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

Die Autoren danken der Charles University (Projekt GA UK No 176119) für die Unterstützung dieser Studie. Diese Arbeit wurde durch das Forschungsprogramm PROGRES Q 28 (Onkologie) der Karlsuniversität unterstützt.

An dieser Studie waren keine lebenden Tiere beteiligt. Das Experiment wurde an einem Ex-vivo-Modell durchgeführt, das aus einer Schweinespeiseröhre und einem Magen bestand. Der Magen und die Speiseröhre wurden von einer lokalen Metzgerei als Standardprodukt gekauft. Dieses Verfahren entspricht den tschechischen Gesetzen und wir bevorzugen es wegen des "3R" -Prinzips (Ersatz, Reduzierung und Verfeinerung).
1. Herstellung der pH-Sensorbaugruppe
HINWEIS: Beac...

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	<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. 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(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. 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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>

Diese Methode eignet sich für Forscher, die an der Entwicklung neuartiger aktiver implantierbarer medizinischer Geräte arbeiten. Es erfordert ein gewisses Maß an Kompetenz in der Herstellung von elektronischen Prototypen mit oberflächenmontierbaren Komponenten. Die kritischen Schritte im Protokoll beziehen sich auf die Herstellung der Elektronik, insbesondere auf die Befüllung der Leiterplatten, die anfällig für Bedienerfehler bei der Platzierung und dem Löten kleiner Komponenten ist. Dann ist die korrekte Verkap...

Der Montreal Consensus definiert die gastroösophageale Refluxkrankheit (GERD) als "eine Erkrankung, die sich entwickelt, wenn der Reflux des Mageninhalts unangenehme Symptome und / oder Komplikationen verursacht". Es kann mit anderen spezifischen Komplikationen wie Ösophagus-Strikturen, Barrett-Ösophagus oder Ösophagus-Adenokarzinom assoziiert sein. GERD betrifft etwa 20 % der erwachsenen Bevölkerung, hauptsächlich in Ländern mit hohem wirtschaftlichen Status1.
Die ambulante pH-Überwachung des pathologischen Refluxes (Säureexpositionszeit von mehr als 6 %) ermöglicht es uns, den Zusammenhang zwischen Symptomen und saurem oder nicht saurem gastroösophagealem Reflux zu unterscheiden2,3. Bei Patienten, die nicht auf eine PPI-Therapie (Protonenpumpenhemmer) ansprechen, kann die pH-Überwachung beantworten, ob es sich um einen pathologischen gastroösophagealen Reflux handelt und warum der Patient nicht auf die Standard-PPI-Therapie anspricht. Derzeit werden verschiedene Optionen zur pH- und Impedanzüberwachung angeboten. Eine der neueren Möglichkeiten ist die drahtlose Überwachung mit implantierbaren Geräten4,5.
GERD ist mit einer Störung des unteren Ösophagussphinkters (LES) assoziiert, bei der die während der Ösophagusmanometrie gezeigten Kontraktionen nicht pathologisch sind, sondern bei langfristiger GERD eine verminderte Amplitude aufweisen. LES besteht aus glatter Muskulatur und erhält tonische Kontraktionen aufgrund myogener und neurogener Faktoren aufrecht. Es entspannt sich aufgrund einer vagalvermittelten Hemmung mit Stickstoffmonoxid als Neurotransmitter6.
Es wurde nachgewiesen, dass die elektrische Stimulation mit zwei Elektrodenpaaren die Kontraktionszeit des LES in einem Canine Reflux Model7 erhöht. Die Entspannung des LES einschließlich des Restdrucks beim Schlucken wurde sowohl durch die nieder- als auch durch die hochfrequente Stimulation nicht beeinflusst. Hochfrequenzstimulation ist eine offensichtliche Wahl, da sie weniger Strom benötigt und die Akkulaufzeit verlängert.
Obwohl die Elektrostimulationsbehandlung (ET) des unteren Ösophagussphinkters ein relativ neues Konzept bei der Behandlung von Patienten mit GERD ist, erwies sich diese Therapie als sicher und wirksam. Es hat sich gezeigt, dass diese Form der Behandlung eine signifikante und dauerhafte Linderung der Symptome von GERD bietet, während die Notwendigkeit einer PPI-Behandlung entfällt und die Exposition gegenüber Speiseröhrensäure reduziert wird8,9,10.
Der aktuelle pH-Sensor auf dem neuesten Stand der Technik für die Diagnose von GERD ist das Bravo-Gerät11,12. Bei einem geschätzten Volumen von 1,7 cm3 kann es mit oder ohne visuelle endoskopische Rückkopplung direkt in die Speiseröhre implantiert werden und bietet eine Überwachung des pH-Wertes in der Speiseröhre über 24 h+.
In Anbetracht der Tatsache, dass die Elektrostimulationstherapie eine der vielversprechendsten Alternativen zur Behandlung von GERD ist, die nicht auf die Standardtherapie anspricht8,13, ist es sinnvoll, die Daten vom pH-Sensor dem Neurostimulator zur Verfügung zu stellen. Die jüngste Forschung zeigt einen klaren Weg für die zukünftige Entwicklung in diesem Bereich, die zu starren implantierbaren All-in-One-Geräten führen wird, die sich am Ort der Neurostimulation befinden werden14,15. Zu diesem Zweck ist der ISFET (ionenempfindlicher Feldeffekttransistor) aufgrund seiner Miniaturnatur, der Möglichkeit der On-Chip-Integration einer Referenzelektrode (in diesem Fall Gold) und einer ausreichend hohen Empfindlichkeit einer der besten Sensortypen. Auf Silizium ähnelt der ISFET der Struktur eines Standard-MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Das Gate, das normalerweise mit einer elektrischen Klemme verbunden ist, wird jedoch durch eine Schicht aus aktivem Material ersetzt, die in direktem Kontakt mit der Umgebung steht. Bei pH-sensitiven ISFETs wird diese Schicht durch Siliziumnitrid (Si3N4)16 gebildet.
Der Hauptnachteil endoskopisch implantierbarer Geräte ist die inhärente Begrenzung der Batteriegröße, die zu einer verkürzten Lebensdauer dieser Geräte führen oder die Hersteller motivieren kann, fortschrittliche Algorithmen zu entwickeln, die den erforderlichen Effekt bei geringeren Energiekosten liefern. Eines der Beispiele für einen solchen Algorithmus wäre ein closed-loop-System zur On-Demand-Neurostimulationstherapie von GERD. Ähnlich wie kontinuierliche Glukosemessgeräte (CGM) + Insulinpumpensysteme17 würde ein solches System einen pH-Sensor der Speiseröhre oder einen anderen Sensor verwenden, um den aktuellen Druck des unteren Ösophagussphinkters zusammen mit einer Neurostimulationseinheit zu erfassen.
Das Ansprechen auf die Neurostimulationstherapie und die Anforderungen an Neurostimulationsmuster können individuell sein13. Daher ist es wichtig, unabhängige Sensoren zu entwickeln, die entweder zur Diagnose und Charakterisierung der Dysfunktion eingesetzt werden können oder aktiv an der Kalibrierung des Neurostimulationssystems entsprechend den individuellen Anforderungen der Patienten beteiligt sind18. Diese Sensoren sollten so klein wie möglich sein, um die normale Funktionalität des Organs nicht zu beeinträchtigen.
Dieses Manuskript beschreibt eine Methode des Designs und der Herstellung eines ISFET-basierten pH-Sensors mit Amplituden-Shift-Keying-Sender (ASK) und einem passiven Rectenna-basierten Empfänger mit geringem Platzbedarf. Basierend auf der einfachen Architektur der Lösung können die pH-Daten von einem externen Empfänger oder sogar dem implantierbaren Neurostimulator ohne nennenswerte Volumen- oder Leistungseinbußen empfangen werden. Die ASK-Modulation wird aufgrund der Art des passiven Empfängers gewählt, der nur in der Lage ist, die empfangene HF-Signalleistung (oft als "empfangene Signalstärke" bezeichnet) zu erfassen. Das schematische Diagramm, das als Ergänzungsmaterial eingebettet ist, zeigt den Aufbau des Gerätes. Es wird direkt von zwei AG1 Alkaline-Batterien gespeist, die eine Spannung zwischen 2,0-3,0 V (basierend auf dem Ladezustand) liefern. Die Batterien versorgen den internen Mikrocontroller mit Strom, der seinen ADC (Analog-Digital-Wandler), DAC (Digital-Analog-Wandler), den internen Operationsverstärker und die FVR-Peripherie (Festspannungsreferenz) nutzt, um den ISFET-pH-Sensor zu verbiegen. Die resultierende "Gate"-Spannung (die Gold-Referenzelektrode) ist proportional zum pH-Wert der Umgebung. Ein stabiler Ids-Strom wird durch einen Low-Side-R2-Messwiderstand bereitgestellt. Die Quelle des ISFET-Sensors ist mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden, während der invertierende Eingang mit der Ausgangsspannung des DAC-Moduls verbunden ist, die auf 960 mV eingestellt ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers wird mit dem Drain-Pin des ISFETs verbunden. Dieser Operationsverstärker regelt die Drain-Spannung so, dass die Spannungsdifferenz am R2-Widerstand immer 960 mV beträgt; somit fließt ein konstanter Vorspannungsstrom von 29 μA durch den ISFET (im Normalbetrieb). Die Gate-Spannung wird dann mit einem ADC gemessen. Der Mikrocontroller schaltet dann den HF-Transmitter über einen der GPIO-Pins (General Purpose Input/Output) ein und überträgt die Sequenz. Die HF-Senderschaltung umfasst einen Quarz und ein passendes Netzwerk, das den Ausgang auf 50 Ω Impedanz anpasst.
Für die hier gezeigten Experimente verwendeten wir einen Schweinemagen mit einem langen Abschnitt der Speiseröhre, der in einem standardisierten Kunststoffmodell montiert war. Dies ist ein häufig verwendetes Modell für das Üben endoskopischer Techniken wie ESD (endoskopische submuköse Dissektion), POEM (orale endoskopische Myotomie), endoskopische Schleimhautresektion (EMR), Hämostase usw. In Bezug auf die engstmöglichen anatomischen Parameter, die sich menschlichen Organen nähern, haben wir den Magen und die Speiseröhre von Schweinen mit einem Gewicht von 40-50 kg verwendet.

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

Die ambulante pH-Überwachung des pathologischen Refluxes ist eine Gelegenheit, den Zusammenhang zwischen Symptomen und exposition der Speiseröhre gegenüber saurem oder nicht saurem Refluxat zu beobachten. Dieser Artikel beschreibt eine Methode zur Entwicklung, Herstellung und Implantation eines drahtlosen Miniatur-pH-Sensors. Der Sensor ist so konzipiert, dass er endoskopisch mit einem einzigen hämostatischen Clip implantiert werden kann. Ein vollständig passiver Rectenna-basierter Empfänger, der auf einer Null-Bias-Schottky-Diode basiert, wird ebenfalls konstruiert und getestet. Um das Gerät zu konstruieren, wurden eine zweischichtige Leiterplatte und handelsübliche Komponenten verwendet. Ein Miniatur-Mikrocontroller mit integrierter analoger Peripherie wird als analoges Frontend für den ionenempfindlichen Feldeffekttransistor (ISFET) Sensor und zur Erzeugung eines digitalen Signals verwendet, das mit einem Amplitudenverschiebungs-Keying-Transmitterchip übertragen wird. Das Gerät wird von zwei primären Alkalizellen angetrieben. Das implantierbare Gerät hat ein Gesamtvolumen von 0,6 cm3 und ein Gewicht von 1,2 Gramm und seine Leistung wurde in einem Ex-vivo-Modell (Schweinespeiseröhre und Magen) nachgewiesen. Als nächstes wurde ein passiver Rektenna-basierter Empfänger mit geringem Platzbedarf konstruiert, der einfach entweder in einen externen Empfänger oder den implantierbaren Neurostimulator integriert werden kann, und es wurde nachgewiesen, dass er das HF-Signal vom Implantat empfängt, wenn es sich in der Nähe (20 cm) befindet. Die geringe Größe des Sensors ermöglicht eine kontinuierliche pH-Überwachung mit minimaler Obstruktion der Speiseröhre. Der Sensor könnte in der klinischen Routinepraxis für die 24/96 h Ösophagus-pH-Überwachung eingesetzt werden, ohne dass ein Nasenkatheter eingeführt werden muss. Die "Zero-Power" -Natur des Empfängers ermöglicht auch die Verwendung des Sensors für die automatische In-vivo-Kalibrierung von Miniatur-Neurostimulationsgeräten für den unteren Ösophagussphinkter. Eine aktive sensorbasierte Steuerung ermöglicht die Entwicklung fortschrittlicher Algorithmen, um die verbrauchte Energie zu minimieren, um ein wünschenswertes klinisches Ergebnis zu erzielen. Eines der Beispiele für einen solchen Algorithmus wäre ein Closed-Loop-System zur On-Demand-Neurostimulationstherapie der gastroösophagealen Refluxkrankheit (GERD).

Ein Gerät, das in der Lage ist, den pH-Wert autonom zu erfassen und den pH-Wert drahtlos zu übertragen, wurde erfolgreich konstruiert, wie in Abbildung 8 dargestellt. Das konstruierte Gerät ist ein Miniaturmodell; es wiegt 1,2 g und hat ein Volumen von 0,6 cm3. Die ungefähren Abmessungen betragen 18 mm x 8,5 mm x 4,5 mm. Wie in Abbildung 15, Abbildung 16 und Abbildung 17 ...

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

Das Manuskript präsentiert einen implantierbaren Miniatur-pH-Sensor mit ASK-moduliertem Funkausgang zusammen mit einer vollständig passiven Empfängerschaltung, die auf Null-Bias-Schottky-Dioden basiert. Diese Lösung kann als Grundlage für die Entwicklung von in vivo kalibrierten Elektrostimulationstherapiegeräten und für die ambulante pH-Überwachung verwendet werden.

Aufbau eines funkfähigen endoskopisch implantierbaren Sensors zur pH-Überwachung mit Zero-Bias Schottky Dioden-basiertem Empfänger

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

Das Protokoll zeigt die Herstellung eines drahtlosen implantierbaren pH-Sensors, der Daten an einen vollständig passiven Empfänger überträgt und so eine sehr energieeffiziente Übertragung von Daten von einem implantierbaren Gerät an ein anderes ermöglicht. Der Sensor kann von Hand und mit gängigen Techniken hergestellt werden. Als nächstes kann die Methode der Datenübertragung direkt bei der Entwicklung verschiedener implantierbarer Geräte wiederverwendet werden.Es ist wichtig, den drahtlosen pH-Sensor nach jedem Schritt gründlich zu inspizieren. Die für die Herstellung verwendeten Komponenten sind sehr klein und es kann zu Kurzschlüssen oder Fehlplatzierungen während der Herstellung kommen. Platzieren Sie zunächst den ISFET-pH-Sensor auf einer Leiterplatte auf einer ebenen Oberfläche und löten Sie einen 15 Millimeter langen Abschnitt aus fluoriertem Ethylen-Propylen-beschichtetem Kabel an die lötbaren Elektroden des pH-Sensors, ohne Farbstoff und Leiterplatte mit Flussmittel zu kontaminieren.Mischen Sie mindestens zwei Milliliter zweiteiliges Epoxidharz, um die gelöteten Elektroden zu verkapseln, und verwenden Sie dann schwarzes undurchsichtiges Epoxidharz für die spätere Inspektion. Beobachten Sie die leichte Sichtbarkeit von Sensorteilen, die der Umgebung ausgesetzt sind, ohne undurchsichtiges Epoxidharz. Übertragen Sie das gemischte Epoxidharz auf eine Ein-Milliliter-Spritze mit einer 0,5-Millimeter-Flachnadel und beschichten Sie den Lötbereich der pH-Sensoren mit Epoxidharz, um die Beschichtung des gesamten Bereichs der PCB-Elektroden und des freiliegenden Drahtes sicherzustellen.Untersuchen Sie den beschichteten Bereich unter dem Mikroskop auf unbeschichtete freiliegende Metallteile. Nachdem Sie den Beschichtungsprozess von unbeschichtetem Metall wiederholt haben, schneiden Sie die Drähte auf Länge und Winkel und beschichten Sie dann die Enden mit Lot, um ein Ausfransen zu vermeiden. Nachdem Sie die Leiterplatte mit den Komponenten in einer seitlichen Position platziert haben, tragen Sie Lötpaste auf alle freiliegenden vergoldeten Pads auf.Als nächstes platzieren Sie passive und aktive Komponenten mit einer Pinzette. Untersuchen Sie nach dem Löten und Abkühlen auf Raumtemperatur die Leiterplatte unter dem Mikroskop, um die Platzierung der Komponenten und Kurzschlüsse zu überprüfen. Programmieren Sie die Firmware auf den Mikrocontroller und richten Sie die Programmiersoftware wie im Text beschrieben ein.Als nächstes stellen Sie den Programmierer so ein, dass das Gerät mit einer Spannung von ca. 2,5 Volt versorgt wird. Entlöten Sie dann die fünf Drähte nach der Programmierung. Löten Sie zwei Batteriehalter an den gegenüberliegenden Teil der Leiterplatte.Als nächstes löten Sie die pH-Sensorbaugruppe an die Anschlüsse der Leiterplatte und legen Sie dann zwei AG1-Batterien in die Batteriehalter ein. Nach der Herstellung von Epoxidharz verkapseln Sie die Vorrichtung wie zuvor beschrieben mit dem Epoxidharz. Lassen Sie das Epoxidharz bei Raumtemperatur aushärten.Befestigen Sie den Drahthaken mit einem Tropfen schnell aushärtendem Epoxidharz am Gerät. Nach der Aushärtung bei Raumtemperatur könnte sich der pH-Sensor auf der unteren linken Seite des implantierbaren Geräts befinden. Löten Sie die Komponenten mit der Lötpistole.Um den Rectenna-Empfänger erneut herzustellen oder ohne Empfängerabgleich fortzufahren, verwenden Sie die Werte der hier bereitgestellten Komponenten und überspringen Sie im nächsten Schritt die Aufzeichnung des S11 Smith-Diagramms. Andernfalls löten Sie den SMA-Stecker an die Leiterplatte. Schließen Sie einen Vektor-Netzwerkanalysatoreingang an den SMA-Anschluss an.Nehmen Sie das S11 Smith-Diagramm der Rectenna auf. Beobachten Sie die Reaktion und notieren Sie die Impedanz. Verwenden Sie eine Impedanzanpassungsrechner-Software, um die Werte der übereinstimmenden Komponenten zu bestimmen.Löten Sie die impedanzgerechten Komponenten und prüfen Sie unter dem Mikroskop auf Kurzschlüsse und Bauteilplatzierung. Nachdem Sie erneut mit dem Spektrumanalysator gemessen haben, bestätigen Sie, dass das Spannungs-Stehwellenverhältnis zwischen 300 und 500 Megahertz unter drei liegt. Andernfalls wiederholen Sie den Vorgang mit verschiedenen übereinstimmenden Komponenten.Nachdem das Gerät nach 24 Stunden nach dem Einsetzen des Akkus aktiviert wurde, überprüfen Sie den Ausgang des Sensors, indem Sie das im Oszilloskop angezeigte Signal beobachten. Bereiten Sie 2% Salzsäurelösung und 100 Millimolar Pufferlösung von pH vier, pH sieben und pH 10 vor. Tauchen Sie die Kapsel in jedes Becherglas und nehmen Sie mindestens drei Proben auf.Messen Sie den Zeitraum zwischen dem zweiten und dritten Impuls. Und nachdem Sie es in der bereitgestellten Tabelle ausgefüllt haben, bestimmen Sie die Kalibrierkoeffizienten für den pH-Sensor mithilfe der Tabelle. Nachdem Sie ein endoskopisches Ex-vivo-Schweinemodell des Magens und eines langen Segments der Speiseröhre erstellt haben, greifen Sie den Sensor äußerlich mit einem hämostatischen Clip.Setzen Sie das Endoskop mit dem Sensor im Clip standardmäßig in das Modell ein. Nachdem Sie den Clip mit dem Sensor in der Nähe des unteren Ösophagussphinkters platziert haben, drehen Sie das Endoskop gegen die Speiseröhrenwand, öffnen Sie den Clip und drücken Sie ihn dann in Richtung der Speiseröhrenwand. Schließen Sie den Clip, und lassen Sie ihn los.Während der Sensor an der gewünschten Stelle an der Speiseröhrenwand befestigt bleibt, extrahieren Sie das Endoskop. Platzieren Sie den Empfänger innerhalb von 10 Zentimetern des implantierten Sensors. Injizieren Sie 50 Milliliter der Lösungen mit verschiedenen pH-Werten in die Speiseröhre und beobachten Sie die Veränderungen in der Reaktion des Sensors.Ziehen Sie das Endoskop nach jeder Injektion ein und lesen Sie den Wert frühestens 30 Sekunden nach der Injektion ab und berechnen Sie anhand der Tabelle den vom Sensor gemessenen pH-Wert. Waschen Sie die Speiseröhre mit 100 Millilitern entionisiertem Wasser zwischen Injektionslösungen mit unterschiedlichem pH-Wert. Wenn der passive Rektenna-Empfänger in die Nähe des pH-Messgeräts gebracht wurde, wurden bei der Übertragung des Geräts deutliche Spannungsspitzen beobachtet.Die ersten beiden kurzen Impulse waren Synchronisationsimpulse. Die Zeit zwischen dem zweiten und dritten Impuls übersetzt sich linear in den pH-Wert der Umgebung, der der Sensor ausgesetzt war. Basierend auf einer einfachen Zwei-Punkt-Kalibrierung mit den Puffern pH vier und pH 10 lieferte der Sensor stabile und wiederholbare pH-Werte.Der Mittelwert und die Standardabweichung der Fehler betrugen 0,25 und 0,30, wenn sie in Lösungen und Bechergläsern getestet wurden, und betrugen 0,31 und 0,36 in einem Ex-vivo-Modell. Die Wirkung einer Mobilfunkantenne mit einem aktiven GSM-Anruf hatte nur einen geringen negativen Effekt auf den Empfang der Daten vom Sensor, wie für 20 Zentimeter, 10 Zentimeter und fünf Zentimeter Abstand zwischen dem Rand des Telefons und dem Empfänger gezeigt. Die Verkapselung des Sensors muss ordnungsgemäß durchgeführt und inspiziert werden, um die Lebensdauer des Geräts bei der Implantation zu verlängern.Als nächstes ist die korrekte Platzierung des hämostatischen Clips entscheidend. Diese Forschung ebnet den Weg für die Entwicklung drahtloser Netzwerke von implantierbaren Geräten, indem sie eine energieeffiziente Möglichkeit schafft, Daten insbesondere aus der Sicht des Empfängers zu übertragen.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Biomolecular Detection employing the Interferometric Reflectance Imaging Sensor (IRIS)

Biomolecular Detection employing the Interferometric Reflectance Imaging Sensor IRIS

Biomolekulare Erkennung Einsatz der Interferometrische Reflectance Imaging Sensor (IRIS)

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

Forschung

Biotechnik

Monitoring Protein Adsorption with Solid-state Nanopores

Überwachung Proteinadsorption mit Solid-State-Nanoporen

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

Hohle Mikronadel-basierten Sensor für Multiplex Transdermale elektrochemische Nachweis

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

Messe Cytometry: Protokoll für die tägliche Tuning und Ausführen von Zellproben auf einem CyTOF Messe 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: Aufbau eines Multizelluläre 3D Gerüst für die Lieferung von Layered Zellschichten

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 und Charakterisierung eines neuartigen Bioreaktor Stimmlippen

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 durch das Lösungsmittel-unterstützten Lipiddoppelschicht (SALB) Methode

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

Echtzeit-Überwachung von intrazellulären Gallensäure Dynamics Mit Hilfe eines genetisch kodierte FRET-Gallensäure-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

Extraktion von Pflanzenbasis Kapseln für Mikroverkapselung Anwendungen

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

Aufbau und Aufbau eines handelsüblichen Algen-Photosynthese-Bioreaktors mit Temperatur-, Licht- und pH-Monitoring für kinetische Wachstumstests

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