Costruzione di un sensore impiantabile endoscopicamente abilitato wireless per il monitoraggio del pH con ricevitore basato su diodi Schottky a polarizzazione zero

Summary

Il manoscritto presenta un sensore di pH impiantabile in miniatura con uscita wireless modulata ASK insieme a un circuito ricevitore completamente passivo basato su diodi Schottky a polarizzazione zero. Questa soluzione può essere utilizzata come base nello sviluppo di dispositivi di terapia elettrostimolante calibrati in vivo e per il monitoraggio ambulatoriale del pH.

Abstract

Il monitoraggio ambulatoriale del pH del reflusso patologico è un’opportunità per osservare la relazione tra sintomi ed esposizione dell’esofago al reflusso acido o non acido. Questo documento descrive un metodo per lo sviluppo, la produzione e l’impianto di un sensore di pH wireless in miniatura. Il sensore è progettato per essere impiantato endoscopicamente con una singola clip emostatica. Viene inoltre costruito e testato un ricevitore completamente passivo basato su rectenna basato su un diodo Schottky a polarizzazione zero. Per costruire il dispositivo, sono stati utilizzati un circuito stampato a due strati e componenti pronti all’uso. Un microcontrollore miniaturizzato con periferiche analogiche integrate viene utilizzato come front-end analogico per il sensore a transistor a effetto di campo sensibile agli ioni (ISFET) e per generare un segnale digitale che viene trasmesso con un chip trasmettitore di commutazione di ampiezza. Il dispositivo è alimentato da due celle alcaline primarie. Il dispositivo impiantabile ha un volume totale di 0,6 ^cm3 e un peso di 1,2 grammi, e le sue prestazioni sono state verificate in un modello ex vivo (esofago suino e stomaco). Successivamente, è stato costruito un ricevitore passivo basato su rectenna a ingombro ridotto che può essere facilmente integrato in un ricevitore esterno o nel neurostimolatore impiantabile e ha dimostrato di ricevere il segnale RF dall’impianto quando si trova in prossimità (20 cm) di esso. Le dimensioni ridotte del sensore forniscono un monitoraggio continuo del pH con un’ostruzione minima dell’esofago. Il sensore potrebbe essere utilizzato nella pratica clinica di routine per il monitoraggio del pH esofageo 24/96 ore senza la necessità di inserire un catetere nasale. La natura “a potenza zero” del ricevitore consente inoltre l’uso del sensore per la calibrazione automatica in vivo di dispositivi di neurostimolazione in miniatura dello sfintere esofageo inferiore. Un controllo attivo basato su sensori consente lo sviluppo di algoritmi avanzati per ridurre al minimo l’energia utilizzata per ottenere un risultato clinico desiderabile. Uno degli esempi di tale algoritmo sarebbe un sistema a circuito chiuso per la terapia di neurostimolazione su richiesta della malattia da reflusso gastroesofageo (GERD).

Introduction

Il Montreal Consensus definisce la malattia da reflusso gastroesofageo (GERD) come “una condizione che si sviluppa quando il reflusso del contenuto dello stomaco provoca sintomi spiacevoli e / o complicazioni”. Può essere associato ad altre complicazioni specifiche come stenosi esofagee, esofago di Barrett o adenocarcinoma esofageo. La GERD colpisce circa il 20% della popolazione adulta, principalmente nei paesi con un elevato status ^economico1.

Il monitoraggio ambulatoriale del pH del reflusso patologico (tempo di esposizione acida superiore al 6%) consente di distinguere la relazione tra sintomi e reflusso gastroesofageo acido o non ^acido2,3. Nei pazienti che non rispondono alla terapia con PPI (inibitori della pompa protonica), il monitoraggio del pH può rispondere se si tratta di reflusso gastroesofageo patologico e perché il paziente non risponde alla terapia PPI standard. Attualmente sono offerte varie opzioni di monitoraggio del pH e dell’impedenza. Una delle possibilità più recenti è il monitoraggio wireless mediante dispositivi ^{impiantabili4,5}.

La GERD è associata al disturbo dello sfintere esofageo inferiore (LES), in cui le contrazioni mostrate durante la manometria esofagea non sono patologiche ma hanno un’ampiezza ridotta nella GERD a lungo termine. LES è costituito da muscolatura liscia e mantiene contrazioni toniche dovute a fattori miogenici e neurogenici. Si rilassa a causa dell’inibizione vagale-mediata che coinvolge l’ossido nitrico come neurotrasmettitore6.

È stato dimostrato che la stimolazione elettrica con due coppie di elettrodi aumenta il tempo di contrazione del LES in un modello di reflusso canino7. Il rilassamento del LES, compresa la pressione residua durante la deglutizione, non è stato influenzato dalla stimolazione sia a bassa che ad alta frequenza. La stimolazione ad alta frequenza è una scelta ovvia perché richiede meno energia e prolunga la durata della batteria.

Sebbene il trattamento di elettrostimolazione (ET) dello sfintere esofageo inferiore sia un concetto relativamente nuovo nel trattamento dei pazienti con GERD, questa terapia si è dimostrata sicura ed efficace. Questa forma di trattamento ha dimostrato di fornire un sollievo significativo e duraturo dai sintomi della GERD, eliminando la necessità di un trattamento con PPI e riducendo l’esposizione all’acido esofageo8,9,10.

L’attuale sensore di pH all’avanguardia per la diagnostica di GERD è il dispositivo ^Bravo11,12. Con un volume stimato di 1,7 ^cm3, può essere impiantato direttamente nell’esofago con o senza feedback endoscopico visivo e fornisce un monitoraggio 24 ore + del pH nell’esofago.

Considerando che la terapia di elettrostimolazione è una delle alternative più promettenti per il trattamento della GERD che non risponde alla terapia ^standard8,13, ha senso fornire i dati dal sensore di pH al neurostimolatore. La recente ricerca mostra un chiaro percorso verso lo sviluppo futuro in questo campo che porterà a rigidi dispositivi impiantabili all-in-one che risiederanno nel sito di neurostimolazione14,15. A tale scopo, l’ISFET (transistor a effetto di campo sensibile agli ioni) è uno dei migliori tipi di sensori a causa della sua natura miniaturizzata, della possibilità di integrazione su chip di un elettrodo di riferimento (oro in questo caso) e di una sensibilità sufficientemente elevata. Sul silicio, l’ISFET assomiglia alla struttura di un MOSFET standard (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Tuttavia, il cancello, normalmente collegato ad un terminale elettrico, viene sostituito da uno strato di materiale attivo a diretto contatto con l’ambiente circostante. Nel caso di ISFET sensibili al pH, questo strato è formato da nitruro di silicio (_Si3N4)¹⁶.

Il principale svantaggio dei dispositivi impiantabili endoscopicamente è la limitazione intrinseca delle dimensioni della batteria, che può portare a una durata ridotta di questi dispositivi o motivare i produttori a sviluppare algoritmi avanzati che forniranno l’effetto richiesto a un costo energetico inferiore. Uno degli esempi di tale algoritmo sarebbe un sistema a circuito chiuso per la terapia di neurostimolazione su richiesta di GERD. Simile ai misuratori di glucosio continui (CGM) + sistemi di pompe per ^insulina17, un tale sistema impiegherebbe un sensore di pH esofageo o un altro sensore per rilevare la pressione corrente dello sfintere esofageo inferiore insieme a un’unità di neurostimolazione.

La risposta alla terapia di neurostimolazione e i requisiti per i modelli di neurostimolazione possono essere ^{individuali13}. Pertanto, è importante sviluppare sensori indipendenti che potrebbero essere utilizzati sia per la diagnosi e la caratterizzazione della disfunzione o per partecipare attivamente alla calibrazione del sistema di neurostimolazione in base alle esigenze individuali dei ^pazienti18. Questi sensori dovrebbero essere il più piccoli possibile per non influire sulla normale funzionalità dell’organo.

Questo manoscritto descrive un metodo di progettazione e fabbricazione di un sensore di pH basato su ISFET con trasmettitore ASK (amplitude-shift keying) e un ricevitore passivo basato su rectenna a ingombro ridotto. Sulla base della semplice architettura della soluzione, i dati di pH possono essere ricevuti da un ricevitore esterno o persino dal neurostimolatore impiantabile senza alcun volume significativo o penalità di potenza. La modulazione ASK viene scelta a causa della natura del ricevitore passivo, che è in grado di rilevare solo la potenza del segnale RF ricevuto (spesso chiamata “potenza del segnale ricevuto”). Il diagramma schematico, che è incorporato come materiale supplementare, mostra la costruzione del dispositivo. È alimentato direttamente da due batterie alcaline AG1, che forniscono una tensione compresa tra 2,0-3,0 V (in base allo stato di carica). Le batterie alimentano il microcontrollore interno, che utilizza le sue periferiche ADC (convertitore analogico-digitale), DAC (convertitore digitale-analogico), amplificatore di funzionamento interno e FVR (riferimento a tensione fissa) per polarizzare il sensore di pH ISFET. La tensione di “gate” risultante (l’elettrodo di riferimento in oro) è proporzionale al pH dell’ambiente circostante. Una corrente _ids stabile è fornita da un resistore di rilevamento R2 lato basso. La sorgente del sensore ISFET è collegata all’ingresso non invertente dell’amplificatore operazionale, mentre l’ingresso invertente è collegato alla tensione di uscita del modulo DAC impostata su 960 mV. L’uscita dell’amplificatore operazionale è collegata al perno di scarico dell’ISFET. Questo amplificatore operazionale regola la tensione di drenaggio in modo che la differenza di tensione sul resistore R2 sia sempre di 960 mV; quindi, una corrente di polarizzazione costante di 29 μA scorre attraverso l’ISFET (quando è in normale funzionamento). La tensione di gate viene quindi misurata con un ADC. Il microcontrollore accende quindi il trasmettitore RF tramite uno dei pin GPIO (general purpose input/output) e trasmette la sequenza. Il circuito del trasmettitore RF coinvolge un cristallo e una rete corrispondente che abbina l’uscita a 50 Ω impedenza.

Per gli esperimenti qui dimostrati, abbiamo usato uno stomaco di maiale con una lunga sezione dell’esofago montato in un modello di plastica standardizzato. Questo è un modello comunemente usato per praticare tecniche endoscopiche come ESD (dissezione sottomucosa endoscopica), POEM (miotomia endoscopica orale), resezione endoscopica della mucosa (EMR), emostasi, ecc. Per quanto riguarda i parametri anatomici più vicini possibili che si avvicinano agli organi umani, abbiamo usato lo stomaco e l’esofago di maiali del peso di 40-50 kg.

Protocol

Nessun animale vivente è stato coinvolto in questo studio. L’esperimento è stato eseguito su un modello ex vivo costituito da un esofago suino e dallo stomaco. Lo stomaco e l’esofago sono stati acquistati da una macelleria locale come prodotto standard. Questa procedura è conforme alle leggi ceche e la preferiamo a causa del principio “3R” (sostituzione, riduzione e perfezionamento). 1. Fabbricazione del gruppo sensore di pH NOTA: osservare le precauzioni …

Representative Results

Un dispositivo in grado di rilevare autonomamente il pH e la trasmissione wireless del valore del pH è stato costruito con successo, come mostrato nella Figura 8. Il dispositivo costruito è un modello in miniatura; pesa 1,2 g e ha un volume di 0,6 cm3. Le dimensioni approssimative sono 18 mm x 8,5 mm x 4,5 mm. Come mostrato in Figura 15, Figura 16 e Figura 17, può essere i…

Discussion

Questo metodo è adatto per i ricercatori che lavorano allo sviluppo di nuovi dispositivi medici impiantabili attivi. Richiede un livello di competenza nella produzione di prototipi elettronici con componenti a montaggio superficiale. I passaggi critici del protocollo sono legati alla produzione dell’elettronica, in particolare popolando i PCB, che è soggetta a errori dell’operatore nel posizionamento e nella saldatura di piccoli componenti. Quindi, un corretto incapsulamento è fondamentale per prolungare la durata del…

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