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

Gli autori riconoscono con gratitudine la Charles University (progetto GA UK No 176119) per aver sostenuto questo studio. Questo lavoro è stato supportato dal programma di ricerca della Charles University PROGRES Q 28 (Oncologia).

Nessun animale vivente è stato coinvolto in questo studio. L'esperimento è stato eseguito su un modello ex vivo costituito da un esofago suino e dallo stomaco. Lo stomaco e l'esofago sono stati acquistati da una macelleria locale come prodotto standard. Questa procedura è conforme alle leggi ceche e la preferiamo a causa del principio "3R" (sostituzione, riduzione e perfezionamento).
1. Fabbricazione del gruppo sensore di pH
NOTA: osservare le precauzioni ...

<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>

Questo metodo è adatto per i ricercatori che lavorano allo sviluppo di nuovi dispositivi medici impiantabili attivi. Richiede un livello di competenza nella produzione di prototipi elettronici con componenti a montaggio superficiale. I passaggi critici del protocollo sono legati alla produzione dell'elettronica, in particolare popolando i PCB, che è soggetta a errori dell'operatore nel posizionamento e nella saldatura di piccoli componenti. Quindi, un corretto incapsulamento è fondamentale per prolungare la durata del...

Il Montreal Consensus definisce la malattia da reflusso gastroesofageo (GERD) come "una condizione che si sviluppa quando il reflusso del contenuto dello stomaco provoca sintomi spiacevoli e / o complicazioni". Può essere associato ad altre complicazioni specifiche come stenosi esofagee, esofago di Barrett o adenocarcinoma esofageo. La GERD colpisce circa il 20% della popolazione adulta, principalmente nei paesi con un elevato status economico1.
Il monitoraggio ambulatoriale del pH del reflusso patologico (tempo di esposizione acida superiore al 6%) consente di distinguere la relazione tra sintomi e reflusso gastroesofageo acido o non acido2,3. Nei pazienti che non rispondono alla terapia con PPI (inibitori della pompa protonica), il monitoraggio del pH può rispondere se si tratta di reflusso gastroesofageo patologico e perché il paziente non risponde alla terapia PPI standard. Attualmente sono offerte varie opzioni di monitoraggio del pH e dell'impedenza. Una delle possibilità più recenti è il monitoraggio wireless mediante dispositivi impiantabili4,5.
La GERD è associata al disturbo dello sfintere esofageo inferiore (LES), in cui le contrazioni mostrate durante la manometria esofagea non sono patologiche ma hanno un'ampiezza ridotta nella GERD a lungo termine. LES è costituito da muscolatura liscia e mantiene contrazioni toniche dovute a fattori miogenici e neurogenici. Si rilassa a causa dell'inibizione vagale-mediata che coinvolge l'ossido nitrico come neurotrasmettitore6.
È stato dimostrato che la stimolazione elettrica con due coppie di elettrodi aumenta il tempo di contrazione del LES in un modello di reflusso canino7. Il rilassamento del LES, compresa la pressione residua durante la deglutizione, non è stato influenzato dalla stimolazione sia a bassa che ad alta frequenza. La stimolazione ad alta frequenza è una scelta ovvia perché richiede meno energia e prolunga la durata della batteria.
Sebbene il trattamento di elettrostimolazione (ET) dello sfintere esofageo inferiore sia un concetto relativamente nuovo nel trattamento dei pazienti con GERD, questa terapia si è dimostrata sicura ed efficace. Questa forma di trattamento ha dimostrato di fornire un sollievo significativo e duraturo dai sintomi della GERD, eliminando la necessità di un trattamento con PPI e riducendo l'esposizione all'acido esofageo8,9,10.
L'attuale sensore di pH all'avanguardia per la diagnostica di GERD è il dispositivo Bravo11,12. Con un volume stimato di 1,7 cm3, può essere impiantato direttamente nell'esofago con o senza feedback endoscopico visivo e fornisce un monitoraggio 24 ore + del pH nell'esofago.
Considerando che la terapia di elettrostimolazione è una delle alternative più promettenti per il trattamento della GERD che non risponde alla terapia standard8,13, ha senso fornire i dati dal sensore di pH al neurostimolatore. La recente ricerca mostra un chiaro percorso verso lo sviluppo futuro in questo campo che porterà a rigidi dispositivi impiantabili all-in-one che risiederanno nel sito di neurostimolazione14,15. A tale scopo, l'ISFET (transistor a effetto di campo sensibile agli ioni) è uno dei migliori tipi di sensori a causa della sua natura miniaturizzata, della possibilità di integrazione su chip di un elettrodo di riferimento (oro in questo caso) e di una sensibilità sufficientemente elevata. Sul silicio, l'ISFET assomiglia alla struttura di un MOSFET standard (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Tuttavia, il cancello, normalmente collegato ad un terminale elettrico, viene sostituito da uno strato di materiale attivo a diretto contatto con l'ambiente circostante. Nel caso di ISFET sensibili al pH, questo strato è formato da nitruro di silicio (Si3N4)16.
Il principale svantaggio dei dispositivi impiantabili endoscopicamente è la limitazione intrinseca delle dimensioni della batteria, che può portare a una durata ridotta di questi dispositivi o motivare i produttori a sviluppare algoritmi avanzati che forniranno l'effetto richiesto a un costo energetico inferiore. Uno degli esempi di tale algoritmo sarebbe un sistema a circuito chiuso per la terapia di neurostimolazione su richiesta di GERD. Simile ai misuratori di glucosio continui (CGM) + sistemi di pompe per insulina17, un tale sistema impiegherebbe un sensore di pH esofageo o un altro sensore per rilevare la pressione corrente dello sfintere esofageo inferiore insieme a un'unità di neurostimolazione.
La risposta alla terapia di neurostimolazione e i requisiti per i modelli di neurostimolazione possono essere individuali13. Pertanto, è importante sviluppare sensori indipendenti che potrebbero essere utilizzati sia per la diagnosi e la caratterizzazione della disfunzione o per partecipare attivamente alla calibrazione del sistema di neurostimolazione in base alle esigenze individuali dei pazienti18. Questi sensori dovrebbero essere il più piccoli possibile per non influire sulla normale funzionalità dell'organo.
Questo manoscritto descrive un metodo di progettazione e fabbricazione di un sensore di pH basato su ISFET con trasmettitore ASK (amplitude-shift keying) e un ricevitore passivo basato su rectenna a ingombro ridotto. Sulla base della semplice architettura della soluzione, i dati di pH possono essere ricevuti da un ricevitore esterno o persino dal neurostimolatore impiantabile senza alcun volume significativo o penalità di potenza. La modulazione ASK viene scelta a causa della natura del ricevitore passivo, che è in grado di rilevare solo la potenza del segnale RF ricevuto (spesso chiamata "potenza del segnale ricevuto"). Il diagramma schematico, che è incorporato come materiale supplementare, mostra la costruzione del dispositivo. È alimentato direttamente da due batterie alcaline AG1, che forniscono una tensione compresa tra 2,0-3,0 V (in base allo stato di carica). Le batterie alimentano il microcontrollore interno, che utilizza le sue periferiche ADC (convertitore analogico-digitale), DAC (convertitore digitale-analogico), amplificatore di funzionamento interno e FVR (riferimento a tensione fissa) per polarizzare il sensore di pH ISFET. La tensione di "gate" risultante (l'elettrodo di riferimento in oro) è proporzionale al pH dell'ambiente circostante. Una corrente ids stabile è fornita da un resistore di rilevamento R2 lato basso. La sorgente del sensore ISFET è collegata all'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale, mentre l'ingresso invertente è collegato alla tensione di uscita del modulo DAC impostata su 960 mV. L'uscita dell'amplificatore operazionale è collegata al perno di scarico dell'ISFET. Questo amplificatore operazionale regola la tensione di drenaggio in modo che la differenza di tensione sul resistore R2 sia sempre di 960 mV; quindi, una corrente di polarizzazione costante di 29 μA scorre attraverso l'ISFET (quando è in normale funzionamento). La tensione di gate viene quindi misurata con un ADC. Il microcontrollore accende quindi il trasmettitore RF tramite uno dei pin GPIO (general purpose input/output) e trasmette la sequenza. Il circuito del trasmettitore RF coinvolge un cristallo e una rete corrispondente che abbina l'uscita a 50 Ω impedenza.
Per gli esperimenti qui dimostrati, abbiamo usato uno stomaco di maiale con una lunga sezione dell'esofago montato in un modello di plastica standardizzato. Questo è un modello comunemente usato per praticare tecniche endoscopiche come ESD (dissezione sottomucosa endoscopica), POEM (miotomia endoscopica orale), resezione endoscopica della mucosa (EMR), emostasi, ecc. Per quanto riguarda i parametri anatomici più vicini possibili che si avvicinano agli organi umani, abbiamo usato lo stomaco e l'esofago di maiali del peso di 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

Il monitoraggio ambulatoriale del pH del reflusso patologico è un'opportunità per osservare la relazione tra sintomi ed esposizione dell'esofago al reflusso acido o non acido. Questo documento descrive un metodo per lo sviluppo, la produzione e l'impianto di un sensore di pH wireless in miniatura. Il sensore è progettato per essere impiantato endoscopicamente con una singola clip emostatica. Viene inoltre costruito e testato un ricevitore completamente passivo basato su rectenna basato su un diodo Schottky a polarizzazione zero. Per costruire il dispositivo, sono stati utilizzati un circuito stampato a due strati e componenti pronti all'uso. Un microcontrollore miniaturizzato con periferiche analogiche integrate viene utilizzato come front-end analogico per il sensore a transistor a effetto di campo sensibile agli ioni (ISFET) e per generare un segnale digitale che viene trasmesso con un chip trasmettitore di commutazione di ampiezza. Il dispositivo è alimentato da due celle alcaline primarie. Il dispositivo impiantabile ha un volume totale di 0,6 cm3 e un peso di 1,2 grammi, e le sue prestazioni sono state verificate in un modello ex vivo (esofago suino e stomaco). Successivamente, è stato costruito un ricevitore passivo basato su rectenna a ingombro ridotto che può essere facilmente integrato in un ricevitore esterno o nel neurostimolatore impiantabile e ha dimostrato di ricevere il segnale RF dall'impianto quando si trova in prossimità (20 cm) di esso. Le dimensioni ridotte del sensore forniscono un monitoraggio continuo del pH con un'ostruzione minima dell'esofago. Il sensore potrebbe essere utilizzato nella pratica clinica di routine per il monitoraggio del pH esofageo 24/96 ore senza la necessità di inserire un catetere nasale. La natura "a potenza zero" del ricevitore consente inoltre l'uso del sensore per la calibrazione automatica in vivo di dispositivi di neurostimolazione in miniatura dello sfintere esofageo inferiore. Un controllo attivo basato su sensori consente lo sviluppo di algoritmi avanzati per ridurre al minimo l'energia utilizzata per ottenere un risultato clinico desiderabile. Uno degli esempi di tale algoritmo sarebbe un sistema a circuito chiuso per la terapia di neurostimolazione su richiesta della malattia da reflusso gastroesofageo (GERD).

Un dispositivo in grado di rilevare autonomamente il pH e la trasmissione wireless del valore del pH è stato costruito con successo, come mostrato nella Figura 8. Il dispositivo costruito è un modello in miniatura; pesa 1,2 g e ha un volume di 0,6 cm3. Le dimensioni approssimative sono 18 mm x 8,5 mm x 4,5 mm. Come mostrato in Figura 15, Figura 16 e Figura 17, può essere i...

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

Il manoscritto presenta un sensore di pH impiantabile in miniatura con uscita wireless modulata ASK insieme a un circuito ricevitore completamente passivo basato su diodi Schottky a polarizzazione zero. Questa soluzione può essere utilizzata come base nello sviluppo di dispositivi di terapia elettrostimolante calibrati in vivo e per il monitoraggio ambulatoriale del pH.

Costruzione di un sensore impiantabile endoscopicamente abilitato wireless per il monitoraggio del pH con ricevitore basato su diodi Schottky a polarizzazione zero

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

Il protocollo mostra la fabbricazione di sensori di pH impiantabili wireless che trasmettono i dati a un ricevitore completamente passivo, consentendo una consegna dei dati molto efficiente dal punto di vista energetico da un dispositivo impiantabile a un altro. Il sensore può essere prodotto a mano e con tecniche comunemente disponibili. Successivamente, il metodo di trasmissione dei dati può essere utilizzato direttamente nello sviluppo di diversi dispositivi impiantabili.È fondamentale ispezionare a fondo il sensore di pH wireless dopo ogni passaggio. I componenti utilizzati per la sua fabbricazione sono molto piccoli e possono verificarsi cortocircuiti o smarrimento durante la fabbricazione. Per cominciare, posizionare il sensore di pH ISFET montato su un PCB su una superficie piana e saldare una sezione di 15 millimetri di cavo rivestito in etilene propilene fluorurato agli elettrodi saldabili del sensore di pH senza contaminare colorante e PCB con flusso.Mescolare un minimo di due millilitri di resina epossidica in due parti per incapsulare gli elettrodi saldati e quindi utilizzare resina epossidica opaca nera per un'ispezione successiva. Osservare la facile visibilità delle parti del sensore esposte all'ambiente senza resina epossidica opaca. Trasferire la resina epossidica mista su una siringa da un millilitro con un ago piatto da 0,5 millimetri e rivestire l'area di saldatura dei sensori di pH con resina epossidica, garantendo il rivestimento dell'intera area degli elettrodi PCB e del filo esposto.Ispezionare l'area rivestita al microscopio per eventuali parti metalliche esposte non rivestite. Dopo aver ripetuto il processo di rivestimento del metallo non rivestito, tagliare i fili alla lunghezza e all'angolo, quindi rivestire le estremità con saldatura per evitare lo sfilacciamento. Dopo aver posizionato il PCB con i componenti in posizione laterale verso l'alto, applicare la pasta saldante a tutti i pad placcati in oro a vista.Quindi, posizionare i componenti passivi e attivi utilizzando una pinzetta. Dopo la saldatura e il raffreddamento a temperatura ambiente, ispezionare il PCB al microscopio per verificare il posizionamento dei componenti e dei pantaloncini. Programmare il firmware al microcontrollore e impostare il software di programmazione come descritto nel testo.Quindi, impostare il programmatore per alimentare il dispositivo con una tensione di circa 2,5 volt. Quindi scollegare i cinque fili dopo la programmazione. Saldare due portabatterie nella parte opposta del PCB.Quindi, saldare il gruppo del sensore di pH ai terminali del PCB, quindi inserire due batterie AG1 nei portabatterie. Dopo aver preparato la resina epossidica, incapsulare il dispositivo con la resina epossidica come descritto in precedenza. Lasciare polimerizzare la resina epossidica a temperatura ambiente.Collegare il gancio del filo al dispositivo con una goccia di resina epossidica a indurimento rapido. Dopo la polimerizzazione a temperatura ambiente, il sensore di pH potrebbe essere posizionato sul lato inferiore sinistro del dispositivo impiantabile. Saldare i componenti usando la pistola di saldatura.Per produrre nuovamente il ricevitore rectenna o procedere senza la corrispondenza del ricevitore, utilizzare i valori dei componenti forniti qui e saltare la registrazione del grafico S11 Smith nel passaggio successivo. In caso contrario, saldare il connettore SMA al PCB. Collegare un ingresso dell'analizzatore di rete vettoriale al connettore SMA.Registra il grafico S11 Smith della rectenna. Osservare la risposta e registrare l'impedenza. Utilizzare un software di calcolo della corrispondenza dell'impedenza per determinare i valori dei componenti corrispondenti.Saldare i componenti corrispondenti all'impedenza e ispezionare al microscopio i cortocircuiti e il posizionamento dei componenti. Dopo aver misurato nuovamente con l'analizzatore di spettro, confermare che il rapporto di tensione delle onde stazionarie è inferiore a tre tra 300 e 500 megahertz. In caso contrario, ripetere con diversi componenti corrispondenti.Dopo che il dispositivo è stato attivato dopo 24 ore dall'inserimento della batteria, ispezionare l'uscita del sensore osservando il segnale mostrato nell'oscilloscopio. Preparare una soluzione di acido cloridrico al 2% e una soluzione tampone da 100 millimolari di pH quattro, pH sette e pH 10. Immergere la capsula in ogni becher e registrare almeno tre campioni.Misurare il periodo tra il secondo e il terzo impulso. E dopo averlo compilato nel foglio di calcolo fornito, determinare i coefficienti di calibrazione per il sensore di pH utilizzando il foglio di calcolo. Dopo aver preparato un modello sucino endoscopico ex vivo dello stomaco e un lungo segmento dell'esofago, afferrare il sensore esternamente con una clip emostatica.Inserire l'endoscopio con il sensore nella clip nel modo standard nel modello. Dopo aver posizionato la clip con il sensore vicino allo sfintere esofageo inferiore, ruotare l'endoscopio contro la parete esofagea, aprire la clip e quindi spingere verso la parete esofagea. Chiudete e rilasciate la clip.Mentre il sensore rimane attaccato alla parete esofagea nella posizione desiderata, estrarre l'endoscopio. Posizionare il ricevitore entro 10 centimetri dal sensore impiantato. Iniettare 50 millilitri delle soluzioni con vari valori di pH nell'esofago e osservare i cambiamenti nella risposta del sensore.Ritrarre l'endoscopio dopo ogni iniezione e leggere il valore non prima di 30 secondi dopo l'iniezione e utilizzare il foglio di calcolo per calcolare il pH misurato dal sensore. Lavare l'esofago con 100 millilitri di acqua deionizzata tra le soluzioni di iniezione con pH diverso. Quando il ricevitore rectenna passivo è stato messo in prossimità del dispositivo di rilevamento del pH, sono stati osservati chiari picchi di tensione durante la trasmissione del dispositivo.I primi due impulsi brevi erano impulsi di sincronizzazione. Il tempo tra il secondo e il terzo impulso si traduce linearmente nel pH dell'ambiente a cui è stato sottoposto il sensore. Sulla base di una semplice calibrazione a due punti con i tamponi di pH quattro e pH 10, il sensore ha restituito letture stabili e ripetibili del valore del pH.La deviazione media e standard degli errori era 0,25 e 0,30 quando testata in soluzioni e becher ed erano 0,31 e 0,36 in un modello ex vivo. L'effetto di un'antenna di telefonia mobile con una chiamata GSM attiva ha avuto solo un effetto negativo minore sulla ricezione dei dati dal sensore, come dimostrato per 20 centimetri, 10 centimetri e cinque centimetri di distanza tra il bordo del telefono e il ricevitore. L'incapsulamento del sensore deve essere fatto e ispezionato correttamente per prolungare la durata del dispositivo quando impiantato.Successivamente, il corretto posizionamento della clip emostatica è fondamentale. Questa ricerca apre la strada allo sviluppo di reti wireless di dispositivi impiantabili creando un modo efficiente dal punto di vista energetico per trasferire i dati soprattutto dal punto di vista del ricevitore.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Biomolecular Detection employing the Interferometric Reflectance Imaging Sensor (IRIS)

Biomolecular Detection employing the Interferometric Reflectance Imaging Sensor IRIS

Biomolecolare Detection impiega il sensore di immagine interferometrica riflettanza (IRIS)

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

Ricerca

Bioingegneria

Monitoring Protein Adsorption with Solid-state Nanopores

Monitoraggio delle proteine ​​con a stato solido Nanopori

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 microago-based sensore per Multiplexed transdermico elettrochimica 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

Massa Citometria: Protocollo per l&#39;ottimizzazione giornaliera e campioni di cellule in esecuzione su un citometro Messa CyTOF

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

Ingegneria dei tessuti: Costruzione di un multicellulare 3D Ponteggio per la consegna di Layered fogli Cellulari

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

Costruzione e caratterizzazione di un Fold bioreattore Novel Vocal

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

Biomembrane Fabrication dal solvente assistita doppio strato lipidico (SALB) Metodo

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

Monitoraggio in tempo reale di intracellulare Bile Acid Dynamics Utilizzando una sede a FRET geneticamente codificato Bile Acid sensore

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

Capsule Estrazione di Plant-based per applicazioni di microincapsulazione

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

Costruzione e messa a punto di un biotestattore fotosintetico di alghe a bilanciere a banco con monitoraggio della temperatura, della luce e del pH per test di crescita cinetica

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