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

Författarna erkänner tacksamt Charles University (projekt GA UK No 176119) för att stödja denna studie. Detta arbete stöddes av Charles Universitys forskningsprogram PROGRES Q 28 (Oncology).

Inga levande djur var inblandade i denna studie. Experimentet utfördes på en ex vivo modell bestående av en svin matstrupe och mage. Magen och matstrupen köptes från ett lokalt slakteri som standardprodukt. Detta förfarande är i enlighet med tjeckiska lagar, och vi föredrar det på grund av "3R" -principen (Ersättning, minskning och förfining).
1. Tillverkning av pH-sensorenheten
OBS: Beakta försiktighetsåtgärder för hantering av elektrostatiska...

<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>

Denna metod är lämplig för forskare som arbetar med utvecklingen av nya aktiva implanterbara medicintekniska produkter. Det kräver en nivå av kompetens i tillverkning av elektroniska prototyper med ytmonteringskomponenter. De kritiska stegen i protokollet är relaterade till tillverkningen av elektroniken, särskilt befolkning av PCB, vilket är benägna att operatörsfel vid placering och lödning av små komponenter. Sedan är korrekt inkapsling avgörande för att förlänga enhetens livslängd när den utsätts ...

Montreal Consensus definierar gastroesofageal refluxsjukdom (GERD) som "ett tillstånd som utvecklas när uppstötning av innehållet i magen orsakar obehagliga symtom och/eller komplikationer". det kan associeras med andra specifika komplikationer såsom matstrupe strictures, Barretts matstrupe eller matstrupe adenocarcinom. GERD påverkar cirka 20% av den vuxna befolkningen, främst i länder med hög ekonomisk status1.
Ambulatoriskt pH-övervakning av patologiska reflux (sur exponeringstid på mer än 6%) gör det möjligt för oss att skilja förhållandet mellan symtom och sura eller icke-sura gastroesofageal reflux2,3. Hos patienter som inte svarar på PPI-behandling (protonpumpshämmare) kan pH-övervakning svara på om det är patologisk gastroesofageal reflux och varför patienten inte svarar på standard PPI-behandling. Olika alternativ för pH- och impedansövervakning erbjuds för närvarande. En av de nyare möjligheterna är trådlös övervakning med implanterbara enheter4,5.
GERD är associerad med lägre esofagus sfinkter (LES) störning, där sammandragningar som visas under matstrupe manometri är inte patologiska men har en minskad amplitud i långsiktiga GERD. LES består av glatt muskel och upprätthåller toniska sammandragningar på grund av myogena och neurogena faktorer. Det slappnar av på grund av vagal-medierad hämning med kväveoxid som en signalsubstans6.
Elektrisk stimulering med två par elektroder visade sig öka sammandragningstiden för LES i en hund reflux modell7. Avslappningen av LES inklusive resttrycket under sväljning påverkades inte av både låg- och högfrekvent stimulering. Högfrekvent stimulering är ett självklart val eftersom det kräver mindre ström och förlänger batteriets livslängd.
Även om elektrostimulering behandling (ET) av den nedre matstrupen sfinkter är ett relativt nytt koncept vid behandling av patienter med GERD, visade sig denna terapi vara säker och effektiv. Denna form av behandling har visat sig ge betydande och varaktig lindring från symtomen på GERD samtidigt som behovet av PPI-behandling elimineras och matstrupssyraexponeringen minskar8,9,10.
Den nuvarande toppmoderna pH-sensorn för diagnostik av GERD är Bravo-enheten11,12. Vid en uppskattad volym på 1,7 cm3 kan den implanteras direkt i matstrupen med eller utan visuell endoskopisk återkoppling och ger 24 h+ övervakning av pH i matstrupen.
Med tanke på att elektrostimuleringsterapi är ett av de mest lovande alternativen för behandling av GERD som inte svarar på standardbehandling8,13, är det vettigt att tillhandahålla data från pH-sensorn till neurostimulatorn. Den senaste forskningen visar en tydlig väg till framtida utveckling inom detta område som kommer att leda till styva allt-i-ett implanterbara enheter som kommer att finnas på platsen för neurostimulering14,15. För detta ändamål är ISFET (jonkänslig fälteffekttransistor) en av de bästa typerna av sensorer på grund av dess miniatyrkaraktär, möjligheten till integrering på chip av en referenselektrod (guld i detta fall) och tillräckligt hög känslighet. På kisel liknar ISFET strukturen hos en standard MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Grinden, som normalt är ansluten till en elektrisk terminal, ersätts dock av ett lager av aktivt material i direkt kontakt med den omgivande miljön. När det gäller pH-känsliga ISFETs bildas detta skikt av kiselnitrid (Si3N4)16.
Den största nackdelen med endoskopiskt implanterbara enheter är den inneboende begränsningen av batteristorleken, vilket kan leda till en minskad livslängd för dessa enheter eller motivera tillverkarna att utveckla avancerade algoritmer som kommer att leverera den önskade effekten till en lägre energikostnad. Ett av exemplen på en sådan algoritm skulle vara ett slutet system för on-demand neurostimulering terapi av GERD. I likhet med kontinuerliga glukosmätare (CGM) + insulinpumpsystem17, skulle ett sådant system använda en esofagus pH-sensor eller en annan sensor för att upptäcka det nuvarande trycket hos den nedre matstrupsfinktern tillsammans med en neurostimuleringsenhet.
Svaret på neurostimuleringsterapin och kraven på neurostimuleringsmönster kan vara individuellt13. Därför är det viktigt att utveckla oberoende sensorer som kan användas antingen för diagnos och karakterisering av dysfunktionen eller för att aktivt delta i kalibrering av neurostimuleringssystemet enligt patienternas individuella krav18. Dessa sensorer bör vara så små som möjligt för att inte påverka organets normala funktionalitet.
Detta manuskript beskriver en metod för design och tillverkning av en ISFET-baserad pH-sensor med amplitudförskjutningsnyckel (ASK) sändare och en liten fotavtryck passiv rectenna-baserad mottagare. Baserat på lösningens enkla arkitektur kan pH-data tas emot av en extern mottagare eller till och med den implanterbara neurostimulatorn utan någon betydande volym eller effektstraff. ASK-modulering väljs på grund av den passiva mottagarens natur, som endast kan upptäcka mottagen RF-signalkraft (ofta kallad "mottagen signalstyrka"). Det schematiska diagrammet, som är inbäddat som kompletterande material, visar enhetens konstruktion. Den drivs direkt från två ALKALISKA AG1-batterier, som ger en spänning mellan 2,0-3,0 V (baserat på laddningstillståndet). Batterierna driver den interna mikrokontrollern, som använder sin ADC(analog-till-digital-omvandlare), DAC (digital-till-analog-omvandlare), intern driftsförstärkare och FVR-kringutrustning (fast spänningsreferens) för att partiska ISFET pH-sensorn. Den resulterande "grind"-spänningen (guldreferenselektroden) är proportionell mot pH-värdet i den omgivande miljön. En stabil ID-ström tillhandahålls av ett lågt R2-avkänningsmotstånd. Källan till ISFET-sensorn är ansluten till den icke-inverterade ingången till driftsförstärkaren, medan den inverterande ingången är ansluten till utgångsspänningen i DAC-modulen inställd på 960 mV. Uteffekten på den operativa förstärkaren är ansluten till ISFET:s dräneringsstift. Denna driftsförstärkare reglerar dräneringsspänningen så att spänningsskillnaden på R2-motståndet alltid är 960 mV; En konstant förspänningsström på 29 μA strömmar därför genom ISFET (vid normal drift). Portspänningen mäts sedan med en ADC. Mikrokontrollern driver sedan på RF-sändaren via en av GPIO-stiften (allmän ingång/utgång) och överför sekvensen. RF-sändarkretsen involverar ett kristall- och matchande nätverk som matchar utgången till 50 Ω impedans.
För de experiment som demonstrerades här använde vi en grismag med en lång del av matstrupen monterad i en standardiserad plastmodell. Detta är en vanlig modell för att öva endoskopiska tekniker som ESD (endoskopisk submucosal dissekering), POEM (muntlig endoskopisk myotomi), endoskopisk mucosal samband (EMR), hemostas, etc. När det gäller de närmaste möjliga anatomiska parametrarna som närmar sig mänskliga organ använde vi magen och matstrupen hos grisar som väger 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

Ambulatoriskt pH-övervakning av patologiska reflux är en möjlighet att observera förhållandet mellan symtom och exponering av matstrupen för surt eller icke-surt uppstötning. Detta dokument beskriver en metod för utveckling, tillverkning och implantation av en miniatyr trådlöst aktiverad pH-sensor. Sensorn är utformad för att implanteras endoskopiskt med ett enda hemostatiskt klipp. En helt passiv rectenna-baserad mottagare baserad på en schottkydiod med noll bias är också konstruerad och testad. För att konstruera enheten användes ett tvåskiktstryckt kretskort och färdiga komponenter. En miniatyrmikrokontroller med integrerad analog kringutrustning används som en analog front ände för den jonkänsliga ISFET-sensorn (Field-Effect Transistor) och för att generera en digital signal som överförs med ett amplitudskiftssändarechip. Enheten drivs av två primära alkaliska celler. Den implanterbara enheten har en total volym på 0,6 cm3 och en vikt på 1,2 gram, och dess prestanda verifierades i en ex vivo-modell (svin matstrupe och mage). Därefter konstruerades en liten fotavtryck passiv rectenna-baserad mottagare som enkelt kan integreras antingen i en extern mottagare eller den implanterbara neurostimulatorn, och visade sig ta emot RF-signalen från implantatet när den är i närheten (20 cm) till den. Sensorns lilla storlek ger kontinuerlig pH-övervakning med minimal obstruktion av matstrupen. Sensorn kan användas i rutinmässig klinisk praxis för 24/96 h esofagus pH-övervakning utan att behöva sätta in en nasal kateter. Mottagarens "nolleffekt" natur möjliggör också användning av sensorn för automatisk in vivo-kalibrering av miniatyr nedre esofagussfinktereurostimuleringsanordningar. En aktiv sensorbaserad styrning möjliggör utveckling av avancerade algoritmer för att minimera den använda energin för att uppnå ett önskvärt kliniskt resultat. Ett av exemplen på en sådan algoritm skulle vara ett slutet system för on-demand neurostimulering terapi av gastroesofageal refluxsjukdom (GERD).

En enhet som kan autonom pH-avkänning och trådlös överföring av pH-värdet konstruerades framgångsrikt, vilket visas i figur 8. Den konstruerade enheten är en miniatyrmodell; den väger 1,2 g och har en volym på 0,6 cm3. De ungefärliga måtten är 18 mm x 8,5 mm x 4,5 mm. Som visas i figur 15, figur 16 och figur 17 kan den implanteras i närheten av den nedre matstru...

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 presenterar en miniatyr implanterbar pH-sensor med ASK-modulerad trådlös utgång tillsammans med en helt passiv mottagarkrets baserad på noll-bias Schottky dioder. Denna lösning kan användas som grund i utvecklingen av in vivo-kalibrerade elektrostimuleringsterapiapparater och för ambulatorisk pH-övervakning.

Konstruktion av en trådlöst aktiverad endoskopiskt implanterbar sensor för pH-övervakning med Zero-Bias Schottky diodbaserad mottagare

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

Protokollet visar tillverkning av trådlös implanterbar pH-sensor som överför data till en helt passiv mottagare, vilket möjliggör mycket effektiv leverans av data från en implanterbar enhet till en annan. Sensorn kan tillverkas för hand och med allmänt tillgängliga tekniker. Därefter kan metoden för dataöverföring återanvändas direkt i utvecklingen av olika implanterbara enheter.Det är viktigt att noggrant inspektera den trådlösa pH-sensorn efter varje steg. Komponenterna som används för tillverkningen är mycket små och kortslutningar eller felplacering under tillverkningen kan uppstå. Till att börja med, placera ISFET pH-sensorn monterad på en PCB på en plan yta och löd en 15 millimeters sektion fluorerad etylenpropylenbelagd kabel till de lödbara elektroderna i pH-sensorn utan att förorena färgämne och PCB med flöde.Blanda minst två milliliter tvådelad epoxi för att kapsla in de lödda elektroderna och använd sedan svart ogenomskinlig epoxi för senare inspektion. Observera den enkla sikten hos sensordelar som utsätts för miljön utan ogenomskinlig epoxi. Överför den blandade epoxin till en en milliliter spruta med en 0,5 millimeter platt nål och täck lödområdet för pH-sensorer med epoxi, vilket säkerställer beläggning av hela området av PCB-elektroder och den exponerade tråden.Inspektera det belagda området under ett mikroskop för obelagda exponerade metalldelar. Efter att ha upprepat beläggningsprocessen av obestruken metall, trimma trådarna till längd och vinkel och täck sedan ändarna med lödning för att undvika slitning. Efter att ha placerat PCB med komponenter i sidoläge, applicera lödpasta på alla exponerade guldpläterade kuddar.Placera sedan passiva och aktiva komponenter med pincett. Efter lödning och kylning till rumstemperatur, inspektera PCB under mikroskopet för att verifiera placeringen av komponenterna och shortsen. Programmera firmware till mikrostyrenheten och ställ in programmeringsprogramvaran enligt beskrivningen i texten.Ställ sedan in programmeraren för att driva enheten med en spänning på cirka 2,5 volt. Avs löd sedan de fem ledningarna efter programmering. Löd två batterihållare till motsatt del av PCB.Löd sedan pH-sensorenheten till kretskortets terminaler och sätt sedan in två AG1-batterier i batterihållarna. Efter att ha förberett epoxi kapslar du in enheten med epoxi som tidigare beskrivits. Låt epoxiet bota i rumstemperatur.Fäst trådkroken på enheten med en droppe snabbhärdande epoxi. Efter härdning vid rumstemperatur kan pH-sensorn placeras längst ner till vänster på den implanterbara enheten. Löd komponenterna med lödpistolen.Om du vill tillverka rectenna-mottagaren igen eller fortsätta utan mottagarmatchning använder du värdena för de komponenter som anges här och hoppar över inspelningen av S11 Smith-diagrammet i nästa steg. Annars löder du SMA-kontakten till KRETSKORT: n. Koppla en vektornätverksanalysatoringång till SMA-anslutningen.Spela in S11 Smith-diagrammet för rectenna. Observera svaret och registrera impedansen. Använd en impedansmatchningskalkylatorprogramvara för att bestämma värdena för matchande komponenter.Löd impedansmatchningskomponenterna och inspektera under ett mikroskop för kortslutning och komponentplacering. Efter mätning med spektrumanalysator igen, bekräfta att spänningsvågförhållandet är under tre mellan 300 och 500 megahertz. Annars upprepas du med olika matchande komponenter.När enheten har aktiverats efter 24 timmar efter batteriets insättning, inspektera sensorns utgång genom att observera signalen som visas i oscilloskopet. Förbered 2% saltsyralösning och 100 millimolar buffertlösning av pH fyra, pH sju och pH 10. Sänk ner kapseln i varje bägare och registrera minst tre prover.Mät perioden mellan den andra och tredje pulsen. Och när du har fyllt i det medföljande kalkylbladet bestämmer du kalibreringskoefficienterna för pH-sensorn med hjälp av kalkylbladet. Efter att ha förberett en ex vivo endoskopisk svinmodell av magen och ett långt segment av matstrupen, ta tag i sensorn externt med ett hemostatiskt klipp.Sätt in endoskopet med sensorn i klämman på standard sätt i modellen. Efter att ha placerat klämman med sensorn nära den nedre matstrupsfinktern, rotera endoskopet mot matstrupsväggen, öppna klämman och tryck sedan mot matstrupsväggen. Stäng och släpp klippet.Medan sensorn förblir fastsatt på matstrupsväggen på önskad plats, extrahera endoskopet. Placera mottagaren inom 10 centimeter från den implanterade sensorn. Injicera 50 milliliter av lösningarna med olika pH-värden i matstrupen och observera förändringarna i sensorns svar.Dra tillbaka endoskopet efter varje injektion och läs av värdet tidigast 30 sekunder efter injektionen och använd kalkylbladet för att beräkna det pH som mäts av sensorn. Tvätta matstrupen med 100 ml avjoniserat vatten mellan injektionslösningar med olika pH. När den passiva rectenna-mottagaren sattes i närheten av pH-avkänningsanordningen observerades tydliga spänningstoppar när enheten överförde.De två första korta pulserna var synkroniseringspulser. Tiden mellan andra och tredje pulsen översätts linjärt till pH i den miljö som sensorn utsattes för. Baserat på en enkel tvåpunktskalibrering med buffertarna pH fyra och pH 10 returnerade sensorn stabila och repeterbara pH-värdeavläsningar.Medelvärdet och standardavvikelsen för fel var 0,25 och 0,30 när de testades i lösningar och bägare och var 0,31 och 0,36 i en ex vivo-modell. Effekten av en mobiltelefonantenn med ett aktivt GSM-samtal hade bara en mindre negativ effekt på mottagandet av data från sensorn som demonstrerades för 20 centimeter, 10 centimeter och fem centimeter avstånd mellan telefonens kant och mottagaren. Inkapslingen av sensorn måste göras och inspekteras korrekt för att förlänga enhetens livslängd när den implanteras.Därefter är korrekt placering av det hemostatiska klippet kritiskt. Denna forskning banar väg för utvecklingen av trådlösa nätverk av implanterbara enheter genom att skapa ett energieffektivt sätt att överföra data, särskilt ur mottagarens synvinkel.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Biomolecular Detection employing the Interferometric Reflectance Imaging Sensor (IRIS)

Biomolecular Detection employing the Interferometric Reflectance Imaging Sensor IRIS

Biomolekylära Detection anställa interferometriska Sensor Reflektans Imaging (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

Övervakning proteinadsorption 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

Ihåliga mikronål-baserad sensor för Multiplexade Transdermal Elektrokemisk 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 Cytometry: Protokoll för Daily Tuning och kör prover cell 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: Konstruktion av en flercellig 3D Scaffold för Leverans av Layered 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

Konstruktion och karakterisering av en roman 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

Biomembran Fabrication av lösningsmedel assisterad lipiddubbelskiktet (SALB) Metod

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

Realtidsövervakning av intracellulär Bile Acid Dynamics hjälp av en genetiskt kodad FRET-baserade Bile Acid 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 vegetabiliska kapslar för Mikroinkapslings 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

Konstruktion och uppställning av en Bench-skala alga fotosyntetisk bioreaktor med temperatur, ljus och pH-övervakning för kinetiska tillväxttest

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