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

Os autores reconhecem com gratidão a Universidade Charles (projeto GA UK No 176119) por apoiar este estudo. Este trabalho foi apoiado pelo programa de pesquisa da Universidade Charles PROGRES Q 28 (Oncologia).

Nenhum animal vivo participou deste estudo. O experimento foi realizado em um modelo ex vivo composto por um esôfago suíno e estômago. O estômago e o esôfago foram comprados de uma carnificina local como seu produto padrão. Este procedimento está de acordo com as leis tchecas, e preferimos isso devido ao princípio "3R" (Substituição, Redução e Refinamento).
1. Fabricação do conjunto do sensor de pH
NOTA: Observe as precauções para o manuseio d...

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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. 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. -. 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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>

Este método é adequado para pesquisadores que trabalham no desenvolvimento de novos dispositivos médicos implantáveis ativos. Requer um nível de proficiência na fabricação de protótipos eletrônicos com componentes de montagem de superfície. As etapas críticas do protocolo estão relacionadas à fabricação dos eletrônicos, especialmente a preenchimento dos PCBs, que é propenso a erros do operador na colocação e soldagem de pequenos componentes. Então, o encapsulamento correto é crucial para prolongar a...

O Consenso de Montreal define a doença do refluxo gastroesofágico (DRD) como "uma condição que se desenvolve ao refluxo o conteúdo do estômago causa sintomas e/ou complicações desagradáveis". Pode estar associado a outras complicações específicas, como restrições esofágicas, esôfago de Barrett ou adenocarcinoma esofágico. O GERD afeta aproximadamente 20% da população adulta, principalmente em países com alto status econômico1.
O monitoramento ambulatorial do refluxo patológico (tempo de exposição ácida superior a 6%) permite distinguir a relação entre sintomas e refluxo gastroesofágico ácido ou não ácido2,3. Em pacientes sem resposta à terapia do PPI (inibidor da bomba de prótons), o monitoramento do pH pode responder se é refluxo gastroesofágico patológico e por que o paciente não responde à terapia padrão do PPI. Várias opções de monitoramento de pH e impedância são oferecidas atualmente. Uma das novas possibilidades é o monitoramento sem fio usando dispositivos implantáveis4,5.
O GERD está associado à menor desordem esfíncter esofágico (LES), onde as contrações mostradas durante a manometria esofágica não são patológicas, mas têm uma amplitude reduzida no GERD de longo prazo. Les consiste em músculo liso e mantém contrações tônicas devido a fatores miogênicos e neurogênicos. Ele relaxa devido à inibição mediada por vagal envolvendo óxido nítrico como neurotransmissor6.
A estimulação elétrica com dois pares de eletrodos foi comprovadamente aumentando o tempo de contração do LES em um modelo de refluxo canino7. O relaxamento do LES, incluindo a pressão residual durante a deglutição, não foi afetado pela estimulação de baixa e alta frequência. A estimulação de alta frequência é uma escolha óbvia porque requer menos energia e prolonga a vida útil da bateria.
Embora o tratamento de eletroestimulação (ET) do esfíncter esofágico inferior seja um conceito relativamente novo no tratamento de pacientes com DDM, esta terapia mostrou-se segura e eficaz. Esta forma de tratamento tem sido demonstrada para proporcionar um alívio significativo e duradouro dos sintomas do GERD, eliminando a necessidade de tratamento do PPI e reduzindo a exposição ao ácido esofágico 8,9,10.
O atual sensor de pH de última geração para diagnóstico de GERD é o dispositivo Bravo11,12. Com um volume estimado de 1,7 cm3, pode ser implantado diretamente no esôfago com ou sem feedback endoscópico visual e fornece monitoramento de 24 h+ de pH no esôfago.
Considerando que a eletroestimulação é uma das alternativas mais promissoras para o tratamento do GERD não responder à terapia padrão8,13, faz sentido fornecer os dados do sensor de pH para o neuroestimulador. As pesquisas recentes mostram um caminho claro para o desenvolvimento futuro neste campo que levará a dispositivos implantáveis rígidos, que residirão no local da neuroestimulação14,15. Para isso, o ISFET (transistor sensível ao efeito de campo) é um dos melhores tipos de sensores devido à sua natureza em miniatura, à possibilidade de integração on-chip de um eletrodo de referência (ouro neste caso) e sensibilidade suficientemente alta. No silício, o ISFET se assemelha à estrutura de um MOSFET padrão (Transistor de Efeito de Campo semicondutor de óxido de metal). No entanto, o portão, normalmente conectado a um terminal elétrico, é substituído por uma camada de material ativo em contato direto com o ambiente circundante. No caso de ISFETs sensíveis ao pH, esta camada é formada por nitreto de silício (Si3N4)16.
A principal desvantagem dos dispositivos implantáveis endoscopicamente é a limitação inerente do tamanho da bateria, o que pode levar a uma vida útil reduzida desses dispositivos ou motivar os fabricantes a desenvolver algoritmos avançados que fornecerão o efeito necessário a um custo de energia menor. Um dos exemplos de tal algoritmo seria um sistema de loop fechado para a terapia de neuroestimulação sob demanda do GERD. Semelhante aos medidores de glicose contínua (CGM) + sistemas de bomba de insulina17, tal sistema empregaria um sensor de pH esofágico ou outro sensor para detectar a pressão atual do esfíncter esofágico inferior juntamente com uma unidade de neuroestimulação.
A resposta à terapia de neuroestimulação e os requisitos para padrões de neuroestimulação podem ser individuais13. Assim, é importante desenvolver sensores independentes que possam ser utilizados tanto para diagnóstico quanto para caracterização da disfunção ou para participar ativamente na calibração do sistema de neuroestimulação de acordo com as exigências individuais dos pacientes18. Esses sensores devem ser tão pequenos quanto possível para não afetar a funcionalidade normal do órgão.
Este manuscrito descreve um método de design e fabricação de um sensor de pH baseado em ISFET com transmissor de chaveamento de amplitude (ASK) e um receptor passivo de rectenna de pequena pegada. Com base na arquitetura simples da solução, os dados de pH podem ser recebidos por um receptor externo ou até mesmo pelo neuroestimulador implantável sem qualquer volume significativo ou penalidade de potência. A modulação ASK é escolhida devido à natureza do receptor passivo, que só é capaz de detectar a potência de sinal RF recebida (muitas vezes chamada de "força de sinal recebida"). O diagrama esquemático, que é incorporado como material suplementar, mostra a construção do dispositivo. É alimentado diretamente a partir de duas baterias alcalinas AG1, que fornecem uma tensão entre 2.0-3.0 V (com base no estado de carga). As baterias alimentam o microcontrolador interno, que utiliza seu ADC (conversor analógico-digital), DAC (conversor digital-analógico), amplificador de operação interna e periféricos FVR (referência de tensão fixa) para viés do sensor ISFET pH. A tensão "portão" resultante (o eletrodo de referência de ouro) é proporcional ao pH do ambiente circundante. Uma corrente de Ids estável é fornecida por um resistor de sensoriamento R2 de lado baixo. A fonte do sensor ISFET está conectada à entrada não invertida do amplificador operacional, enquanto a entrada invertida está conectada à tensão de saída do módulo DAC definido para 960 mV. A saída do amplificador operacional está conectada ao pino de drenagem do ISFET. Este amplificador operacional regula a tensão de drenagem para que a diferença de tensão no resistor R2 seja sempre de 960 mV; assim, uma corrente de viés constante de 29 μA flui através do ISFET (quando em operação normal). A tensão do portão é então medida com um ADC. O microcontrolador então alimenta o transmissor RF através de um dos pinos GPIO (entrada/saída de propósito geral) e transmite a sequência. O circuito de transmissor RF envolve uma rede de cristal e correspondência que corresponde à saída a 50 Ω impedância.
Para os experimentos demonstrados aqui, usamos um estômago de porco com uma longa seção do esôfago montada em um modelo de plástico padronizado. Este é um modelo comumente utilizado para a prática de técnicas endoscópicas como ESD (dissecção submucosal endoscópica), POEMA (motomia endoscópica oral), ressecção mucosa endoscópica (EMR), hemostasia, etc. Quanto aos parâmetros anatômicos mais próximos possíveis que se aproximam dos órgãos humanos, utilizamos o estômago e o esôfago de porcos pesando 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>
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construction of a wireless-enabled endoscopically implantable sensor for ph monitoring with zero-bias schottky diode-based receiver

O monitoramento ambulatorial do refluxo patológico é uma oportunidade de observar a relação entre sintomas e exposição do esôfago ao refluxo ácido ou não ácido. Este artigo descreve um método para o desenvolvimento, fabricação e implantação de um sensor de pH habilitado para sem fio em miniatura. O sensor foi projetado para ser implantado endoscopicamente com um único clipe hemostático. Um receptor totalmente passivo baseado em rectenna baseado em um diodo schottky de viés zero também é construído e testado. Para construir o dispositivo, foram utilizados uma placa de circuito impressa em duas camadas e componentes fora da prateleira. Um microcontrolador em miniatura com periféricos analógicos integrados é usado como uma extremidade frontal analógica para o sensor de transistor de efeito de campo sensível a íons (ISFET) e para gerar um sinal digital que é transmitido com um chip transmissor de chave de mudança de amplitude. O dispositivo é alimentado por duas células alcalinas primárias. O dispositivo implantável tem um volume total de 0,6 cm3 e um peso de 1,2 gramas, e seu desempenho foi verificado em um modelo ex vivo (esôfago suíno e estômago). Em seguida, um receptor passivo de pequena pegada à base de rectenna que pode ser facilmente integrado a um receptor externo ou ao neuroestimulador implantável, foi construído e comprovado a receber o sinal RF do implante quando próximo (20 cm) a ele. O pequeno tamanho do sensor fornece monitoramento contínuo de pH com obstrução mínima do esôfago. O sensor pode ser usado na prática clínica de rotina para monitoramento de pH esofágico de 24/96 h sem a necessidade de inserir um cateter nasal. A natureza "de potência zero" do receptor também permite o uso do sensor para calibração in vivo automática de dispositivos de neuroestimulação de esfíncter esofágico inferior em miniatura. Um controle ativo baseado em sensores permite o desenvolvimento de algoritmos avançados para minimizar a energia usada para alcançar um resultado clínico desejável. Um dos exemplos de tal algoritmo seria um sistema de loop fechado para a terapia de neuroestimulação sob demanda da doença do refluxo gastroesofágico (DRD).

Um dispositivo capaz de sensoriamento de pH autônomo e transmissão sem fio do valor do pH foi construído com sucesso, como mostrado na Figura 8. O dispositivo construído é um modelo em miniatura; pesa 1,2 g e tem um volume de 0,6 cm3. As dimensões aproximadas são 18 mm x 8,5 mm x 4,5 mm. Como mostrado na Figura 15, Figura 16 e Figura 17, pode ser implantado à proximid...

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

O manuscrito apresenta um sensor de pH implantável em miniatura com saída sem fio modulada ASK, juntamente com um circuito receptor totalmente passivo baseado em diodos schottky de viés zero. Esta solução pode ser utilizada como base no desenvolvimento de dispositivos de terapia de eletroestimulação calibrada in vivo e para monitoramento ambulatorial de pH.

Construção de um sensor endoscopicamente implantável habilitado para sem fio para monitoramento de pH com receptor baseado em diodo schottky de viés zero

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

O protocolo mostra a fabricação de sensor de pH implantável sem fio que transmite dados para um receptor totalmente passivo, permitindo a entrega muito eficiente de dados de um dispositivo implantável para outro. O sensor pode ser fabricado à mão e por técnicas comumente disponíveis. Em seguida, o método de transmissão de dados pode ser reutilizado diretamente no desenvolvimento de diferentes dispositivos implantáveis.É fundamental inspecionar completamente o sensor de pH sem fio após cada passo. Os componentes utilizados para sua fabricação são muito pequenos e curtos-circuitos ou extravio durante a fabricação podem ocorrer. Para começar, coloque o sensor isfet pH montado em um PCB em uma superfície plana e solde uma seção de 15 milímetros de cabo revestido de etileno fluorado nos eletrodos solda cíveis do sensor pH sem contaminar corante e PCB com fluxo.Misture um mínimo de dois mililitros de epóxi de duas partes para encapsular os eletrodos soldados e, em seguida, use epóxi opaco preto para inspeção posterior. Observe a fácil visibilidade das peças dos sensores expostas ao ambiente sem epóxi opaco. Transfira o epóxi misto para uma seringa de um mililitro com uma agulha de 0,5 milímetros e cubra a área de solda dos sensores de pH com epóxi, garantindo o revestimento de toda a área de eletrodos PCB e o fio exposto.Inspecione a área revestida sob um microscópio para obter peças metálicas expostas não revestidas. Depois de repetir o processo de revestimento de metal não revestido, corte os fios ao comprimento e ângulo, em seguida, cubra as extremidades com solda para evitar a desgastação. Depois de colocar PCB com componentes em uma posição lateral para cima, aplique pasta de solda em todas as almofadas banhadas a ouro expostas.Em seguida, coloque componentes passivos e ativos usando pinças. Após soldar e resfriar até a temperatura ambiente, inspecione o PCB sob o microscópio para verificar a colocação dos componentes e shorts. Programe o firmware para o micro controlador e configure o software de programação conforme descrito no texto.Em seguida, defina o programador para alimentar o dispositivo com uma tensão de aproximadamente 2,5 volts. Em seguida, des soldar os cinco fios após a programação. Soldar dois suportes de bateria para a parte oposta do PCB.Em seguida, solde o conjunto do sensor de pH nos terminais do PCB e, em seguida, insira duas baterias AG1 nos porta-baterias. Depois de preparar o epóxi, encapsular o dispositivo com o epóxi como descrito anteriormente. Deixe a cura epóxi à temperatura ambiente.Conecte o gancho de arame ao dispositivo com uma gota de epóxi de cura rápida. Após a cura à temperatura ambiente, o sensor de pH pode estar localizado no lado inferior esquerdo do dispositivo implantável. Soldar os componentes usando a arma de solda.Para fabricar o receptor de rectenna novamente ou prosseguir sem correspondência do receptor, use os valores dos componentes fornecidos aqui e pule a gravação do gráfico S11 Smith na próxima etapa. Caso contrário, solde o conector SMA para o PCB. Conecte uma entrada do analisador de rede vetorial ao conector SMA.Registo o gráfico S11 Smith da rectenna. Observe a resposta e regise a impedância. Use um software calculador de correspondência de impedância para determinar os valores dos componentes correspondentes.Soldar os componentes correspondentes de impedância e inspecionar sob um microscópio para curtos-circuitos e colocação de componentes. Depois de medir novamente com analisador de espectro, confirme que a relação de onda permanente de tensão está abaixo de três entre 300 e 500 mega-hertz. Caso contrário, repita com diferentes componentes correspondentes.Depois que o dispositivo for ativado após 24 horas da inserção da bateria, inspecione a saída do sensor observando o sinal mostrado no osciloscópio. Prepare 2% solução de ácido clorídrico e solução tampão de 100 milimões de pH quatro, pH sete e pH 10. Submergir a cápsula em cada béquer e gravar pelo menos três amostras.Meça o período entre o segundo e o terceiro pulso. E depois de preenchê-lo na planilha fornecida, determine os coeficientes de calibração para o sensor de pH usando a planilha. Depois de preparar um modelo suíno ex vivo endoscópico do estômago e um longo segmento do esôfago, segure o sensor externamente com um clipe hemostático.Insira o endoscópio com o sensor no clipe da maneira padrão no modelo. Depois de colocar o clipe com o sensor perto do esfíncter esofágico inferior, gire o endoscópio contra a parede do esôfago, abra o clipe e empurre em direção à parede esofágica. Feche e libere o clipe.Enquanto o sensor permanece ligado à parede do esôfago no local desejado, extraia o endoscópio. Coloque o receptor dentro de 10 centímetros do sensor implantado. Injete 50 mililitros das soluções com vários valores de pH no esôfago e observe as mudanças na resposta do sensor.Retraia o endoscópio após cada injeção e leia o valor não antes de 30 segundos após a injeção e use a planilha para calcular o pH medido pelo sensor. Lave o esôfago com 100 mililitros de água deionizada entre soluções de injeção com pH diferente. Quando o receptor de retenna passiva foi colocado na proximidade do dispositivo de detecção de pH, foram observados picos de tensão claro quando o dispositivo estava transmitindo.Os dois primeiros pulsos curtos foram pulsos de sincronização. O tempo entre o segundo e o terceiro pulso se traduz linearmente no pH do ambiente a que o sensor foi submetido. Baseado em uma simples calibração de dois pontos com os buffers de pH quatro e pH 10, o sensor retornou leituras de valor de pH estáveis e repetiveis.O desvio médio e padrão de erros foi de 0,25 e 0,30 quando testado em soluções e bicos e foram 0,31 e 0,36 em um modelo ex vivo. O efeito de uma antena de telefone celular com uma chamada GSM ativa teve apenas um pequeno efeito negativo no recebimento dos dados do sensor, como demonstrado por 20 centímetros, 10 centímetros e cinco centímetros de distância entre a borda do telefone e o receptor. O encapsulamento do sensor deve ser feito e inspecionado adequadamente para prolongar a vida útil do dispositivo quando implantado.Em seguida, a colocação correta do clipe hemostático é crítica. Esta pesquisa abre caminho para o desenvolvimento de redes sem fio de dispositivos implantáveis, criando uma maneira eficiente de transferir dados especialmente do ponto de vista receptor.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Biomolecular Detection employing the Interferometric Reflectance Imaging Sensor (IRIS)

Biomolecular Detection employing the Interferometric Reflectance Imaging Sensor IRIS

Detecção de Biomolecular empregando o sensor de imagem Interferometric Reflectância (IRIS)

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

Bioengenharia

Monitoring Protein Adsorption with Solid-state Nanopores

Monitoramento adsorção de proteínas com Solid-state Nanoporos

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

Sensor de microagulhas baseado oco para Multiplexed Transdermal Eletroquímica 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

Citometria de massa: Protocolo para Ajuste Diário e amostras de células em execução em um citômetro de Massa 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

Engenharia de Tecidos: Construção de um multicelular 3D andaime para a entrega de camadas celulares 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

Construção e Caracterização de um biorreator Fold 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 pelo Solvent-assistida Lipid bicamada (SALB) Método

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

Monitoramento em Tempo Real de intracelular Bile Ácido Dynamics usando um sensor Ácido Bile baseado em FRET codificados geneticamente

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

Cápsulas à base de plantas de extração de para aplicações de microencapsulação

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

Construção e configuração de um Bioreactor Fotossintético Algal com Escala de Banco com Monitoramento de Temperatura, Luz e pH para testes de crescimento cinético

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