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

Los autores agradecen a la Universidad Charles (proyecto GA UK No 176119) por apoyar este estudio. Este trabajo fue apoyado por el programa de investigación de la Universidad Charles PROGRES Q 28 (Oncología).

Ningún animal vivo participó en este estudio. El experimento se realizó en un modelo ex vivo que consiste en un esófago porcino y estómago. El estómago y el esófago se compraron en una carnicería local como su producto estándar. Este procedimiento está de acuerdo con las leyes checas, y lo preferimos debido al principio "3R" (Reemplazo, Reducción y Refinamiento).
1. Fabricación del conjunto del sensor de pH
NOTA: Observe las precauciones para mani...

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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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(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 es adecuado para investigadores que trabajan en el desarrollo de nuevos dispositivos médicos implantables activos. Requiere un nivel de competencia en la fabricación de prototipos electrónicos con componentes de montaje en superficie. Los pasos críticos en el protocolo están relacionados con la fabricación de la electrónica, especialmente el llenado de los PCB, que es propenso a errores del operador en la colocación y soldadura de componentes pequeños. Luego, la encapsulación correcta es crucial pa...

El Consenso de Montreal define la enfermedad por reflujo gastroesofágico (ERGE) como "una condición que se desarrolla cuando el reflujo del contenido del estómago causa síntomas desagradables y / o complicaciones". Puede estar asociado con otras complicaciones específicas como estenosis esofágicas, esófago de Barrett o adenocarcinoma de esófago. La ERGE afecta aproximadamente al 20% de la población adulta, principalmente en países con alto estatus económico1.
La monitorización ambulatoria del pH del reflujo patológico (tiempo de exposición ácida superior al 6%) permite distinguir la relación entre síntomas y reflujo gastroesofágico ácido o no ácido2,3. En pacientes que no responden a la terapia con IBP (inhibidor de la bomba de protones), la monitorización del pH puede responder si se trata de reflujo gastroesofágico patológico y por qué el paciente no responde a la terapia estándar con IBP. Actualmente se ofrecen varias opciones de monitoreo de pH e impedancia. Una de las nuevas posibilidades es la monitorización inalámbrica mediante dispositivos implantables4,5.
La ERGE se asocia con el trastorno del esfínter esofágico inferior (EEI), donde las contracciones mostradas durante la manometría esofágica no son patológicas, pero tienen una amplitud reducida en la ERGE a largo plazo. EL SE consiste en músculo liso y mantiene las contracciones tónicas debido a factores miogénicos y neurogénicos. Se relaja debido a la inhibición mediada por vagales que involucra óxido nítrico como neurotransmisor6.
Se comprobó que la estimulación eléctrica con dos pares de electrodos aumenta el tiempo de contracción del LES en un modelo de reflujo canino7. La relajación del EEI, incluida la presión residual durante la deglución, no se vio afectada por la estimulación de baja y alta frecuencia. La estimulación de alta frecuencia es una opción obvia porque requiere menos energía y extiende la duración de la batería.
Aunque el tratamiento de electroestimulación (ET) del esfínter esofágico inferior es un concepto relativamente nuevo en el tratamiento de pacientes con ERGE, esta terapia demostró ser segura y efectiva. Se ha demostrado que esta forma de tratamiento proporciona un alivio significativo y duradero de los síntomas de la ERGE, al tiempo que elimina la necesidad de tratamiento con IBP y reduce la exposición al ácido esofágico8,9,10.
El actual sensor de pH de última generación para el diagnóstico de ERGE es el dispositivo Bravo11,12. A un volumen estimado de 1,7 cm3, se puede implantar directamente en el esófago con o sin retroalimentación endoscópica visual y proporciona una monitorización de 24 h + del pH en el esófago.
Teniendo en cuenta que la terapia de electroestimulación es una de las alternativas más prometedoras para tratar la ERGE que no responde a la terapia estándar8,13, tiene sentido proporcionar los datos del sensor de pH al neuroestimulador. La reciente investigación muestra un camino claro hacia el desarrollo futuro en este campo que conducirá a dispositivos implantables rígidos todo en uno que residirán en el sitio de la neuroestimulación14,15. Para este propósito, el ISFET (transistor de efecto de campo sensible a los iones) es uno de los mejores tipos de sensores debido a su naturaleza en miniatura, la posibilidad de integración en chip de un electrodo de referencia (oro en este caso) y una sensibilidad suficientemente alta. En silicio, el ISFET se asemeja a la estructura de un MOSFET estándar (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Sin embargo, la compuerta, normalmente conectada a un terminal eléctrico, es reemplazada por una capa de material activo en contacto directo con el entorno circundante. En el caso de los ISFET sensibles al pH, esta capa está formada por nitruro de silicio (Si3N4)16.
La principal desventaja de los dispositivos implantables endoscópicamente es la limitación inherente del tamaño de la batería, lo que puede conducir a una vida útil reducida de estos dispositivos o motivar a los fabricantes a desarrollar algoritmos avanzados que ofrecerán el efecto requerido a un menor costo de energía. Uno de los ejemplos de tal algoritmo sería un sistema de circuito cerrado para la terapia de neuroestimulación bajo demanda de ERGE. Similar a los medidores continuos de glucosa (CGM) + sistemas de bomba de insulina17, dicho sistema emplearía un sensor de pH esofágico u otro sensor para detectar la presión actual del esfínter esofágico inferior junto con una unidad de neuroestimulación.
La respuesta a la terapia de neuroestimulación y los requerimientos de patrones de neuroestimulación pueden ser individuales13. Por lo tanto, es importante desarrollar sensores independientes que puedan ser utilizados para el diagnóstico y caracterización de la disfunción o para participar activamente en la calibración del sistema de neuroestimulación de acuerdo con los requisitos individuales de los pacientes18. Estos sensores deben ser lo más pequeños posible para no afectar la funcionalidad normal del órgano.
Este manuscrito describe un método de diseño y fabricación de un sensor de pH basado en ISFET con transmisor de tecla de desplazamiento de amplitud (ASK) y un receptor pasivo basado en rectenna de tamaño pequeño. Basado en la arquitectura simple de la solución, los datos de pH pueden ser recibidos por un receptor externo o incluso por el neuroestimulador implantable sin ninguna penalización significativa de volumen o potencia. La modulación ASK se elige debido a la naturaleza del receptor pasivo, que solo es capaz de detectar la potencia de la señal de RF recibida (a menudo llamada "intensidad de la señal recibida"). El diagrama esquemático, que está incrustado como material complementario, muestra la construcción del dispositivo. Se alimenta directamente de dos baterías alcalinas AG1, que proporcionan un voltaje entre 2.0-3.0 V (según el estado de carga). Las baterías alimentan el microcontrolador interno, que utiliza su ADC (convertidor analógico a digital), DAC (convertidor digital a analógico), amplificador de operación interna y periféricos FVR (referencia de voltaje fijo) para sesgar el sensor de pH ISFET. El voltaje de "compuerta" resultante (el electrodo de referencia de oro) es proporcional al pH del entorno circundante. Una corriente Ids estable es proporcionada por una resistencia de detección R2 de lado bajo. La fuente del sensor ISFET está conectada a la entrada no inversora del amplificador operacional, mientras que la entrada inversora está conectada a la tensión de salida del módulo DAC establecida en 960 mV. La salida del amplificador operacional está conectada al pin de drenaje del ISFET. Este amplificador operacional regula el voltaje de drenaje para que la diferencia de voltaje en la resistencia R2 sea siempre de 960 mV; por lo tanto, una corriente de sesgo constante de 29 μA fluye a través del ISFET (cuando está en funcionamiento normal). El voltaje de la compuerta se mide con un ADC. Luego, el microcontrolador enciende el transmisor de RF a través de uno de los pines GPIO (entrada / salida de propósito general) y transmite la secuencia. El circuito transmisor de RF implica una red de cristal y coincidencia que coincide con la salida a 50 Ω impedancia.
Para los experimentos demostrados aquí, utilizamos un estómago de cerdo con una sección larga del esófago montada en un modelo de plástico estandarizado. Este es un modelo comúnmente utilizado para practicar técnicas endoscópicas como ESD (disección submucosa endoscópica), POEM (miotomía endoscópica oral), resección endoscópica de la mucosa (EMR), hemostasia, etc. En cuanto a los parámetros anatómicos más cercanos posibles a los órganos humanos, utilizamos el estómago y el esófago de cerdos que pesan 40-50 kg.

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	<tbody>
		<tr>
			<td>AG1 battery</td>
			<td>Panasonic</td>
			<td>SR621SW</td>
			<td>Two batteries per one implant</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Battery holder</td>
			<td>MYOUNG</td>
			<td>MY-521-01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Copper enamel wire for the antenna</td>
			<td>pro-POWER</td>
			<td>QSE Wire - 0.15 mm diameter, 38 SWG</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Epoxy for encapsulation</td>
			<td>Loctite</td>
			<td>EA M-31 CL</td>
			<td>Two-part medical-grade ISO10993 compliant epoxy</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FEP cable for pH sensor</td>
			<td>Molex / Temp-Flex</td>
			<td>100057-0273</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flux cleaner</td>
			<td>Shesto</td>
			<td>UTFLLU05</td>
			<td>Prepare 5% solution in deionized water for cleaning by sonication</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hemostatic clip</td>
			<td>Boston Scientific</td>
			<td>Resolution</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hot air gun + soldering iron</td>
			<td>W.E.P.</td>
			<td>Model 706</td>
			<td>Any soldering iron capable of soldering with tin and hot-air gun capable of maintaining 260 &#176;C can be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Impedance matching software</td>
			<td>Iowa Hills Software</td>
			<td>Smith Chart</td>
			<td>Can be downloaded from http://www.iowahills.com/9SmithChartPage.html - alternatively, any RF design software supports calculation of impedance matching components</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ISFET pH sensor on a PCB</td>
			<td>WinSense</td>
			<td>WIPS</td>
			<td>Order a model pre-mounted on a PCB with on-chip gold reference electrode</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laboratory pH meter</td>
			<td>Hanna Instruments</td>
			<td>HI2210-02</td>
			<td>Used with HI1131B glass probe</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microcontorller programmer</td>
			<td>Microchip</td>
			<td>PICkit 3</td>
			<td>Other PIC16 compatible programmers can be also used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pig stomach with esophagus</td>
			<td>Local pig farm</td>
			<td>Obtained from approx. 40&#8211;50 kg pig</td>
			<td>It is important that the stomach includes a full length of the esophagus.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Printed circuit board - receiver</td>
			<td>Choose preferred PCB supplier</td>
			<td>According to pcb2.zip data</td>
			<td>One layer, 0.8 mm thickness, FR4, no mask</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Printed circuit board - sensor</td>
			<td>Choose preferred PCB supplier</td>
			<td>According to pcb1.zip data</td>
			<td>Two-layer with PTH, 0.6 mm thickness, FR4, 2x mask</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Receiver - 0R</td>
			<td>Vishay</td>
			<td>CRCW04020000Z0EDC</td>
			<td>See Figure 12 and Figure 13 for placement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Receiver - 1.5 pF</td>
			<td>Murata</td>
			<td>GRM0225C1C1R5CA03L</td>
			<td>See Figure 12 and Figure 13 for placement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Receiver - 100 pF</td>
			<td>Murata</td>
			<td>GRM0225C1E101JA02L</td>
			<td>See Figure 12 and Figure 13 for placement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Receiver - 33 nH</td>
			<td>Pulse Electronics</td>
			<td>PE-0402CL330JTT</td>
			<td>See Figure 12 and Figure13 for placement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Receiver - RF schottky diodes</td>
			<td>MACOM</td>
			<td>MA4E2200B1-287T</td>
			<td>See Figure 12 and Figure 13 for placement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Receiver - SMA antenna</td>
			<td>LPRS</td>
			<td>ANT-433MS</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Receiver - SMA connector</td>
			<td>Linx Technologies</td>
			<td>CONSMA001</td>
			<td>See Figure 12 and Figure 13 for placement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - C1</td>
			<td>Murata</td>
			<td>GRM0225C1H8R0DA03L</td>
			<td>8 pF 0402 capacitor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - C2</td>
			<td>Murata</td>
			<td>GRM0225C1H8R0DA03L</td>
			<td>8 pF 0402 capacitor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - C3</td>
			<td>Murata</td>
			<td>GCM155R71H102KA37D</td>
			<td>1 nF 0402 capacitor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - C4</td>
			<td>Murata</td>
			<td>GRM0225C1H1R8BA03L</td>
			<td>1.8 pF</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - C5</td>
			<td>Vishay</td>
			<td>CRCW04020000Z0EDC</td>
			<td>Place 0R 0402 resistor or use to match the antenna</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - C6</td>
			<td>Murata</td>
			<td>GRM155C81C105KE11J</td>
			<td>1 uF 0402 capacitor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - C7</td>
			<td>Murata</td>
			<td>GRM155C81C105KE11J</td>
			<td>1 uF 0402 capacitor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - C8</td>
			<td>Murata</td>
			<td>GRM022R61A104ME01L</td>
			<td>100 nF 0402 capacitor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - IC1</td>
			<td>Microchip</td>
			<td>MICRF113YM6-TR</td>
			<td>MICRF113 RF transmitter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - IC2</td>
			<td>Microchip</td>
			<td>PIC16LF1704-I/ML</td>
			<td>PIC16LF1704 low-power microcontroller</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - R1</td>
			<td>Vishay</td>
			<td>CRCW040210K0FKEDC</td>
			<td>10 kOhm 0402 resistor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - R2</td>
			<td>Vishay</td>
			<td>CRCW040233K0FKEDC</td>
			<td>33 kOhm 0402 resistor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - R3</td>
			<td>Vishay</td>
			<td>CRCW04021K00FKEDC</td>
			<td>1 kOhm 0402 resistor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - R5</td>
			<td>Vishay</td>
			<td>CRCW040210K0FKEDC</td>
			<td>10 kOhm 0402 resistor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor - X1</td>
			<td>ABRACON</td>
			<td>ABM8W-13.4916MHZ-8-J2Z-T3</td>
			<td>3.2 x 2.5 mm 13.4916 MHz 8 pF crystal</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Titanium wire</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>GF36846434</td>
			<td>0.125 mm titanium wire</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vector network analyzer</td>
			<td>mini RADIO SOLUTIONS</td>
			<td>miniVNA Tiny</td>
			<td>Other vector network analyzers can be used - the required operation frequency is 300&#8211;500 MHz, resolution bandwidth equal or lower than 1 MHz, output power of no more than 0 dBm and dynamic range preferably better than 60 dB for the receiving front-end</td>
		</tr>
	</tbody>
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construction of a wireless-enabled endoscopically implantable sensor for ph monitoring with zero-bias schottky diode-based receiver

La monitorización ambulatoria del pH del reflujo patológico es una oportunidad para observar la relación entre los síntomas y la exposición del esófago al reflujo ácido o no ácido. Este artículo describe un método para el desarrollo, fabricación e implantación de un sensor de pH inalámbrico en miniatura. El sensor está diseñado para ser implantado endoscópicamente con un solo clip hemostático. También se construye y prueba un receptor totalmente pasivo basado en rectenna basado en un diodo Schottky de sesgo cero. Para construir el dispositivo, se utilizó una placa de circuito impreso de dos capas y componentes listos para usar. Un microcontrolador en miniatura con periféricos analógicos integrados se utiliza como extremo frontal analógico para el sensor de transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET) y para generar una señal digital que se transmite con un chip transmisor de tecla de cambio de amplitud. El dispositivo es alimentado por dos células alcalinas primarias. El dispositivo implantable tiene un volumen total de 0,6 cm3 y un peso de 1,2 gramos, y su rendimiento se verificó en un modelo ex vivo (esófago porcino y estómago). A continuación, se construyó un receptor pasivo basado en rectenna de pequeña huella que se puede integrar fácilmente en un receptor externo o en el neuroestimulador implantable, y se demostró que recibe la señal de RF del implante cuando está cerca (20 cm) de él. El pequeño tamaño del sensor proporciona un monitoreo continuo del pH con una obstrucción mínima del esófago. El sensor podría utilizarse en la práctica clínica habitual para la monitorización del pH esofágico las 24/96 horas sin necesidad de insertar un catéter nasal. La naturaleza de "potencia cero" del receptor también permite el uso del sensor para la calibración automática in vivo de dispositivos de neuroestimulación del esfínter esofágico inferior en miniatura. Un control activo basado en sensores permite el desarrollo de algoritmos avanzados para minimizar la energía utilizada para lograr un resultado clínico deseable. Uno de los ejemplos de tal algoritmo sería un sistema de circuito cerrado para la terapia de neuroestimulación bajo demanda de la enfermedad por reflujo gastroesofágico (ERGE).

Se construyó con éxito un dispositivo capaz de detección autónoma de pH y transmisión inalámbrica del valor de pH, como se muestra en la Figura 8. El dispositivo construido es un modelo en miniatura; pesa 1,2 g y tiene un volumen de 0,6 cm3. Las dimensiones aproximadas son 18 mm x 8,5 mm x 4,5 mm. Como se muestra en la Figura 15, figura 16 y Figura 17, se puede implanta...

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

El manuscrito presenta un sensor de pH implantable en miniatura con salida inalámbrica modulada ASK junto con un circuito receptor totalmente pasivo basado en diodos Schottky de sesgo cero. Esta solución se puede utilizar como base en el desarrollo de dispositivos de terapia de electroestimulación calibrada in vivo y para la monitorización ambulatoria del pH.

Construcción de un sensor implantable endoscópicamente habilitado para la tecnología inalámbrica para el monitoreo del pH con receptor basado en diodo Schottky de sesgo cero

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

El protocolo muestra la fabricación de un sensor de pH implantable inalámbrico que transmite datos a un receptor totalmente pasivo, lo que permite una entrega de datos muy eficiente en el consumo de energía de un dispositivo implantable a otro. El sensor se puede fabricar a mano y mediante técnicas comúnmente disponibles. A continuación, el método de transmisión de datos se puede reutilizar directamente en el desarrollo de diferentes dispositivos implantables.Es fundamental inspeccionar a fondo el sensor de pH inalámbrico después de cada paso. Los componentes utilizados para su fabricación son muy pequeños y pueden producirse cortocircuitos o extravíos durante la fabricación. Para empezar, coloque el sensor de pH ISFET montado en una PCB en una superficie plana y suelde una sección de 15 milímetros de cable recubierto de etileno propileno fluorado a los electrodos soldables del sensor de pH sin tinte contaminante y PCB con fundente.Mezcle un mínimo de dos mililitros de epoxi de dos partes para encapsular los electrodos soldados y luego use epoxi opaco negro para una inspección posterior. Observe la fácil visibilidad de las piezas del sensor expuestas al medio ambiente sin epoxi opaco. Transfiera el epoxi mixto a una jeringa de un mililitro con una aguja plana de 0,5 milímetros y cubra el área de soldadura de los sensores de pH con epoxi, asegurando el recubrimiento de toda el área de los electrodos de PCB y el cable expuesto.Inspeccione el área recubierta bajo un microscopio en busca de piezas metálicas expuestas no recubiertas. Después de repetir el proceso de recubrimiento de metal sin recubrimiento, recorte los cables a la longitud y el ángulo, luego cubra los extremos con soldadura para evitar que se deshilachen. Después de colocar pcb con componentes en una posición lateral hacia arriba, aplique pasta de soldadura a todas las almohadillas doradas expuestas.A continuación, coloque los componentes pasivos y activos utilizando pinzas. Después de soldar y enfriar a temperatura ambiente, inspeccione la PCB bajo el microscopio para verificar la colocación de los componentes y los cortocircuitos. Programe el firmware en el microcontrolador y configure el software de programación como se describe en el texto.A continuación, configure el programador para alimentar el dispositivo con un voltaje de aproximadamente 2,5 voltios. Luego dessoldara los cinco cables después de la programación. Suelde dos soportes de batería a la parte opuesta de la PCB.A continuación, suelde el conjunto del sensor de pH a los terminales de la PCB, luego inserte dos baterías AG1 en los soportes de la batería. Después de preparar el epoxi, encapsule el dispositivo con el epoxi como se describió anteriormente. Deje que el epoxi se cure a temperatura ambiente.Conecte el gancho de alambre al dispositivo con una gota de epoxi de curado rápido. Después del curado a temperatura ambiente, el sensor de pH podría ubicarse en la parte inferior izquierda del dispositivo implantable. Suelde los componentes con la pistola de soldadura.Para fabricar el receptor rectenna de nuevo o continuar sin que el receptor coincida, utilice los valores de los componentes proporcionados aquí y omita la grabación del gráfico S11 Smith en el siguiente paso. De lo contrario, suelde el conector SMA a la PCB. Conecte una entrada de analizador de red vectorial al conector SMA.Graba el gráfico S11 Smith de la rectenna. Observa la respuesta y registra la impedancia. Utilice un software de calculadora de coincidencia de impedancia para determinar los valores de los componentes coincidentes.Suelde los componentes que coinciden con la impedancia e inspeccione bajo un microscopio los cortocircuitos y la colocación de los componentes. Después de medir con el analizador de espectro nuevamente, confirme que la relación de onda estacionaria de voltaje es inferior a tres entre 300 y 500 megahercios. De lo contrario, repita con diferentes componentes coincidentes.Después de activar el dispositivo después de las 24 horas de la inserción de la batería, inspeccione la salida del sensor observando la señal que se muestra en el osciloscopio. Prepare una solución de ácido clorhídrico al 2% y una solución tampón milimolar de 100 milimolares de pH cuatro, pH siete y pH 10. Sumerja la cápsula en cada vaso de precipitados y registre al menos tres muestras.Mida el período entre el segundo y el tercer pulso. Y después de completarlo en la hoja de cálculo proporcionada, determine los coeficientes de calibración para el sensor de pH utilizando la hoja de cálculo. Después de preparar un modelo porcino endoscópico ex vivo del estómago y un segmento largo del esófago, agarre el sensor externamente con un clip hemostático.Inserte el endoscopio con el sensor en el clip de la manera estándar en el modelo. Después de colocar el clip con el sensor cerca del esfínter esofágico inferior, gire el endoscopio contra la pared esofágica, abra el clip y luego empuje hacia la pared esofágica. Cierre y suelte el clip.Mientras el sensor permanezca unido a la pared esofágica en la ubicación deseada, extraiga el endoscopio. Coloque el receptor a menos de 10 centímetros del sensor implantado. Inyecte 50 mililitros de las soluciones con varios valores de pH en el esófago y observe los cambios en la respuesta del sensor.Retraiga el endoscopio después de cada inyección y lea el valor no antes de 30 segundos después de la inyección y use la hoja de cálculo para calcular el pH medido por el sensor. Lavar el esófago con 100 mililitros de agua desionizada entre soluciones inyectables con diferente pH. Cuando el receptor de rectenna pasiva se colocó cerca del dispositivo de detección de pH, se observaron picos de voltaje claros cuando el dispositivo estaba transmitiendo.Los dos primeros pulsos cortos fueron pulsos de sincronización. El tiempo entre el segundo y el tercer pulso se traduce linealmente en el pH del entorno al que fue sometido el sensor. Basado en una calibración simple de dos puntos con los tampones de pH cuatro y pH 10, el sensor devolvió lecturas de valor de pH estables y repetibles.La media y la desviación estándar de los errores fueron de 0,25 y 0,30 cuando se probaron en soluciones y vasos de precipitados y fueron de 0,31 y 0,36 en un modelo ex vivo. El efecto de una antena de teléfono móvil con una llamada GSM activa tuvo solo un efecto negativo menor en la recepción de los datos del sensor, como se demostró para una distancia de 20 centímetros, 10 centímetros y cinco centímetros entre el borde del teléfono y el receptor. La encapsulación del sensor debe hacerse e inspeccionarse adecuadamente para prolongar la vida útil del dispositivo cuando se implanta.A continuación, la colocación correcta del clip hemostático es crítica. Esta investigación allana el camino para el desarrollo de redes inalámbricas de dispositivos implantables al crear una forma energéticamente eficiente de transferir datos, especialmente desde el punto de vista del receptor.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Biomolecular Detection employing the Interferometric Reflectance Imaging Sensor (IRIS)

Biomolecular Detection employing the Interferometric Reflectance Imaging Sensor IRIS

Biomoleculares de detección utilizando el sensor de reflectancia de imágenes interferométricas (IRIS)

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

Investigación

Bioingeniería

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