Конструкция эндоскопически имплантируемого датчика с поддержкой беспроводной связи для мониторинга pH с приемником на основе диода Шоттки с нулевым смещением

Summary

В рукописи представлен миниатюрный имплантируемый датчик pH с модулированным беспроводным выходом ASK вместе с полностью пассивной схемой приемника, основанной на диодах Шоттки с нулевым смещением. Это решение может быть использовано в качестве основы при разработке in vivo калиброванных устройств электростимуляционной терапии и для амбулаторного мониторинга рН.

Abstract

Амбулаторный мониторинг рН патологического рефлюкса – это возможность наблюдать взаимосвязь между симптомами и воздействием пищевода кислого или некислотного рефлюксата. В этой статье описывается метод разработки, производства и имплантации миниатюрного беспроводного датчика pH. Датчик предназначен для эндоскопической имплантации с помощью одного гемостатического зажима. Также построен и протестирован полностью пассивный приемник на основе ректенны, основанный на диоде Шоттки с нулевым смещением. Для конструирования устройства использовалась двухслойная печатная плата и готовые компоненты. Миниатюрный микроконтроллер со встроенными аналоговыми периферийными устройствами используется в качестве аналогового интерфейса для ионно-чувствительного датчика полевого транзистора (ISFET) и для генерации цифрового сигнала, который передается с помощью чипа передатчика со сдвигом амплитуды. Устройство питается от двух первичных щелочных ячеек. Имплантируемое устройство имеет общий объем 0,6 ^см3 и вес 1,2 грамма, а его работоспособность была проверена в модели ex vivo (пищевод и желудок свиней). Затем был построен пассивный приемник на основе ректенны небольшой площади, который может быть легко интегрирован либо во внешний приемник, либо в имплантируемый нейростимулятор, который, как было доказано, получает радиочастотный сигнал от имплантата в непосредственной близости (20 см) к нему. Небольшой размер датчика обеспечивает непрерывный мониторинг рН с минимальной обструкцией пищевода. Датчик может быть использован в обычной клинической практике для мониторинга рН пищевода в течение 24/96 ч без необходимости введения назального катетера. «Нулевая мощность» приемника также позволяет использовать датчик для автоматической калибровки in vivo миниатюрных устройств нейростимуляции нижнего пищеводного сфинктера. Активное сенсорное управление позволяет разрабатывать передовые алгоритмы для минимизации используемой энергии для достижения желаемого клинического результата. Одним из примеров такого алгоритма может быть замкнутая система нейростимуляционной терапии гастроэзофагеальной рефлюксной болезни (ГЭРБ) по требованию.

Introduction

Монреальский консенсус определяет гастроэзофагеальную рефлюксную болезнь (ГЭРБ) как «состояние, которое развивается, когда рефлюкс содержимого желудка вызывает неприятные симптомы и / или осложнения». Это может быть связано с другими специфическими осложнениями, такими как стриктуры пищевода, пищевод Барретта или аденокарцинома пищевода. ГЭРБ поражает примерно 20% взрослого населения, в основном в странах с высоким экономическим ^{статусом1}.

Амбулаторный мониторинг рН патологического рефлюкса (время воздействия кислоты более 6%) позволяет различать взаимосвязь между симптомами и кислым или некислым гастроэзофагеальным ....

Protocol

В этом исследовании не участвовали живые животные. Эксперимент проводился на модели ex vivo , состоящей из пищевода и желудка свиней. Желудок и пищевод были приобретены у местной мясной лавки в качестве стандартного продукта. Эта процедура соответствует чешскому законодательству, и мы предпочитаем ее из-за принципа «3R» (замена, сокращение и уточнение).

1. Изготовление датчика pH в сборе

ПРИМЕЧАНИЕ: Соблюдайте меры предосторожности при обращении с чувствительными к электростатическому разряду (ESD) компонентами на протяжении всего изготовления датчика pH в сборе. Будьте внимательны при работе с паяльником.....

Results

Устройство, способное к автономному измерению pH и беспроводной передаче значения pH, было успешно построено, как показано на рисунке 8. Сконструированное устройство представляет собой миниатюрную модель; он весит 1,2 г и имеет объем 0,6 ^см3. Приблизительные размеры составляют 18 мм x 8,5 мм x 4,5 мм. Как показано на Фиг.15, Фиг.16, и Фиг.17, он может быть имплантирован в бли.......

Discussion

Этот метод подходит для исследователей, которые работают над разработкой новых активных имплантируемых медицинских устройств. Это требует уровня мастерства в изготовлении электронных прототипов с компонентами поверхностного монтажа. Критические этапы в протоколе связаны с производством электроники, особенно с заполнением печатных плат, которые подвержены ошибкам оператора при размещении и пайке небольших компонентов. Затем правильная инкапсуляция имеет решающее значение для продления срока службы устройства при воздейств.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AG1 Аккумулятор	Panasonic	SR621SW	Два аккумулятора на один имплантат
Держатель аккумулятора	MYOUNG	MY-521-01
Медно-эмалированный провод для антенны	pro-POWER	QSE Провод - диаметр 0,15 мм, 38 SWG
Эпоксидная смола для герметизации	Loctite	EA M-31 CL	Двухкомпонентный медицинский кабель медицинского назначения ISO10993 соответствующий требованиям EPOXY
FEP для датчика	pHMolex / Temp-Flex	100057-0273
Очиститель флюса	Shesto	UTFLLU05	Приготовить 5% раствор в деионизированной воде для очистки методом ультразвука
Гемостатический зажим	Boston Scientific	Resolution
Термофен + паяльник	W.E.P.	Модель 706	Любой паяльник, способный к пайке с оловом, и термофен, способный выдерживать 260° градусов; C можно использовать
Программное обеспечение для согласования импеданса	Iowa Hills Software	Smith Chart	можно скачать с http://www.iowahills.com/9SmithChartPage.html - в качестве альтернативы любое программное обеспечение для проектирования радиочастот поддерживает расчет компонентов согласования импеданса
ISFET pH-датчик на печатной плате	WinSense	WIPS	Заказать модель, предварительно смонтированную на печатной плате с помощью встроенного золотого электрода сравнения
Лабораторный pH-метр	Hanna Instruments	HI2210-02	Используется с HI1131B стеклянным зондом
Программатор Microcontorller	Microchip	PICkit 3	Другие программаторы, совместимые с PIC16, также могут быть использованы
Желудок свиньи с пищеводом	Местная свиноферма	Получено от ок. 40– 50 кг свиньи	важно, чтобы желудок включал в себя пищевод по всей длине.
Печатная плата - ресивер	Выберите предпочтительного поставщика печатной платы	Согласно pcb2.zip данным	Один слой, толщина 0,8 мм, FR4, без
маски Печатная плата - датчик	Выберите предпочтительного поставщика печатной платы	Согласно pcb1.zip данным	Двухслойный с PTH, толщина 0,6 мм, FR4, 2x маска
Ресивер - 0R	Vishay	CRCW04020000Z0EDC	Смотрите Рисунок 12 и Рисунок 13 для размещения
Приемник - 1,5 пФ	Мурата	GRM0225C1C1R5CA03L	Смотрите Рисунок 12 и Рисунок 13 для размещения
Приемник - 100 пФ	Мурата	GRM0225C1E101JA02L	Смотрите Рисунок 12 и Рисунок 13 для размещения
Приемник - 33 нГ	Импульсная электроника	PE-0402CL330JTT	Смотрите Рисунок 12 и Рисунок 13 для размещения
Приемник - ВЧ диоды Шоттки	MACOM	MA4E2200B1-287T	Смотрите Рисунок 12 и Рисунок 13 для
размещение Приемник - SMA антенна	LPRS	ANT-433MS
Приемник - SMA разъем	Linx Technologies	CONSMA001	Смотрите Рисунок 12 и Рисунок 13 для размещения
Датчик - C1	Murata	GRM0225C1H8R0DA03L	8 пФ 0402
конденсатор Датчик - C2	Murata	GRM0225C1H8R0DA03L	8 пФ 0402
конденсатор Датчик - C3	Murata	GCM155R71H102KA37D	1 нФ 0402 конденсатор
Датчик - C4	Murata	GRM0225C1H1R8BA03L	1,8 пФ
Датчик - C5	Vishay	CRCW04020000Z0EDC	Место резистора 0R 0402 или использование для согласования антенны
Датчик - C6	Murata	GRM155C81C105KE11J	1 мкФ 0402
конденсатор Датчик - C7	Murata	GRM155C81C105KE11J	1 мкФ 0402 конденсатор
Датчик - C8	Murata	GRM022R61A104ME01L	100 нФ 0402 конденсатор
Датчик - IC1	Microchip	MICRF113YM6-TR	MICRF113 ВЧ передатчик
Датчик - IC2	Microchip	PIC16LF1704-I/ML	PIC16LF1704 маломощный микроконтроллер
Датчик - R1	Vishay	CRCW040210K0FKEDC	10 кОм 0402
резистор Датчик - R2	Vishay	CRCW040233K0FKEDC	Датчик резистора 33 кОм 0402
- R3	Vishay	CRCW04021K00FKEDC	1 кОм 0402 резистор
Датчик - R5	Vishay	CRCW040210K0FKEDC	10 кОм 0402
резистор Датчик - X1	ABRACON	ABM8W-13.4916MHZ-8-J2Z-T3	3.2 x 2.5 мм 13.4916 МГц 8 пФ кристалл
Титановая проволока	Sigma-Aldrich	GF36846434	0.125 мм титановая проволока
Векторный анализатор цепей	mini RADIO SOLUTIONS	miniVNA Tiny	Можно использовать другие векторные анализаторы цепей - требуемая рабочая частота 300– 500 МГц, разрешающая способность полосы не менее 1 МГц, выходная мощность не более 0 дБм и динамический диапазон предпочтительно не более 60 дБ для приемного входного каскада