Construction d’un capteur implantable par endoscopie sans fil pour la surveillance du pH avec récepteur à diode Schottky à polarisation nulle

Summary

Le manuscrit présente un capteur de pH implantable miniature avec une sortie sans fil modulée ASK ainsi qu’un circuit récepteur entièrement passif basé sur des diodes Schottky à polarisation nulle. Cette solution peut être utilisée comme base dans le développement de dispositifs de thérapie par électrostimulation étalonnés in vivo et pour la surveillance ambulatoire du pH.

Abstract

La surveillance ambulatoire du pH du reflux pathologique est l’occasion d’observer la relation entre les symptômes et l’exposition de l’œsophage au reflux acide ou non acide. Cet article décrit une méthode pour le développement, la fabrication et l’implantation d’un capteur de pH miniature sans fil. Le capteur est conçu pour être implanté par endoscopie avec un seul clip hémostatique. Un récepteur à rectenna entièrement passif basé sur une diode Schottky à polarisation nulle est également construit et testé. Pour construire l’appareil, une carte de circuit imprimé à deux couches et des composants prêts à l’emploi ont été utilisés. Un microcontrôleur miniature avec périphériques analogiques intégrés est utilisé comme frontal analogique pour le capteur isFET (transistor à effet de champ sensible aux ions) et pour générer un signal numérique qui est transmis avec une puce d’émetteur à incrustation de décalage d’amplitude. L’appareil est alimenté par deux cellules alcalines primaires. Le dispositif implantable a un volume total de 0,6 ^cm3 et un poids de 1,2 gramme, et ses performances ont été vérifiées dans un modèle ex vivo (œsophage et estomac porcins). Ensuite, un récepteur passif à base de rectenna à faible encombrement qui peut être facilement intégré soit dans un récepteur externe, soit dans le neurostimulateur implantable, a été construit et prouvé pour recevoir le signal RF de l’implant lorsqu’il est à proximité (20 cm) de celui-ci. La petite taille du capteur permet une surveillance continue du pH avec une obstruction minimale de l’œsophage. Le capteur pourrait être utilisé dans la pratique clinique de routine pour la surveillance du pH œsophagien de 24/96 h sans qu’il soit nécessaire d’insérer un cathéter nasal. La nature « zéro puissance » du récepteur permet également l’utilisation du capteur pour l’étalonnage automatique in vivo de dispositifs miniatures de neurostimulation du sphincter inférieur de l’œsophage. Un contrôle actif basé sur des capteurs permet le développement d’algorithmes avancés pour minimiser l’énergie utilisée afin d’obtenir un résultat clinique souhaitable. L’un des exemples d’un tel algorithme serait un système en boucle fermée pour la thérapie de neurostimulation à la demande du reflux gastro-œsophagien (RGO).

Introduction

Le Consensus de Montréal définit le reflux gastro-œsophagien (RGO) comme « une affection qui se développe lorsque le reflux du contenu de l’estomac provoque des symptômes désagréables et/ou des complications ». Elle peut être associée à d’autres complications spécifiques telles que les sténoses œsophagiennes, l’œsophage de Barrett ou l’adénocarcinome de l’œsophage. Le RGO touche environ 20 % de la population adulte, principalement dans les pays à statut économique ^élevé1.

La surveillance ambulatoire du pH du reflux pathologique (temps d’exposition à l’acide de plus de 6%) nous permet de distinguer la relation entre les symptômes et le reflux gastro-œsophagien acide ou non ^acide2,3. Chez les patients ne répondant pas au traitement par IPP (inhibiteur de la pompe à protons), la surveillance du pH peut déterminer s’il s’agit d’un reflux gastro-œsophagien pathologique et pourquoi le patient ne répond pas au traitement IPP standard. Diverses options de surveillance du pH et de l’impédance sont actuellement offertes. L’une des nouvelles possibilités est la surveillance sans fil à l’aide de dispositifs ^{implantables4,5}.

Le RGO est associé à un trouble du sphincter œsophagien inférieur (LES), où les contractions observées lors de la manométrie œsophagienne ne sont pas pathologiques mais ont une amplitude réduite dans le RGO à long terme. LES se compose de muscle lisse et maintient les contractions toniques dues à des facteurs myogéniques et neurogènes. Il se détend en raison de l’inhibition à médiation vagale impliquant l’oxyde nitrique en tant que neurotransmetteur6.

Il a été prouvé que la stimulation électrique avec deux paires d’électrodes augmentait le temps de contraction du LES dans un modèle de reflux ^canin7. La relaxation de l’ERP, y compris la pression résiduelle pendant la déglutition, n’a pas été affectée par la stimulation à basse et à haute fréquence. La stimulation à haute fréquence est un choix évident car elle nécessite moins d’énergie et prolonge la durée de vie de la batterie.

Bien que le traitement par électrostimulation (ET) du sphincter œsophagien inférieur soit un concept relativement nouveau dans le traitement des patients atteints de RGO, ce traitement s’est avéré sûr et efficace. Il a été démontré que cette forme de traitement procure un soulagement significatif et durable des symptômes du RGO tout en éliminant le besoin d’un traitement IPP et en réduisant l’exposition à l’acide œsophagien8,9,10.

Le capteur de pH de pointe actuel pour le diagnostic du RGO est le dispositif ^Bravo11,12. À un volume estimé à 1,7 ^cm3, il peut être implanté directement dans l’œsophage avec ou sans rétroaction endoscopique visuelle et assure une surveillance 24 h+ du pH dans l’œsophage.

Étant donné que la thérapie par électrostimulation est l’une des alternatives les plus prometteuses pour traiter le RGO ne répondant pas au traitement ^standard8,13, il est logique de fournir les données du capteur de pH au neurostimulateur. Les recherches récentes montrent une voie claire vers le développement futur dans ce domaine qui conduira à des dispositifs implantables rigides tout-en-un qui résideront sur le site de neurostimulation14,15. À cette fin, l’ISFET (transistor à effet de champ sensible aux ions) est l’un des meilleurs types de capteurs en raison de sa nature miniature, de la possibilité d’intégration sur puce d’une électrode de référence (or dans ce cas) et de sa sensibilité suffisamment élevée. Sur le silicium, l’ISFET ressemble à la structure d’un MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) standard. Cependant, la porte, normalement reliée à une borne électrique, est remplacée par une couche de matériau actif en contact direct avec l’environnement environnant. Dans le cas des ISFET sensibles au pH, cette couche est formée de nitrure de silicium (_Si3N4)¹⁶.

Le principal inconvénient des dispositifs implantables par endoscopie est la limitation inhérente de la taille de la batterie, ce qui peut entraîner une réduction de la durée de vie de ces dispositifs ou motiver les fabricants à développer des algorithmes avancés qui fourniront l’effet requis à un coût énergétique inférieur. L’un des exemples d’un tel algorithme serait un système en boucle fermée pour la thérapie de neurostimulation à la demande du RGO. Semblable aux glucomètres continus (CGM) + systèmes de pompe à ^insuline17, un tel système utiliserait un capteur de pH œsophagien ou un autre capteur pour détecter la pression actuelle du sphincter œsophagien inférieur avec une unité de neurostimulation.

La réponse à la thérapie de neurostimulation et les exigences pour les modèles de neurostimulation peuvent être ^{individuelles13}. Ainsi, il est important de développer des capteurs indépendants qui pourraient être utilisés soit pour le diagnostic et la caractérisation du dysfonctionnement, soit pour participer activement à l’étalonnage du système de neurostimulation en fonction des besoins individuels des ^patients18. Ces capteurs doivent être aussi petits que possible pour ne pas affecter le fonctionnement normal de l’organe.

Ce manuscrit décrit une méthode de conception et de fabrication d’un capteur de pH isFET avec émetteur ASK (amplitude-shift keying) et un récepteur à rectenna passif à faible encombrement. Sur la base de l’architecture simple de la solution, les données de pH peuvent être reçues par un récepteur externe ou même par le neurostimulateur implantable sans pénalité de volume ou de puissance significative. La modulation ASK est choisie en raison de la nature du récepteur passif, qui n’est capable de détecter que la puissance du signal RF reçu (souvent appelée « force du signal reçu »). Le diagramme schématique, qui est incorporé en tant que matériau supplémentaire, montre la construction de l’appareil. Il est alimenté directement par deux piles alcalines AG1, qui fournissent une tension comprise entre 2,0 et 3,0 V (en fonction de l’état de charge). Les batteries alimentent le microcontrôleur interne, qui utilise son ADC (convertisseur analogique-numérique), son DAC (convertisseur numérique-analogique), son amplificateur de fonctionnement interne et ses périphériques FVR (référence à tension fixe) pour biaiser le capteur de pH ISFET. La tension de « grille » résultante (l’électrode de référence en or) est proportionnelle au pH de l’environnement environnant. Un courant _d’ID stable est fourni par une résistance de détection R2 côté bas. La source du capteur ISFET est connectée à l’entrée non inverseuse de l’amplificateur opérationnel, tandis que l’entrée inverse est connectée à la tension de sortie du module DAC réglée sur 960 mV. La sortie de l’amplificateur opérationnel est connectée à la broche de vidange de l’ISFET. Cet amplificateur opérationnel régule la tension de vidange de sorte que la différence de tension sur la résistance R2 soit toujours de 960 mV; ainsi, un courant de polarisation constant de 29 μA circule à travers l’ISFET (en fonctionnement normal). La tension de grille est ensuite mesurée avec un CAN. Le microcontrôleur allume ensuite l’émetteur RF via l’une des broches GPIO (entrée/sortie à usage général) et transmet la séquence. Le circuit émetteur RF implique un réseau cristallin et correspondant qui correspond à la sortie à 50 Ω impédance.

Pour les expériences démontrées ici, nous avons utilisé un estomac de porc avec une longue section de l’œsophage montée dans un modèle en plastique standardisé. Il s’agit d’un modèle couramment utilisé pour la pratique de techniques endoscopiques telles que l’ESD (dissection sous-muqueuse endoscopique), POEM (myotomie endoscopique orale), la résection endoscopique des muqueuses (DME), l’hémostase, etc. En ce qui concerne les paramètres anatomiques les plus proches possibles s’approchant des organes humains, nous avons utilisé l’estomac et l’œsophage de porcs pesant de 40 à 50 kg.

Protocol

Aucun animal vivant n’a participé à cette étude. L’expérience a été réalisée sur un modèle ex vivo composé d’un œsophage et d’un estomac porcins. L’estomac et l’œsophage ont été achetés dans une boucherie locale comme produit standard. Cette procédure est conforme aux lois tchèques, et nous la préférons en raison du principe « 3R » (remplacement, réduction et raffinement). 1. Fabrication de l’ensemble capteur de pH REMARQ…

Representative Results

Un dispositif capable de détecter le pH de manière autonome et de transmettre sans fil la valeur du pH a été construit avec succès, comme le montre la figure 8. L’appareil construit est un modèle miniature; il pèse 1,2 g et a un volume de 0,6 cm3. Les dimensions approximatives sont de 18 mm x 8,5 mm x 4,5 mm. Comme le montrent la figure 15, la figure 16 et la figure 17</stron…

Discussion

Cette méthode convient aux chercheurs qui travaillent sur le développement de nouveaux dispositifs médicaux implantables actifs. Il nécessite un niveau de compétence dans la fabrication de prototypes électroniques avec des composants à montage en surface. Les étapes critiques du protocole sont liées à la fabrication de l’électronique, en particulier le remplissage des PCB, qui est sujet à l’erreur de l’opérateur dans le placement et la soudure de petits composants. Ensuite, une encapsulation correcte e…

Materials

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