Конструкция эндоскопически имплантируемого датчика с поддержкой беспроводной связи для мониторинга pH с приемником на основе диода Шоттки с нулевым смещением
27 августа 2021 г.
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.
Протокол показывает изготовление беспроводного имплантируемого датчика pH, который передает данные на полностью пассивный приемник, обеспечивая очень энергоэффективную доставку данных от одного имплантируемого устройства к другому. Датчик может быть изготовлен вручную и общедоступными методами. Далее способ передачи данных может быть непосредственно повторно использован при разработке различных имплантируемых устройств.
Очень важно тщательно проверять беспроводной датчик pH после каждого шага. Компоненты, используемые для его изготовления, очень малы, и может произойти короткое замыкание или неправильное размещение во время изготовления. Для начала поместите датчик pH ISFET, установленный на печатной плате, на плоской поверхности и припаяйте 15-миллиметровый участок фторированного этиленпропиленового кабеля к паяным электродам датчика pH без загрязнения красителя и печатной платы флюсом.
Смешайте не менее двух миллилитров двухкомпонентной эпоксидной смолы, чтобы инкапсулировать припаянные электроды, а затем используйте черную непрозрачную эпоксидную смолу для последующего контроля. Наблюдайте за легкой видимостью деталей датчиков, подвергающихся воздействию окружающей среды без непрозрачной эпоксидной смолы. Переложите смешанную эпоксидную смолу на один миллилитр шприц с 0,5-миллиметровой плоской иглой и покройте область пайки датчиков рН эпоксидной смолой, обеспечив покрытие всей площади электродов печатной платы и открытой проволоки.
Осмотрите область покрытия под микроскопом на наличие любых металлических деталей без покрытия. После повторения процесса нанесения покрытия из непокрытого металла обрежьте провода по длине и углу, затем покройте концы припоем, чтобы избежать износа. После размещения печатной платы с компонентами в положении стороной вверх нанесите паяльную пасту на все открытые позолоченные прокладки.
Далее поместите пассивные и активные компоненты с помощью пинцета. После пайки и охлаждения до комнатной температуры осмотрите печатную плату под микроскопом, чтобы убедиться в размещении компонентов и замыканий. Запрограммируйте прошивку на микроконтроллер и настройте программное обеспечение для программирования так, как описано в тексте.
Затем настройте программатор на питание устройства напряжением примерно 2,5 вольта. Затем отпаяйте пять проводов после программирования. Припаяйте два держателя батарей к противоположной части печатной платы.
Затем припаяйте датчик pH в сборе к клеммам печатной платы, затем вставьте две батареи AG1 в держатели батарей. После получения эпоксидной смолы инкапсулируйте устройство с эпоксидной смолой, как описано ранее. Дайте эпоксидной смоле отверждаться при комнатной температуре.
Прикрепите проволочный крючок к устройству каплей быстроотверждаемой эпоксидной смолы. После отверждения при комнатной температуре датчик pH может быть расположен на нижней левой стороне имплантируемого устройства. Припаяйте компоненты с помощью паяльного пистолета.
Чтобы снова изготовить ректенна-приемник или продолжить работу без согласования приемника, используйте значения компонентов, представленных здесь, и пропустите запись диаграммы S11 Smith на следующем шаге. В противном случае припаяйте разъем SMA к печатной плате. Подключите вход векторного анализатора цепей к разъему SMA.
Запишите диаграмму S11 Smith ректенны. Наблюдайте за реакцией и регистрируйте импеданс. Используйте программное обеспечение калькулятора согласования импеданса для определения значений соответствующих компонентов.
Припаяйте компоненты, соответствующие импедансу, и проверьте под микроскопом короткие замыкания и размещение компонентов. После измерения с помощью анализатора спектра еще раз подтвердите, что отношение напряжения стоячей волны составляет менее трех от 300 до 500 мегагерц. В противном случае повторите с различными совпадающими компонентами.
После активации устройства после 24 часов с момента установки батареи проверьте выход датчика, наблюдая за сигналом, отображаемым в осциллографе. Готовят 2% раствор соляной кислоты и 100 миллимолярный буферный раствор с рН четыре, рН семь и рН 10. Погрузите капсулу в каждый стакан и запишите не менее трех образцов.
Измерьте период между вторым и третьим импульсом. А после заполнения его в предоставленной электронной таблице определите калибровочные коэффициенты для датчика pH с помощью электронной таблицы. После подготовки ex vivo эндоскопической свиной модели желудка и длинного сегмента пищевода схватите датчик снаружи с помощью гемостатического зажима.
Вставьте эндоскоп с датчиком в зажим стандартным способом в модель. Поместив зажим с датчиком близко к нижнему пищеводному сфинктеру, поверните эндоскоп против стенки пищевода, откройте зажим и затем надавите на стенку пищевода. Закройте и отпустите клип.
Пока датчик остается прикрепленным к стенке пищевода в нужном месте, извлеките эндоскоп. Поместите приемник в пределах 10 сантиметров от имплантированного датчика. Вводят в пищевод 50 миллилитров растворов с различными значениями рН и наблюдают за изменениями реакции датчика.
Втягивайте эндоскоп после каждой инъекции и считывайте значение не ранее, чем через 30 секунд после инъекции и используйте электронную таблицу для расчета рН, измеренного датчиком. Промыть пищевод 100 миллилитрами деионизированной воды между инъекционными растворами с разным рН. Когда пассивный приемник ректенны был помещен в непосредственной близости от устройства измерения pH, наблюдались явные скачки напряжения при передаче устройства.
Первые два коротких импульса были импульсами синхронизации. Время между вторым и третьим импульсом линейно переводится в рН среды, которой подвергался датчик. На основе простой двухточечной калибровки с буферами pH four и pH 10 датчик возвращал стабильные и воспроизводимые показания значения pH.
Среднее и стандартное отклонение погрешностей составляли 0,25 и 0,30 при испытаниях в растворах и стаканах и составляли 0,31 и 0,36 в модели ex vivo. Эффект антенны мобильного телефона с активным GSM-вызовом оказал лишь незначительное негативное влияние на получение данных от датчика, как показано на расстоянии 20 сантиметров, 10 сантиметров и пяти сантиметров между краем телефона и приемником. Инкапсуляция датчика должна быть выполнена и проверена должным образом, чтобы продлить срок службы устройства при имплантации.
Далее решающее значение имеет правильное размещение гемостатического зажима. Это исследование прокладывает путь для развития беспроводных сетей имплантируемых устройств, создавая энергоэффективный способ передачи данных, особенно с точки зрения приемника.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
Эта статья представляет протокол изготовления беспроводного имплантабельного pH-датчика, передающего данные на полностью пассивный приемник. Датчик разработан для энергоэффективной передачи данных и может быть изготовлен с использованием обычно доступных технологий.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейронаука
- Биомедицинская инженерия
- Технология беспроводных датчиков
Предисловие
- Разработка имплантабельных устройств для мониторинга здоровья критически важна.
- Беспроводная связь в биомедицинских устройствах повышает их функциональность.
- Энергоэффективность важна для долгосрочного использования имплантабельных датчиков.
- Точный мониторинг pH может помочь в различных терапевтических применениях.
Цель исследования
- Изготовить миниатюрный имплантабельный pH-датчик.
- Обеспечить эффективную беспроводную передачу данных.
- Создать основу для будущих устройств электростимулированной терапии.
Использованные методы
- Изготовление pH-датчика с использованием технологии ISFET.
- Сборка компонентов на ПЦБ.
- Техники пайки для обеспечения правильных соединений.
- Инспекция датчика после каждого этапа изготовления.
Основные результаты
- Датчик успешно передает данные беспроводно.
- Энергоэффективность была достигнута благодаря использованию пассивного приемника.
- Методы изготовления были проверены на надежность.
- Дизайн может быть адаптирован для различных имплантабельных устройств.
Выводы
- Миниатюрный pH-датчик представляет собой значительный прогресс в имплантабельной технологии.
- Будущие применения могут включать in vivo калиброванную электростимулированную терапию.
- Продолжение разработки таких устройств может улучшить амбулаторный мониторинг здоровья.
Часто задаваемые вопросы
Executive Industry Relevance
This wireless implantable pH sensor enables continuous, minimally invasive monitoring of esophageal pH for gastroesophageal reflux disease (GERD) research and therapeutic development. By eliminating nasal catheters and leveraging a zero-bias Schottky diode-based passive receiver, the system supports long-term ambulatory studies with reduced patient burden. The technology provides a foundation for closed-loop neurostimulation therapies, offering predictive value in target validation and mechanistic de-risking for GI motility and reflux pathophysiology.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of acid exposure dynamics in pathophysiological reflux models to validate therapeutic targets.
- Operational Value: Supports hypothesis testing via quantitative pH readouts that correlate with symptom onset and reflux episodes.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates reproducible, real-time pH measurements for assay standardization in ex vivo and in vivo models.
- Operational Value: Facilitates high-fidelity data transmission to external receivers, enabling scalable screening of compounds affecting gastric acid secretion or LES tone.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Bridges discovery to preclinical validation through continuous pH monitoring in porcine ex vivo models, supporting translational biomarker alignment.
- Operational Value: Allows assessment of device performance under physiological conditions, informing risk-adjusted advancement decisions for implantable therapies.
Pipeline & Workflow Integration
The sensor integrates into the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical evaluation, particularly for GERD-modulating compounds and neurostimulation therapies.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by quantifying pH fluctuations in disease-relevant systems, clarifying pathway involvement in reflux pathogenesis.
- Screening: Enables assay readiness via stable, repeatable signal output calibrated against pH 4 and 10 buffers, ensuring reliable compound evaluation.
- Analytics: Provides quantitative dependent variable measurements (pulse interval) that translate linearly to environmental pH, enabling statistical comparison across conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity through ex vivo validation in porcine esophagus and stomach, supporting extrapolation to in vivo studies.
- Enterprise Reuse: The passive rectenna receiver design is reusable across implantable platforms, reducing redevelopment effort for future wireless sensor networks.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Delivers predictive confidence in target engagement by linking pH changes to pharmacological or neuromodulatory interventions.
- Operational Value: Ensures reproducibility through encapsulation protocols and inspection checkpoints that minimize failure modes during implantation.
- Strategic Value: Reduces late-stage biological risk by enabling early assessment of therapeutic effects on acid exposure in physiologically relevant models.
- Portfolio Impact: Informs go/no-go decisions via objective, longitudinal pH data that reflect disease modification rather than transient effects.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfabrication, soldering of miniature components, and epoxy encapsulation techniques.
- Dependent on PCB assembly tools, spectrum analyzers, and oscilloscopes for signal validation and impedance matching.
- Necessitates cross-team standardization between bioengineering, electronics, and animal surgery teams for consistent device performance.
- Must account for variability in ex vivo tissue models when extrapolating to in vivo conditions.
- Limited by battery life of primary alkaline cells, constraining deployment duration despite passive receiver efficiency.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Introduction
0:57
pH Sensor Assembly Fabrication
2:10
Electronic Assembly Fabrication
3:32
Passive Rectenna Receiver Fabrication
4:36
Device Testing
5:16
Endoscopic Sensor Implantation
5:59
Post-implantation Experiment
6:35
Results: Endoscopically Implantable pH Monitoring Sensor
7:42
Conclusion
