 48, and 96 Hour or impedance or oropharyngeal prolonged pH monitoring: Which test, when, and why for GERD. Current Gastroenterology Reports. 20 (11), 52(2018).
- Furness, J. B., Callaghan, B. P., Rivera, L. R., Cho, H. -J. The enteric nervous system and gastrointestinal innervation: integrated local and central control. Adv Exp Med Biol. 817, 39-71 (2014).
- Sanmiguel, C. P., et al. Effect of electrical stimulation of the LES on LES pressure in a canine model. American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver Physiology. 295 (2), 389-394 (2008).
- Rodríguez, L., et al. Electrical stimulation therapy of the lower esophageal sphincter is successful in treating GERD: final results of open-label prospective trial. Surgical Endoscopy. 27 (4), 1083-1092 (2013).
- Rinsma, N. F., Bouvy, N. D., Masclee, A. A. M., Conchillo, J. M. Electrical stimulation therapy for gastroesophageal reflux disease. Journal of Neurogastroenterology and Motility. 20 (3), 287-293 (2014).
- Rodríguez, L., et al. Two-year results of intermittent electrical stimulation of the lower esophageal sphincter treatment of gastroesophageal reflux disease. Surgery. 157 (3), 556-567 (2015).
- Kwiatek, M. A., Pandolfino, J. E. The BravoTM pH capsule system. Digestive and Liver Disease. 40 (3), 156-160 (2008).
- Karamanolis, G., et al. Bravo 48-hour wireless pH monitoring in patients with non-cardiac chest pain. objective gastroesophageal reflux disease parameters predict the responses to proton pump inhibitors. Journal of Neurogastroenterology and Motility. 18 (2), 169-173 (2012).
- Rodríguez, L., et al. Two-year results of intermittent electrical stimulation of the lower esophageal sphincter treatment of gastroesophageal reflux disease. Surgery (United States). 157 (3), 556-567 (2015).
- Hajer, J., Novák, M., Rosina, J. Wirelessly powered endoscopically implantable devices into the submucosa as the possible treatment of gastroesophageal reflux disease. Gastroenterology Research and Practice. 2019, 1-7 (2019).
- Deb, S., et al. Development of innovative techniques for the endoscopic implantation and securing of a novel, wireless, miniature gastrostimulator (with videos). Gastrointestinal Endoscopy. 76 (1), 179-184 (2012).
- Shin, P., Mikolajick, T., Ryssel, H. pH Sensing Properties of ISFETs with LPCVD Silicon Nitride Sensitive-Gate. The Journal of Electrical Engineering and Information Science. 2, 82-87 (1997).
- Benhamou, P. -Y., et al. Closed-loop insulin delivery in adults with type 1 diabetes in real-life conditions: a 12-week multicentre, open-label randomised controlled crossover trial. The Lancet Digital Health. 1 (1), 17-25 (2019).
- Nikolic, M., et al. Tailored modern GERD therapy - steps towards the development of an aid to guide personalized anti-reflux surgery. Scientific Reports. 9 (1), 19174(2019).
- Hajer, J., Novák, M. Autonomous and rechargeable microneurostimulator endoscopically implantable into the submucosa. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (139), e57268(2018).
- Pavelka, M., Roth, J. Parietal Cells Of Stomach: Secretion Of Acid. Functional Ultrastructure. , Springer. Vienna. 202-203 (2010).
- Jones, R. D., Neuman, M. R., Sanders, G., Cross, F. S. Miniature antimony pH electrodes for measuring gastroesophageal reflux. The Annals of Thoracic Surgery. 33 (5), 491-495 (1982).
- Avago technologies designing detectors for RF/ID tags application note 1089. , Available from: http://docs.avagotech.com/docs/AV02-1577EN (2008).
- Waugh, R. W., Buted, R. R. The zero bias schottky diode detector at temperature extremes-problems and solutions. Proceedings of the WIRELESS Symposium. , 175-183 (1996).
- Satoh, Y., Ikata, O., Miyashita, T. RF SAW filters. , Available from: http://www.te.chiba-u.jp/lab/ken/Symp/Symp2001/PAPER/SATOH.pdf (2011).
- Soffer, E. Effect of electrical stimulation of the lower esophageal sphincter in gastroesophageal reflux disease patients refractory to proton pump inhibitors. World Journal of Gastrointestinal Pharmacology and Therapeutics. 7 (1), 145(2016).
- Microsemi ZL70323 MICS-band RF miniaturized standard implant module (MiniSIM). , Available from: https://www.microsemi.com/document-portal/doc_download/135307-zl70323-datasheet (2015).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
