Name: construction of a wireless-enabled endoscopically implantable sensor for ph monitoring with zero-bias schottky diode-based receiver
Uploaded: 2021-08-27T13:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Construction of a Wireless-Enabled Endoscopically Implantable Sensor for pH Monitoring with Zero-Bias Schottky Diode-based Receiver at JoVE.com

Forfatterne anerkender taknemmeligt Charles University (projekt GA UK No 176119) for at støtte denne undersøgelse. Dette arbejde blev støttet af Charles University forskningsprogram PROGRES Q 28 (Oncology).

Ingen levende dyr var involveret i denne undersøgelse. Eksperimentet blev udført på en ex vivo model bestående af et svin spiserøret og maven. Maven og spiserøret blev købt fra et lokalt slagteri som deres standardprodukt. Denne procedure er i overensstemmelse med tjekkisk lovgivning, og vi foretrækker det på grund af "3R"-princippet (udskiftning, reduktion og raffinement).
1. Fabrikation af pH-sensorsamlingen
BEMÆRK: Vær opmærksom på forholdsreg...

<ol>
	<li>El-Serag, H. B., Sweet, S., Winchester, C. C., Dent, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Update+on+the+epidemiology+of+gastro-oesophageal+reflux+disease:+a+systematic+review.">Update on the epidemiology of gastro-oesophageal reflux disease: a systematic review.</a> Gut. 63 (6), 871-880 (2014).</li><li>Gyawali, C. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modern+diagnosis+of+GERD:+the+Lyon+Consensus.">Modern diagnosis of GERD: the Lyon Consensus.</a> Gut. 67 (7), 1351-1362 (2018).</li><li>Cesario, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Diagnosis+of+GERD+in+typical+and+atypical+manifestations.">Diagnosis of GERD in typical and atypical manifestations.</a> Acta Biomedica. 89 (5), 33-39 (2018).</li><li>Sifrim, D., Gyawali, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Prolonged+wireless+pH+monitoring+or+24-hour+catheter-based+pH+impedance+monitoring:+Who,+When,+and+Why.">Prolonged wireless pH monitoring or 24-hour catheter-based pH impedance monitoring: Who, When, and Why.</a> American Journal of Gastroenterology. 115 (8), 1150-1152 (2020).</li><li>Chae, S., Richter, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wireless+24,+48,+and+96+Hour+or+impedance+or+oropharyngeal+prolonged+pH+monitoring:+Which+test,+when,+and+why+for+GERD.">Wireless 24, 48, and 96 Hour or impedance or oropharyngeal prolonged pH monitoring: Which test, when, and why for GERD.</a> Current Gastroenterology Reports. 20 (11), 52 (2018).</li><li>Furness, J. B., Callaghan, B. P., Rivera, L. R., Cho, H. -. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+enteric+nervous+system+and+gastrointestinal+innervation:+integrated+local+and+central+control.">The enteric nervous system and gastrointestinal innervation: integrated local and central control.</a> Adv Exp Med Biol. 817, 39-71 (2014).</li><li>Sanmiguel, C. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+electrical+stimulation+of+the+LES+on+LES+pressure+in+a+canine+model.">Effect of electrical stimulation of the LES on LES pressure in a canine model.</a> American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver Physiology. 295 (2), 389-394 (2008).</li><li>Rodr&#237;guez, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrical+stimulation+therapy+of+the+lower+esophageal+sphincter+is+successful+in+treating+GERD:+final+results+of+open-label+prospective+trial.">Electrical stimulation therapy of the lower esophageal sphincter is successful in treating GERD: final results of open-label prospective trial.</a> Surgical Endoscopy. 27 (4), 1083-1092 (2013).</li><li>Rinsma, N. F., Bouvy, N. D., Masclee, A. A. M., Conchillo, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrical+stimulation+therapy+for+gastroesophageal+reflux+disease.">Electrical stimulation therapy for gastroesophageal reflux disease.</a> Journal of Neurogastroenterology and Motility. 20 (3), 287-293 (2014).</li><li>Rodr&#237;guez, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two-year+results+of+intermittent+electrical+stimulation+of+the+lower+esophageal+sphincter+treatment+of+gastroesophageal+reflux+disease.">Two-year results of intermittent electrical stimulation of the lower esophageal sphincter treatment of gastroesophageal reflux disease.</a> Surgery. 157 (3), 556-567 (2015).</li><li>Kwiatek, M. A., Pandolfino, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+BravoTM+pH+capsule+system.">The BravoTM pH capsule system.</a> Digestive and Liver Disease. 40 (3), 156-160 (2008).</li><li>Karamanolis, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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.</a> Journal of Neurogastroenterology and Motility. 18 (2), 169-173 (2012).</li><li>Rodr&#237;guez, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two-year+results+of+intermittent+electrical+stimulation+of+the+lower+esophageal+sphincter+treatment+of+gastroesophageal+reflux+disease.">Two-year results of intermittent electrical stimulation of the lower esophageal sphincter treatment of gastroesophageal reflux disease.</a> Surgery (United States). 157 (3), 556-567 (2015).</li><li>Hajer, J., Nov&#225;k, M., Rosina, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wirelessly+powered+endoscopically+implantable+devices+into+the+submucosa+as+the+possible+treatment+of+gastroesophageal+reflux+disease.">Wirelessly powered endoscopically implantable devices into the submucosa as the possible treatment of gastroesophageal reflux disease.</a> Gastroenterology Research and Practice. 2019, 1-7 (2019).</li><li>Deb, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+innovative+techniques+for+the+endoscopic+implantation+and+securing+of+a+novel,+wireless,+miniature+gastrostimulator+(with+videos).">Development of innovative techniques for the endoscopic implantation and securing of a novel, wireless, miniature gastrostimulator (with videos).</a> Gastrointestinal Endoscopy. 76 (1), 179-184 (2012).</li><li>Shin, P., Mikolajick, T., Ryssel, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=pH+Sensing+Properties+of+ISFETs+with+LPCVD+Silicon+Nitride+Sensitive-Gate.">pH Sensing Properties of ISFETs with LPCVD Silicon Nitride Sensitive-Gate.</a> The Journal of Electrical Engineering and Information Science. 2, 82-87 (1997).</li><li>Benhamou, P. -. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Closed-loop+insulin+delivery+in+adults+with+type+1+diabetes+in+real-life+conditions:+a+12-week+multicentre,+open-label+randomised+controlled+crossover+trial.">Closed-loop insulin delivery in adults with type 1 diabetes in real-life conditions: a 12-week multicentre, open-label randomised controlled crossover trial.</a> The Lancet Digital Health. 1 (1), 17-25 (2019).</li><li>Nikolic, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tailored+modern+GERD+therapy+-+steps+towards+the+development+of+an+aid+to+guide+personalized+anti-reflux+surgery.">Tailored modern GERD therapy - steps towards the development of an aid to guide personalized anti-reflux surgery.</a> Scientific Reports. 9 (1), 19174 (2019).</li><li>Hajer, J., Nov&#225;k, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Autonomous+and+rechargeable+microneurostimulator+endoscopically+implantable+into+the+submucosa.">Autonomous and rechargeable microneurostimulator endoscopically implantable into the submucosa.</a> Journal of Visualized Experiments: JoVE. (139), e57268 (2018).</li><li>Pavelka, M., Roth, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Parietal+Cells+Of+Stomach:+Secretion+Of+Acid.">Parietal Cells Of Stomach: Secretion Of Acid.</a> Functional Ultrastructure. , 202-203 (2010).</li><li>Jones, R. D., Neuman, M. R., Sanders, G., Cross, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Miniature+antimony+pH+electrodes+for+measuring+gastroesophageal+reflux.">Miniature antimony pH electrodes for measuring gastroesophageal reflux.</a> The Annals of Thoracic Surgery. 33 (5), 491-495 (1982).</li><li>Waugh, R. W., Buted, R. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+zero+bias+schottky+diode+detector+at+temperature+extremes-problems+and+solutions.">The zero bias schottky diode detector at temperature extremes-problems and solutions.</a> Proceedings of the WIRELESS Symposium. , 175-183 (1996).</li><li>Soffer, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+electrical+stimulation+of+the+lower+esophageal+sphincter+in+gastroesophageal+reflux+disease+patients+refractory+to+proton+pump+inhibitors.">Effect of electrical stimulation of the lower esophageal sphincter in gastroesophageal reflux disease patients refractory to proton pump inhibitors.</a> World Journal of Gastrointestinal Pharmacology and Therapeutics. 7 (1), 145 (2016).</li><li>. Microsemi ZL70323 MICS-band RF miniaturized standard implant module (MiniSIM) Available from: <a target="_blank" href="https://www.microsemi.com/document-portal/doc_download/135307-zl70323-datasheet">https://www.microsemi.com/document-portal/doc_download/135307-zl70323-datasheet</a> (2015)</li></ol>

Denne metode er velegnet til forskere, der arbejder på udvikling af nye aktive implantable medicinsk udstyr. Det kræver et niveau af færdigheder i fremstillingen af elektroniske prototyper med overflademonteringskomponenter. De kritiske trin i protokollen er relateret til fremstilling af elektronikken, især befolker PCB' erne, som er tilbøjelige til operatørfejl i placering og lodning af små komponenter. Derefter er korrekt indkapsling afgørende for at forlænge enhedens levetid, når den udsættes for fugt og v?...

Montreal Consensus definerer gastroøsofageal reflukssygdom (GERD) som "en tilstand, der udvikler sig, når refluks indholdet af maven forårsager ubehagelige symptomer og / eller komplikationer". Det kan være forbundet med andre specifikke komplikationer såsom spiserøret strikturer, Barrett's spiserøret, eller spiserøret adenocarcinom. GERD påvirker ca. 20% af den voksne befolkning, hovedsagelig i lande med høj økonomisk status1.
Ambulant pH-overvågning af patologisk refluks (syreeksponeringstid på mere end 6%) giver os mulighed for at skelne forholdet mellem symptomer og sure eller ikke-sure gastroøsofageal refluks2,3. Hos patienter, der ikke reagerer på PPI -behandling (protonpumpehæmmer), kan pH-overvågning svare på, om det er patologisk gastroøsofageal refluks, og hvorfor patienten ikke reagerer på standard PPI-behandling. Der tilbydes i øjeblikket forskellige pH- og impedansovervågningsmuligheder. En af de nyere muligheder er trådløs overvågning ved hjælp af implantable enheder4,5.
GERD er forbundet med lavere esophageal sphincter (LES) lidelse, hvor sammentrækninger vist under spiserøret manometri er ikke patologiske, men har en reduceret amplitud i lang sigt GERD. LES består af glatte muskler og opretholder toniske sammentrækninger på grund af myogene og neurogene faktorer. Det slapper af på grund af vagal-medieret hæmning involverer nitrogenoxid som en neurotransmitter6.
Elektrisk stimulation med to par elektroder viste sig at øge sammentrækningstiden for LES i en hunde refluks model7. Lempelse af LES, herunder resttrykket under indtagelsen, blev ikke påvirket af både lav- og højfrekvent stimulering. Højfrekvent stimulering er et oplagt valg, fordi det kræver mindre strøm og forlænger batteriets levetid.
Selv om elektrostimulationsbehandling (ET) af den nedre esophageal sphincter er et relativt nyt begreb i behandlingen af patienter med GERD, viste denne behandling sig at være sikker og effektiv. Denne form for behandling har vist sig at give betydelig og varig lindring fra symptomerne på GERD samtidig fjerne behovet for PPI behandling og reducere esophageal syre eksponering8,9,10.
Den nuværende avancerede pH-sensor til diagnostik af GERD er Bravo-enheden11,12. Ved en anslået volumen på 1,7 cm3 kan den implanteres direkte i spiserøret med eller uden visuel endoskopisk feedback og giver 24 timers+ overvågning af pH i spiserøret.
I betragtning af at elektrostimulation terapi er en af de mest lovende alternativer til behandling af GERD ikke reagerer på standard terapi8,13, det giver mening at give data fra pH-sensor til neurostimulator. Den seneste forskning viser en klar vej til fremtidig udvikling på dette område, som vil føre til stive alt-i-en implantable enheder, som vil opholde sig på stedet for neurostimulation14,15. Til dette formål er ISFET (ionfølsom felteffekttransistor) en af de bedste typer sensorer på grund af dens miniaturekarakter, muligheden for on-chip integration af en referenceelektrode (guld i dette tilfælde) og tilstrækkelig høj følsomhed. På silicium ligner ISFET strukturen af en standard MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Porten, der normalt er tilsluttet en elektrisk terminal, erstattes dog af et lag aktivt materiale i direkte kontakt med det omgivende miljø. For pH-følsomme ISFET'er dannes dette lag af siliciumnitrid (Si3N4)16.
Den største ulempe ved endoskopisk implantable enheder er den iboende begrænsning af batteriets størrelse, hvilket kan føre til en reduceret levetid for disse enheder eller motivere producenterne til at udvikle avancerede algoritmer, der vil levere den krævede effekt til en lavere energiomkostning. Et af eksemplerne på en sådan algoritme ville være et lukket kredsløb system til on-demand neurostimulation terapi af GERD. Svarende til kontinuerlige glukosemålere (CGM) + insulinpumpesystemer17, ville et sådant system anvende en esophageal pH-sensor eller en anden sensor til at registrere det nuværende tryk på den nedre esophageal sphincter sammen med en neurostimulationsenhed.
Reaktionen på neurostimulationsterapien og kravene til neurostimulationsmønstre kan være individuelle13. Det er således vigtigt at udvikle uafhængige sensorer, der kan bruges enten til diagnose og karakterisering af dysfunktionen eller til aktivt at deltage i kalibrering af neurostimulationssystemet i henhold til patienternes individuelle krav18. Disse sensorer skal være så små som muligt for ikke at påvirke orgelets normale funktionalitet.
Dette manuskript beskriver en metode til design og fremstilling af en ISFET-baseret pH-sensor med AMPLITUDE-shift keying (ASK) sender og en lille passiv retennabaseret modtager. Baseret på løsningens enkle arkitektur kan pH-dataene modtages af en ekstern modtager eller endda den implantable neurostimulator uden nogen væsentlig volumen eller effektstraf. ASK-gradueringen vælges på grund af arten af den passive modtager, som kun er i stand til at detektere modtaget RF-signalkraft (ofte kaldet "modtaget signalstyrke"). Det skematiske diagram, der er integreret som supplerende materiale, viser enhedens konstruktion. Det er drevet direkte fra to AG1 alkaliske batterier, som giver en spænding mellem 2,0-3,0 V (baseret på opladningstilstand). Batterierne driver den interne mikrocontroller, som udnytter sin ADC (analog-til-digital konverter), DAC (digital-til-analog konverter), intern driftsforstærker og FVR (fastspændingsreference) perifere enheder til at skævvride ISFET pH-sensoren. Den resulterende "gate" spænding (guld reference elektroden) er proportional med pH i det omgivende miljø. En stabil id-strøm leveres af en R2-sensingmodstand på lavsiden. Kilden til ISFET-sensoren er tilsluttet den ikke-inverterende indgang af driftsforstærkeren, mens inverterindgangen er tilsluttet udgangsspændingen på DAC-modulet, der er indstillet til 960 mV. Udgangen af den operationelle forstærker er forbundet til afløbsstiften på ISFET. Denne operationelle forstærker regulerer afløbsspændingen, så spændingsforskellen på R2-modstanden altid er 960 mV; således strømmer en konstant biasstrøm på 29 μA gennem ISFET (når den er i normal drift). Portspændingen måles derefter med en ADC. Mikrocontrolleren driver derefter på RF-senderen via en af GPIO-stifterne (generelt input/output) og overfører sekvensen. RF-senderkredsløbet involverer et krystal- og matchende netværk, der matcher outputtet til 50 Ω impedans.
Til de eksperimenter, der blev demonstreret her, brugte vi en svine mave med en lang del af spiserøret monteret i en standardiseret plastmodel. Dette er en almindeligt anvendt model til at praktisere endoskopiske teknikker som ESD (endoskopisk submukosal dissektion), POEM (oral endoskopisk myotomi), endoskopisk slimhinde resektion (EMR), hæmostasis osv. Med hensyn til de nærmeste mulige anatomiske parametre, der nærmer sig menneskelige organer, brugte vi maven og spiserøret hos grise, der vejer 40-50 kg.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>AG1 battery</td>
			<td>Panasonic</td>
			<td>SR621SW</td>
			<td>Two batteries per one implant</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Battery holder</td>
			<td>MYOUNG</td>
			<td>MY-521-01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Copper enamel wire for the antenna</td>
			<td>pro-POWER</td>
			<td>QSE Wire - 0.15 mm diameter, 38 SWG</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Epoxy for encapsulation</td>
			<td>Loctite</td>
			<td>EA M-31 CL</td>
			<td>Two-part medical-grade ISO10993 compliant epoxy</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FEP cable for pH sensor</td>
			<td>Molex / Temp-Flex</td>
			<td>100057-0273</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flux cleaner</td>
			<td>Shesto</td>
			<td>UTFLLU05</td>
			<td>Prepare 5% solution in deionized water for cleaning by sonication</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hemostatic clip</td>
			<td>Boston Scientific</td>
			<td>Resolution</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hot air gun + soldering iron</td>
			<td>W.E.P.</td>
			<td>Model 706</td>
			<td>Any soldering iron capable of soldering with tin and hot-air gun capable of maintaining 260 &#176;C can be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Impedance matching software</td>
			<td>Iowa Hills Software</td>
			<td>Smith Chart</td>
			<td>Can be downloaded from http://www.iowahills.com/9SmithChartPage.html - alternatively, any RF design software supports calculation of impedance matching components</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ISFET pH sensor on a PCB</td>
			<td>WinSense</td>
			<td>WIPS</td>
			<td>Order a model pre-mounted on a PCB with on-chip gold reference electrode</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laboratory pH meter</td>
			<td>Hanna Instruments</td>
			<td>HI2210-02</td>
			<td>Used with HI1131B glass probe</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microcontorller programmer</td>
			<td>Microchip</td>
			<td>PICkit 3</td>
			<td>Other PIC16 compatible programmers can be also used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pig stomach with esophagus</td>
			<td>Local pig farm</td>
			<td>Obtained from approx. 40&#8211;50 kg pig</td>
			<td>It is important that the stomach includes a full length of the esophagus.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Printed circuit board - receiver</td>
			<td>Choose preferred PCB supplier</td>
			<td>According to pcb2.zip data</td>
			<td>One layer, 0.8 mm thickness, FR4, no mask</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Printed circuit board - sensor</td>
			<td>Choose preferred PCB supplier</td>
			<td>According to pcb1.zip data</td>
			<td>Two-layer with PTH, 0.6 mm thickness, FR4, 2x mask</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Receiver - 0R</td>
			<td>Vishay</td>
			<td>CRCW04020000Z0EDC</td>
			<td>See Figure 12 and Figure 13 for placement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Receiver - 1.5 pF</td>
			<td>Murata</td>
			<td>GRM0225C1C1R5CA03L</td>
			<td>See Figure 12 and Figure 13 for placement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Receiver - 100 pF</td>
			<td>Murata</td>
			<td>GRM0225C1E101JA02L</td>
			<td>See Figure 12 and Figure 13 for placement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Receiver - 33 nH</td>
			<td>Pulse Electronics</td>
			<td>PE-0402CL330JTT</td>
			<td>See Figure 12 and Figure13 for placement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Receiver - RF schottky diodes</td>
			<td>MACOM</td>
			<td>MA4E2200B1-287T</td>
			<td>See Figure 12 and Figure 13 for placement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Receiver - SMA antenna</td>
			<td>LPRS</td>
			<td>ANT-433MS</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Receiver - SMA connector</td>
			<td>Linx Technologies</td>
			<td>CONSMA001</td>
			<td>See Figure 12 and Figure 13 for placement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - C1</td>
			<td>Murata</td>
			<td>GRM0225C1H8R0DA03L</td>
			<td>8 pF 0402 capacitor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - C2</td>
			<td>Murata</td>
			<td>GRM0225C1H8R0DA03L</td>
			<td>8 pF 0402 capacitor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - C3</td>
			<td>Murata</td>
			<td>GCM155R71H102KA37D</td>
			<td>1 nF 0402 capacitor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - C4</td>
			<td>Murata</td>
			<td>GRM0225C1H1R8BA03L</td>
			<td>1.8 pF</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - C5</td>
			<td>Vishay</td>
			<td>CRCW04020000Z0EDC</td>
			<td>Place 0R 0402 resistor or use to match the antenna</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - C6</td>
			<td>Murata</td>
			<td>GRM155C81C105KE11J</td>
			<td>1 uF 0402 capacitor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - C7</td>
			<td>Murata</td>
			<td>GRM155C81C105KE11J</td>
			<td>1 uF 0402 capacitor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - C8</td>
			<td>Murata</td>
			<td>GRM022R61A104ME01L</td>
			<td>100 nF 0402 capacitor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - IC1</td>
			<td>Microchip</td>
			<td>MICRF113YM6-TR</td>
			<td>MICRF113 RF transmitter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - IC2</td>
			<td>Microchip</td>
			<td>PIC16LF1704-I/ML</td>
			<td>PIC16LF1704 low-power microcontroller</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - R1</td>
			<td>Vishay</td>
			<td>CRCW040210K0FKEDC</td>
			<td>10 kOhm 0402 resistor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - R2</td>
			<td>Vishay</td>
			<td>CRCW040233K0FKEDC</td>
			<td>33 kOhm 0402 resistor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - R3</td>
			<td>Vishay</td>
			<td>CRCW04021K00FKEDC</td>
			<td>1 kOhm 0402 resistor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - R5</td>
			<td>Vishay</td>
			<td>CRCW040210K0FKEDC</td>
			<td>10 kOhm 0402 resistor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - X1</td>
			<td>ABRACON</td>
			<td>ABM8W-13.4916MHZ-8-J2Z-T3</td>
			<td>3.2 x 2.5 mm 13.4916 MHz 8 pF crystal</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Titanium wire</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>GF36846434</td>
			<td>0.125 mm titanium wire</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vector network analyzer</td>
			<td>mini RADIO SOLUTIONS</td>
			<td>miniVNA Tiny</td>
			<td>Other vector network analyzers can be used - the required operation frequency is 300&#8211;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</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

construction of a wireless-enabled endoscopically implantable sensor for ph monitoring with zero-bias schottky diode-based receiver

Ambulant pH-overvågning af patologisk refluks er en mulighed for at observere forholdet mellem symptomer og eksponering af spiserøret for sur eller ikke-sur refluks. Dette papir beskriver en metode til udvikling, fremstilling og implantation af en miniature trådløs-aktiveret pH-sensor. Sensoren er designet til at blive implanteret endoskopisk med en enkelt hæmostatisk klip. En fuldt passiv retenna-baseret modtager baseret på en nul-bias Schottky diode er også konstrueret og testet. For at konstruere enheden blev der brugt et tolags printkort og hyldekomponenter. En miniature mikrocontroller med integrerede analoge eksterne enheder bruges som en analog frontend til den ionfølsomme felteffekttransistorsensor (ISFET) og til at generere et digitalt signal, der transmitteres med en amplitude shift nøgleringstransmitterchip. Enheden drives af to primære alkaliske celler. Den implantable enhed har et samlet volumen på 0,6 cm3 og en vægt på 1,2 gram, og dens ydeevne blev verificeret i en ex vivo-model (porcine spiserøret og maven). Dernæst blev en lille passiv retennabaseret modtager, som let kan integreres enten i en ekstern modtager eller den implantable neurostimulator, konstrueret og vist sig at modtage RF-signalet fra implantatet, når det er i nærheden (20 cm) til det. Sensorens lille størrelse giver kontinuerlig pH-overvågning med minimal obstruktion af spiserøret. Sensoren kan anvendes i rutinemæssig klinisk praksis i 24/96 h esophageal pH-overvågning uden at skulle indsætte et næsekateter. Modtagerens "zero-power" karakter gør det også muligt at bruge sensoren til automatisk in-vivo kalibrering af miniature lavere esophageal sphincter neurostimulationsenheder. En aktiv sensorbaseret styring gør det muligt at udvikle avancerede algoritmer for at minimere den brugte energi for at opnå et ønskeligt klinisk resultat. Et af eksemplerne på en sådan algoritme ville være et lukket kredsløb system til on-demand neurostimulation terapi af gastroøsofageal refluks sygdom (GERD).

En enhed, der er i stand til autonom pH-sensing og trådløs transmission af pH-værdien, blev konstrueret med succes, som vist i figur 8. Den konstruerede enhed er en miniaturemodel; den vejer 1,2 g og har et volumen på 0,6 cm3. De omtrentlige dimensioner er 18 mm x 8,5 mm x 4,5 mm. Som vist i figur 15, figur 16 og figur 17 kan den implanteres i nærheden af den nedre esoph...

Watch this Scientific Journal Video about Construction of a Wireless-Enabled Endoscopically Implantable Sensor for pH Monitoring with Zero-Bias Schottky Diode-based Receiver at JoVE.com

Construction of a Wireless-Enabled Endoscopically Implantable Sensor for pH Monitoring with Zero-Bias Schottky Diode-based Receiver

Manuskriptet præsenterer en miniature implanterbar pH-sensor med ASK moduleret trådløs udgang sammen med et fuldt passivt modtagerkredsløb baseret på nul-bias Schottky dioder. Denne løsning kan bruges som grundlag i udviklingen af in vivo kalibrerede elektrostimulationsterapianordninger og til ambulant pH-overvågning.

Konstruktion af en trådløs-aktiveret endoskopisk implanterbar sensor til pH-overvågning med Zero-Bias Schottky Diode-baseret modtager

Ambulatory pH monitoring of pathological reflux is an opportunity to observe the relationship between symptoms and exposure of the esophagus to acidic or ...

Protokollen viser fremstillingen af trådløs implantabel pH-sensor, der overfører data til en fuldt passiv modtager, hvilket muliggør meget strømeffektiv levering af data fra en implantabel enhed til en anden. Sensoren kan fremstilles i hånden og ved almindeligt tilgængelige teknikker. Dernæst kan metoden til dataoverførsel genbruges direkte i udviklingen af forskellige implantable enheder.Det er vigtigt at grundigt inspicere den trådløse pH-sensor efter hvert trin. De komponenter, der anvendes til fremstilling er meget små og korte kredsløb eller malplacering under fremstillingen kan forekomme. Til at begynde med skal du placere ISFET pH-sensoren monteret på en PCB på en flad overflade og lodde en 15 millimeter del af fluoreret ethylen propylenbelagt kabel til pH-sensorens lodbare elektroder uden at forurene farvestof og PCB med flux.Bland mindst to milliliter af todelt epoxy for at indkapsle de loddede elektroder og derefter bruge sort uigennemsigtig epoxy til senere inspektion. Overhold den nemme synlighed af sensordele, der udsættes for miljøet uden uigennemsigtig epoxy. Overfør den blandede epoxy til en 1 milliliter sprøjte med en 0,5 millimeter flad ende nål og belægge lodning område af pH-sensorer med epoxy, sikre belægning af hele området af PCB elektroder og den udsatte ledning.Undersøg det coatede område under et mikroskop for eventuelle ubestrøgede eksponerede metaldele. Efter at have gentaget belægningsprocessen af ubestrøget metal, trim ledningerne til længde og vinkel, og bekæl derefter enderne med lodde for at undgå flossning. Efter placering PCB med komponenter i en side op position, anvende loddepasta til alle de udsatte forgyldte puder.Placer derefter passive og aktive komponenter ved hjælp af pincet. Efter lodning og afkøling til stuetemperatur skal pcb'en inspiceres under mikroskopet for at kontrollere placeringen af komponenterne og shortsene. Programmer firmware til mikrocontrolleren, og konfigurer programmeringssoftwaren som beskrevet i teksten.Indstil derefter programmøren til at drive enheden med en spænding på ca. 2,5 volt. Derefter de-lodde de fem ledninger efter programmering. Lodde to batteriholdere til den modsatte del af printet.Derefter loddes pH-sensorsamlingen til PCB'ens terminaler, og sæt derefter to AG1-batterier i batteriholderne. Når du har forberedt epoxy, indkapsles enheden med epoxyen som tidligere beskrevet. Lad epoxyen helbrede ved stuetemperatur.Fastgør wirekrogen til enheden med en dråbe hurtig hærdning epoxy. Efter hærdning ved stuetemperatur kan pH-sensoren placeres nederst til venstre på den implantable enhed. Lodde komponenterne ved hjælp af loddepistolen.Hvis du vil fremstille retentennamodtageren igen eller fortsætte uden at matche modtageren, skal du bruge værdierne for de komponenter, der leveres her, og springe optagelsen af S11 Smith-diagrammet over i næste trin. Ellers lodde SMA-stikket til printet. Vedhæft et input til vektornetværksanalyse til SMA-stikket.Optag S11 Smith-diagrammet over retennaen. Overhold svaret og registrere impedansen. Brug en impedans matchende lommeregner software til at bestemme værdierne af matchende komponenter.Lodde impedans matchende komponenter og inspicere under et mikroskop for kortslutninger og komponent placering. Efter at have målt med spektrumanalysator igen, skal du bekræfte, at spændingsstillingsbølgeforholdet er under tre mellem 300 og 500 megahertz. Ellers skal du gentage med forskellige matchende komponenter.Når enheden er aktiveret efter 24 timer efter batteriets indsættelse, skal sensorens udgang inspiceres ved at observere det signal, der vises i oscilloskopet. Tilbered 2%saltsyreopløsning og 100 millimolar bufferopløsning af pH fire, pH syv og pH 10. Dyk kapslen ned i hvert bægerglas og registrer mindst tre prøver.Mål perioden mellem den anden og tredje puls. Og når du har udfyldt det i det medfølgende regneark, skal du bestemme kalibreringskoefficienterne for pH-sensoren ved hjælp af regnearket. Efter at have forberedt en ex vivo endoskopisk svin model af maven og et langt segment af spiserøret, skal du gribe sensoren eksternt med en hæmostatisk klip.Sæt endoskopet med sensoren i klippet på standardvejen ind i modellen. Når klippet er placeret med sensoren tæt på den nederste esophageal sphincter, skal du dreje endoskopet mod spiserørets væg, åbne klippet og derefter skubbe mod esophagealvæggen. Luk og slip klippet.Mens sensoren forbliver fastgjort til esophageal væggen på det ønskede sted, udtrække endoskopet. Placer modtageren inden for 10 centimeter fra den implanterede sensor. Indsprøjt 50 milliliter af opløsningerne med forskellige pH-værdier i spiserøret, og overhold ændringerne i sensorens respons.Træk endoskopet tilbage efter hver injektion, og læs værdien senest 30 sekunder efter injektionen, og brug regnearket til at beregne pH-værdien målt af sensoren. Spiserøret vaskes med 100 milliliter deioniseret vand mellem injektionsløsninger med forskellig pH-fejl. Da den passive retennamodtager blev sat i nærheden af pH-sensinganordningen, blev der observeret klare spændingsspidser, da enheden transmitterede.De to første korte pulser var synkroniseringsimpulser. Tiden mellem anden og tredje puls kan lineært oversættes til den pH-situation i det miljø, som sensoren blev udsat for. Baseret på en simpel topunktskalibrering med bufferne af pH fire og pH 10 returnerede sensoren stabile og gentagne pH-værdiaflæsninger.Middel- og standardafvigelsen af fejl var 0,25 og 0,30, når de blev testet i opløsninger og bægerglas og var 0,31 og 0,36 i en ex vivo-model. Effekten af en mobiltelefonantenne med et aktivt GSM-opkald havde kun en mindre negativ effekt på modtagelsen af data fra sensoren som demonstreret for 20 centimeter, 10 centimeter og fem centimeter afstand mellem kanten af telefonen og modtageren. Indkapslingen af sensoren skal ske og inspiceres korrekt for at forlænge enhedens levetid, når den implanteres.Dernæst er korrekt placering af det hæmostatiske klip kritisk. Denne forskning baner vejen for udviklingen af trådløse netværk af implantable enheder ved at skabe en energieffektiv måde at overføre data på, især fra modtagerens synspunkt.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Biomolecular Detection employing the Interferometric Reflectance Imaging Sensor (IRIS)

Biomolecular Detection employing the Interferometric Reflectance Imaging Sensor IRIS

The sensitive measurement of biomolecular interactions has use in many fields and industries such as basic biology and microbiology, ...

Monitoring Protein Adsorption with Solid-state Nanopores

Overvågning Protein Adsorption med Solid-state Nanopores

Solid-state nanopores have been used to perform measurements at the single-molecule level to examine the local structure and flexibility of nucleic acids ...

Hollow Microneedle-based Sensor for Multiplexed Transdermal Electrochemical Sensing

Hollow mikro-baserede sensor for Multiplexed Transdermal Elektrokemisk Sensing

The development of a minimally invasive multiplexed monitoring system for rapid analysis of biologically-relevant molecules could offer individuals ...

Mass Cytometry: Protocol for Daily Tuning and Running Cell Samples on a CyTOF Mass Cytometer

Mass Cytometry: Protokol for Daily Tuning og Running celleprøver på en CyTOF Mass Cytometer

In recent years, the rapid analysis of single cells has commonly been performed using flow cytometry and fluorescently-labeled antibodies. However, the ...

Tissue Engineering: Construction of a Multicellular 3D Scaffold for the Delivery of Layered Cell Sheets

Tissue Engineering: Opførelse af en multicellulært 3D Stillads for levering af Layered celleark

Many tissues, such as the adult human hearts, are unable to adequately regenerate after damage.2,3 Strategies in tissue engineering propose innovations to ...

Construction and Characterization of a Novel Vocal Fold Bioreactor

Konstruktion og karakterisering af en roman Vocal Fold bioreaktor

In vitro engineering of mechanically active tissues requires the presentation of physiologically relevant mechanical conditions to cultured cells. To ...

Biomembrane Fabrication by the Solvent-assisted Lipid Bilayer (SALB) Method

Biomembrane Fabrication by the Solvent-assisted Lipid Bilayer SALB Method

Biomembran Fabrication med opløsningsmidlet-assisteret lipiddobbeltlag (Salb) Metode

In order to mimic cell membranes, the supported lipid bilayer (SLB) is an attractive platform which enables in vitro investigation of membrane-related ...

Real Time Monitoring of Intracellular Bile Acid Dynamics Using a Genetically Encoded FRET-based Bile Acid Sensor

Real Time Overvågning af intracellulære Bile Acid Dynamics Ved hjælp af en genetisk indkodede FRET-baserede Bile Acid Sensor

F&#246;rster Resonance Energy Transfer (FRET) has become a powerful tool for monitoring protein folding, interaction and localization in single cells. ...

Extraction of Plant-based Capsules for Microencapsulation Applications

Udvinding af Plant-baserede Kapsler til Microencapsulation Applications

Microcapsules derived from plant-based spores or pollen provide a robust platform for a diverse range of microencapsulation applications. Sporopollenin ...

Construction and Setup of a Bench-scale Algal Photosynthetic Bioreactor with Temperature, Light, and pH Monitoring for Kinetic Growth Tests

Konstruktion og opsætning af en Bench-skala Algal Photosynthetic Bioreactor med temperatur, lys og pH-overvågning for kinetiske væksttest

The optimal design and operation of photosynthetic bioreactors (PBRs) for microalgal cultivation is essential for improving the environmental and economic ...