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 anerkjenner takknemlig Charles University (prosjekt GA UK No 176119) for å støtte denne studien. Dette arbeidet ble støttet av Charles Universitys forskningsprogram PROGRES Q 28 (Oncology).

Ingen levende dyr var involvert i denne studien. Eksperimentet ble utført på en ex vivo-modell som består av en svine spiserøret og magen. Magen og spiserøret ble kjøpt fra en lokal slakteri som deres standardprodukt. Denne prosedyren er i samsvar med tsjekkiske lover, og vi foretrekker det på grunn av "3R" -prinsippet (erstatning, reduksjon og raffinement).
1. Fabrikasjon av pH-sensorenheten
MERK: Vær oppmerksom på forholdsregler for håndtering av ...

<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 metoden er egnet for forskere som jobber med utvikling av nye aktive implanterbare medisinske enheter. Det krever et ferdighetsnivå i produksjon av elektroniske prototyper med overflatemonteringskomponenter. De kritiske trinnene i protokollen er relatert til produksjon av elektronikk, spesielt utfylling av PCB-ene, som er utsatt for operatørfeil ved plassering og lodding av små komponenter. Deretter er riktig innkapsling avgjørende for å forlenge levetiden til enheten når den utsettes for fuktighet og væsker...

Montreal-konsensus definerer gastroøsofageal reflukssykdom (GERD) som "en tilstand som utvikler seg ved refluksing av innholdet i magen forårsaker ubehagelige symptomer og / eller komplikasjoner". Det kan være forbundet med andre spesifikke komplikasjoner som esophageal striktur, Barretts spiserøret, eller esophageal adenocarcinoma. GERD påvirker ca. 20% av den voksne befolkningen, hovedsakelig i land med høy økonomisk status1.
Ambulerende pH-overvåking av patologisk refluks (syreeksponeringstid på mer enn 6%) gjør at vi kan skille forholdet mellom symptomer og sure eller ikke-sure gastroøsofageale refluks2,3. Hos pasienter som ikke reagerer på PPI-behandling (protonpumpehemmer), kan pH-overvåking svare på om det er patologisk gastroøsofageal refluks og hvorfor pasienten ikke reagerer på standard PPI-behandling. Ulike pH- og impedansovervåkingsalternativer tilbys for tiden. En av de nyere mulighetene er trådløs overvåking ved hjelp av implanterbare enheter4,5.
GERD er forbundet med lavere esophageal sphincter (LES) lidelse, hvor sammentrekningene vist under esophageal manometri ikke er patologiske, men har redusert amplitude i langsiktig GERD. LES består av glatt muskel og opprettholder tonic sammentrekninger på grunn av myogene og nevrogene faktorer. Det slapper av på grunn av vagalmediert inhibering som involverer nitrogenoksid som nevrotransmitter6.
Elektrisk stimulering med to par elektroder ble bevist å øke sammentrekningstiden til LES i en hunderefluksmodell7. Avslapningen av LES inkludert resttrykket under svelging ble ikke påvirket av både lav og høyfrekvent stimulering. Høyfrekvent stimulering er et opplagt valg fordi det krever mindre strøm og forlenger batterilevetiden.
Selv om elektrostimuleringsbehandling (ET) av nedre esophageal sphincter er et relativt nytt konsept i behandlingen av pasienter med GERD, ble denne terapien vist seg å være trygg og effektiv. Denne behandlingsformen har vist seg å gi betydelig og varig lindring fra symptomene på GERD samtidig som behovet for PPI-behandling elimineres og esophageal acid exposure8,9,10 elimineres.
Den nåværende toppmoderne pH-sensoren for diagnostikk av GERD er Bravo-enheten11,12. Ved et estimert volum på 1,7 cm3 kan det implanteres direkte i spiserøret med eller uten visuell endoskopisk tilbakemelding og gir 24 timers + overvåking av pH i spiserøret.
Tatt i betraktning at elektrostimuleringsterapi er et av de mest lovende alternativene for behandling av GERD som ikke reagerer på standardterapi8,13, er det fornuftig å gi dataene fra pH-sensoren til nevrostimulatoren. Den nylige forskningen viser en klar vei til fremtidig utvikling på dette feltet som vil føre til stive alt-i-ett implanterbare enheter som vil ligge på stedet for nevrostimulering14,15. Til dette formål er ISFET (ionsensitiv felteffekttransistor) en av de beste typene sensorer på grunn av sin miniatyr natur, muligheten for integrering av en referanseelektrode (gull i dette tilfellet), og tilstrekkelig høy følsomhet. På silisium ligner ISFET strukturen til en standard MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Porten, normalt koblet til en elektrisk terminal, erstattes imidlertid av et lag med aktivt materiale i direkte kontakt med omgivelsene. Når det gjelder pH-sensitive ISFETer, dannes dette laget av silisiumnitritt (Si3N4)16.
Den største ulempen ved endoskopisk implanterbare enheter er den iboende begrensningen av batteristørrelsen, noe som kan føre til redusert levetid for disse enhetene eller motivere produsentene til å utvikle avanserte algoritmer som vil levere den nødvendige effekten til en lavere energikostnad. Et av eksemplene på en slik algoritme ville være et lukket sløyfesystem for behovsbetinget nevrostimuleringsterapi av GERD. I likhet med kontinuerlige glukosemålere (CGM) + insulinpumpesystemer17, ville et slikt system bruke en esophageal pH-sensor eller en annen sensor for å oppdage det nåværende trykket til den nedre spiserøret sammen med en nevrostimuleringsenhet.
Responsen på nevrostimuleringsterapien og kravene til nevrostimuleringsmønstre kan være individuelt13. Dermed er det viktig å utvikle uavhengige sensorer som kan brukes enten til diagnostisering og karakterisering av dysfunksjonen eller for aktivt å delta i kalibrering av nevrostimuleringssystemet i henhold til pasientens individuelle krav18. Disse sensorene bør være så små som mulig for ikke å påvirke organets normale funksjonalitet.
Dette manuskriptet beskriver en metode for design og fabrikasjon av en ISFET-basert pH-sensor med amplitude-shift keying (ASK)-sender og en liten fotavtrykk passiv rectenna-basert mottaker. Basert på løsningens enkle arkitektur kan pH-dataene mottas av en ekstern mottaker eller til og med den implanterbare nevrostimulatoren uten betydelig volum eller strømstraff. ASK-modulasjonen er valgt på grunn av den passive mottakerens natur, som bare er i stand til å oppdage mottatt RF-signalkraft (ofte kalt "mottatt signalstyrke"). Det skjematiske diagrammet, som er innebygd som tilleggsmateriale, viser konstruksjonen av enheten. Den drives direkte fra to AG1 alkaliske batterier, som gir en spenning mellom 2,0-3,0 V (basert på ladetilstanden). Batteriene driver den interne mikrokontrolleren, som benytter sine ADC-enheter (analog-til-digital-omformer), DAC (digital-til-analog-omformer), intern driftsforsterker og FVR-eksterne enheter (fastspenningsreferanse) for å partiskere ISFET pH-sensoren. Den resulterende "port" spenningen (gullreferanseelektroden) er proporsjonal med pH i omgivelsene. En stabil Ids strøm er levert av en lav-side R2 sensing motstand. Kilden til ISFET-sensoren er koblet til den ikke-inverterende inngangen til driftsforsterkeren, mens inverteringsinngangen er koblet til utgangsspenningen til DAC-modulen satt til 960 mV. Utgangen av operasjonsforsterkeren er koblet til avløpspinnen til ISFET. Denne driftsforsterkeren regulerer avløpsspenningen slik at spenningsforskjellen på R2-motstanden alltid er 960 mV; Dermed strømmer en konstant biasstrøm på 29 μA gjennom ISFET (ved normal drift). Gatespenningen måles deretter med en ADC. Mikrokontrolleren slår deretter på RF-senderen via en av GPIO(general purpose input/output)-pinnene og overfører sekvensen. RF-senderkretsen innebærer et krystall- og matchende nettverk som matcher utgangen til 50 Ω impedans.
For forsøkene som ble demonstrert her, brukte vi en gris mage med en lang del av spiserøret montert i en standardisert plastmodell. Dette er en vanlig brukt modell for å praktisere endoskopiske teknikker som ESD (endoskopisk submukosal disseksjon), POEM (oral endoskopisk myotomi), endoskopisk mucosal reseksjon (EMR), hemostase, etc. Når det gjelder de nærmeste mulige anatomiske parametrene som nærmer seg menneskelige organer, brukte vi mage og spiserøret til griser som veide 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

Ambulerende pH-overvåking av patologisk refluks er en mulighet til å observere sammenhengen mellom symptomer og eksponering av spiserøret for sure eller ikke-sure refluksat. Dette dokumentet beskriver en metode for utvikling, produksjon og implantasjon av en trådløs pH-sensor i miniatyr. Sensoren er designet for å implanteres endoskopisk med en enkelt hemostatisk klips. En helt passiv rectenna-basert mottaker basert på en zero-bias Schottky diode er også konstruert og testet. For å konstruere enheten ble det brukt et tolags kretskort og hyllekomponenter. En miniatyrmikrokontroller med integrerte analoge eksterne enheter brukes som en analog frontende for den ionfølsomme ISFET-sensoren (Field-Effect Transistor) og til å generere et digitalt signal som overføres med en amplitude shift-nøkkelsenderbrikke. Enheten drives av to primære alkaliske celler. Den implanterbare enheten har et totalt volum på 0,6 cm3 og en vekt på 1,2 gram, og ytelsen ble verifisert i en ex vivo-modell (porcine spiserøret og magen). Deretter ble en passiv retennabasert mottaker med lite fotavtrykk som enkelt kan integreres enten i en ekstern mottaker eller den implanterbare nevrostimulatoren, konstruert og bevist å motta RF-signalet fra implantatet når det er i nærheten (20 cm) til det. Den lille størrelsen på sensoren gir kontinuerlig pH-overvåking med minimal hindring av spiserøret. Sensoren kan brukes i rutinemessig klinisk praksis for 24/96 h esophageal pH-overvåking uten å måtte sette inn et nesekateter. Mottakerens "nulleffekt" natur muliggjør også bruk av sensoren for automatisk in-vivo-kalibrering av miniatyr lavere esophageal sphincter nevrostimuleringsenheter. En aktiv sensorbasert kontroll gjør det mulig å utvikle avanserte algoritmer for å minimere den brukte energien for å oppnå et ønskelig klinisk resultat. Et av eksemplene på en slik algoritme ville være et lukket sløyfesystem for behovsbetinget nevrostimuleringsterapi av gastroøsofageal reflukssykdom (GERD).

En enhet som er i stand til autonom pH-sensor og trådløs overføring av pH-verdien, ble konstruert, som vist i figur 8. Den konstruerte enheten er en miniatyrmodell; den veier 1,2 g og har et volum på 0,6 cm3. De omtrentlige dimensjonene er 18 mm x 8,5 mm x 4,5 mm. Som vist i figur 15, figur 16 og figur 17, kan den implanteres til nærheten til den nedre spiserøret med et...

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 presenterer en miniatyr implanterbar pH-sensor med ASK-modulert trådløs utgang sammen med en helt passiv mottakerkrets basert på null-bias Schottky-dioder. Denne løsningen kan brukes som grunnlag i utviklingen av in vivo-kalibrerte elektrostimuleringsterapienheter og for ambulerende pH-overvåking.

Bygging av en trådløs-aktivert endoskopisk implanterbar sensor for pH-overvåking med zero-bias Schottky Diode-basert mottaker

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 fabrikasjonen av trådløs implanterbar pH-sensor som overfører data til en helt passiv mottaker, noe som muliggjør svært strømeffektiv levering av data fra en implanterbar enhet til en annen. Sensoren kan produseres for hånd og ved hjelp av vanlige teknikker. Deretter kan metoden for dataoverføring gjenbrukes direkte i utviklingen av forskjellige implanterbare enheter.Det er viktig å inspisere den trådløse pH-sensoren grundig etter hvert trinn. Komponentene som brukes til fabrikasjonen er svært små og kortslutninger eller feilplassering under fabrikasjonen kan forekomme. Til å begynne med, plasser ISFET pH-sensoren montert på en PCB på en flat overflate og lodd en 15 millimeter del fluorinert etylenpropylenbelagt kabel til loddbare elektroder på pH-sensoren uten å forurense fargestoff og PCB med flux.Bland minst to milliliter todelt epoksy for å innkapsle loddede elektroder og bruk deretter svart ugjennomsiktig epoksy til senere inspeksjon. Vær oppmerksom på den enkle synligheten av sensordeler som er utsatt for miljøet uten ugjennomsiktig epoksy. Overfør den blandede epoksyen til en en milliliter sprøyte med en 0,5 millimeter flat nål og belegge loddeområdet til pH-sensorer med epoksy, noe som sikrer belegg av hele området av PCB-elektroder og den eksponerte ledningen.Inspiser det belagte området under et mikroskop for ubestrøket eksponerte metalldeler. Etter å ha gjentatt beleggprosessen av ubestrøket metall, trim ledningene til lengde og vinkel, og belegge deretter endene med lodding for å unngå frynsing. Etter å ha plassert PCB med komponenter i en side opp-posisjon, påfør loddepasta på alle de eksponerte gullbelagte padsene.Deretter plasserer du passive og aktive komponenter ved hjelp av pinsett. Etter lodding og kjøling til romtemperatur, inspiser PCB under mikroskopet for å bekrefte plasseringen av komponentene og shortsen. Programmer fastvaren til mikrokontrolleren og sett opp programmeringsprogramvaren som beskrevet i teksten.Deretter stiller du programmereren til å drive enheten med en spenning på ca. 2,5 volt. Deretter av-lodder de fem ledningene etter programmering. Lodde to batteriholdere til motsatt del av PCB.Deretter lodder du pH-sensorenheten til terminalene på PCB, og setter deretter inn to AG1-batterier i batteriholderne. Etter å ha forberedt epoksy, innkapsle enheten med epoksy som tidligere beskrevet. La epoksy kurere ved romtemperatur.Fest trådkroken til enheten med en dråpe hurtigherdende epoksy. Etter herding ved romtemperatur kan pH-sensoren plasseres nederst til venstre på den implanterbare enheten. Lodd komponentene ved hjelp av loddepistolen.For å produsere rektalmottakeren igjen eller fortsette uten mottakermatching, bruk verdiene til komponentene som følger med her, og hopp over innspillingen av S11 Smith-diagrammet i neste trinn. Ellers lodder du SMA-kontakten til PCB. Koble en vektornettverksanalysatorinngang til SMA-kontakten.Registrer S11 Smith-diagrammet for rektalnaen. Vær oppmerksom på responsen og registrer impedansen. Bruk en impedans matchende kalkulatorprogramvare for å bestemme verdiene til samsvarende komponenter.Lodd impedans matchende komponenter og inspiser under et mikroskop for kortslutninger og komponentplassering. Etter å ha målt med spektrumanalysator igjen, må du bekrefte at spenningsstående bølgeforhold er under tre mellom 300 og 500 megahertz. Ellers gjentar du med forskjellige samsvarende komponenter.Når enheten er aktivert, legger du 24 timer etter at batteriet er innsetting, må du kontrollere sensorens utgang ved å observere signalet som vises i oscilloskopet. Forbered 2% saltsyreoppløsning og 100 millimolar bufferløsning av pH fire, pH syv og pH 10. Senk kapselen ned i hvert beger og registrer minst tre prøver.Mål perioden mellom andre og tredje puls. Og etter å ha fylt det ut i det medfølgende regnearket, bestem kalibreringskoeffisientene for pH-sensoren ved hjelp av regnearket. Etter å ha forberedt en ex vivo endoskopisk svinemodell av magen og et langt segment av spiserøret, ta tak i sensoren eksternt med et hemostatisk klips.Sett endoskopet med sensoren i klipsen på vanlig måte inn i modellen. Etter å ha plassert klipsen med sensoren nær den nedre esophageal sphincteren, roter endoskopet mot spiserøret, åpne klipsen og skyv deretter mot spiserøret. Lukk og slipp klipsen.Mens sensoren forblir festet til spiserørets vegg på ønsket sted, trekker du ut endoskopet. Plasser mottakeren innenfor 10 centimeter fra den implanterte sensoren. Injiser 50 milliliter av løsningene med ulike pH-verdier i spiserøret og følg endringene i sensorens respons.Trekk tilbake endoskopet etter hver injeksjon og les verdien ikke tidligere enn 30 sekunder etter injeksjon, og bruk regnearket til å beregne pH målt av sensoren. Vask spiserøret med 100 milliliter deionisert vann mellom injeksjonsløsninger med forskjellig pH. Når den passive retennamottakeren ble satt i nærheten av pH-sensorenheten, ble det observert klare spenningstopper når enheten ble sendt.De to første korte pulsene var synkroniseringspulser. Tiden mellom andre og tredje puls lineært oversettes til pH i miljøet som sensoren ble utsatt for. Basert på en enkel topunktskalibrering med bufferne til pH fire og pH 10 returnerte sensoren stabile og repeterbare pH-verdiavlesninger.Gjennomsnittlig og standardavvik for feil var 0,25 og 0,30 ved testing i løsninger og beger og var 0,31 og 0,36 i en ex vivo-modell. Effekten av en mobiltelefonantenne med et aktivt GSM-anrop hadde bare en mindre negativ effekt på å motta dataene fra sensoren som demonstrert i 20 centimeter, 10 centimeter og fem centimeter avstand mellom kanten av telefonen og mottakeren. Innkapslingen av sensoren må gjøres og inspiseres riktig for å forlenge levetiden til enheten når den implanteres.Deretter er riktig plassering av hemostatisk klipp kritisk. Denne forskningen baner vei for utvikling av trådløse nettverk av implanterbare enheter ved å skape en energieffektiv måte å overføre data spesielt fra mottakerens 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

Overvåking Protein Adsorpsjon 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 microneedle-baserte Sensor for Multiplexed Transdermal Electrochemical 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 cytometri: Protokoll for Daily Tuning og kjører 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: Bygging av en Flercellede 3D Stillas for levering av Lagdelte Cell Sheets

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

Bygging og karakterisering av en Novel 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

Biomembranen Fabrication av Løsemiddel assistert lipidbilag (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

Sanntidsovervåking av Intracellulær gallesyre Dynamics Ved hjelp av en genetisk kodet FRET baserte gallesyre 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

Utvinning av plantebaserte Kapsler for 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

Konstruksjon og oppsett av en Bench-skala alg fotosyntetisk bioreaktor med temperatur, lys og pH-overvåkning for kinetiske vekstprøver

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