Zero-Bias Schottky Diyot Tabanlı Alıcı ile pH İzleme için Kablosuz Özellikli Endoskopik Olarak Yerleştirilebilir Sensör yapımı
Summary
El yazması, sıfır taraflı Schottky diyotlarına dayanan tamamen pasif bir alıcı devresi ile birlikte ASK modüle edilmiş kablosuz çıkışlı minyatür bir implante edilebilir pH sensörü sunar. Bu çözüm , in vivo kalibre edilmiş elektrostimülasyon terapi cihazlarının geliştirilmesinde ve ambülatör pH izleme için temel olarak kullanılabilir.
Abstract
Patolojik reflünün ambulatuvar pH izlenmesi, semptomlar ile yemek borusunun asidik veya asitsiz reflüye maruz kalması arasındaki ilişkiyi gözlemlemek için bir fırsattır. Bu makalede, minyatür kablosuz özellikli pH sensörünün geliştirilmesi, üretilmesi ve implantasyonu için bir yöntem açıklanmaktadır. Sensör, tek bir hemostatik klipsle endoskopik olarak yerleştirilecek şekilde tasarlanmıştır. Sıfır önyargılı Schottky diyotuna dayanan tamamen pasif bir rectenna tabanlı alıcı da inşa edilir ve test edilir. Cihazı oluşturmak için iki katmanlı baskılı devre kartı ve raf dışı bileşenler kullanıldı. Entegre analog periferiklere sahip minyatür bir mikrodenetleyici, iyon duyarlı alan etkili transistör (ISFET) sensörü için analog ön uç olarak ve genlik kaydırma anahtarlama verici çipi ile iletilen dijital bir sinyal üretmek için kullanılır. Cihaz iki birincil alkalin hücresi tarafından desteklenmektedir. İmplante edilebilir cihaz toplam 0,6 cm3 hacme ve 1,2 gram ağırlığa sahiptir ve performansı bir ex vivo modelde (porcine yemek borusu ve mide) doğrulanmıştır. Daha sonra, harici bir alıcıya veya implante edilebilir nörostimülatöre kolayca entegre edilebilen küçük bir ayak izi pasif rectenna tabanlı alıcı inşa edildi ve RF sinyalini implanta yakın olduğunda (20 cm) aldığı kanıtlandı. Sensörün küçük boyutu, yemek borusunun minimum tıkanmasıyla sürekli pH izleme sağlar. Sensör, burun kateteri takmaya gerek kalmadan 24/96 saat özofagus pH izlemesi için rutin klinik uygulamada kullanılabilir. Alıcının “sıfır güç” doğası, minyatür alt özofagus sfinkter nörostimülasyon cihazlarının otomatik in-vivo kalibrasyonu için sensörün kullanılmasını da sağlar. Aktif sensör tabanlı kontrol, istenen klinik sonucu elde etmek için kullanılan enerjiyi en aza indirmek için gelişmiş algoritmaların geliştirilmesini sağlar. Böyle bir algoritmanın örneklerinden biri, gastroözofageal reflü hastalığının (GERD) isteğe bağlı nörostimülasyon tedavisi için kapalı döngü bir sistem olacaktır.
Introduction
Montreal Konsensüsü, gastroözofageal reflü hastalığını (GERD) “mide içeriğini reflü yaparken gelişen hoş olmayan semptomlara ve/veya komplikasyonlara neden olan bir durum” olarak tanımlar. Özofagus darlıkları, Barrett özofagus veya özofagus adenokarsinom gibi diğer spesifik komplikasyonlarla ilişkili olabilir. GERD, özellikle ekonomik durumu yüksek ülkelerde yetişkin nüfusun yaklaşık% 20’sini etkiler1.
Patolojik reflünün ambülatör pH izlenmesi (%6’dan fazla asit maruziyet süresi), semptomlar ile asidik veya asidik olmayan gastroözofageal reflü arasındaki ilişkiyi ayırt etmemizi sağlar2,3. ÜFE (proton pompa inhibitörü) tedavisine yanıt vermeyen hastalarda pH takibi patolojik gastroözofageal reflü olup olmadığını ve hastanın neden standart PPI tedavisine yanıt vermediğini cevaplayabilir. Şu anda çeşitli pH ve empedans izleme seçenekleri sunulmaktadır. Yeni olasılıklardan biri, implante edilebilir cihazlar kullanarak kablosuz izleme4,5’tir.
GERD, özofagus manometrisi sırasında gösterilen kasılmaların patolojik olmadığı, ancak uzun süreli GERD’de genliklerinin azaldığı alt özofagus sfinkter (LES) bozukluğu ile ilişkilidir. LES düz kaslardan oluşur ve miyojenik ve nörojenik faktörlere bağlı tonik kasılmalarını korur. Nörotransmitter olarak nitrik oksit içeren vagal aracılı inhibisyon nedeniyle gevşer6.
İki çift elektrotlu elektriksel stimülasyonun bir köpek reflü modelinde LES’in kasılma süresini artırdığı kanıtlanmıştır7. Yutma sırasındaki kalıntı basıncı da dahil olmak üzere LES’in gevşemesi hem düşük hem de yüksek frekanslı stimülasyondan etkilenmedi. Yüksek frekanslı stimülasyon, daha az güç gerektirdiği ve pil ömrünü uzattığı için bariz bir seçimdir.
Gerd’li hastaların tedavisinde alt özofagus sfinkterinin elektrostimülasyon tedavisi (ET) nispeten yeni bir kavram olmasına rağmen, bu tedavinin güvenli ve etkili olduğu gösterilmiştir. Bu tedavi şeklinin, PPI tedavisi ihtiyacını ortadan kaldırırken ve özofagus asidi maruziyetini azaltırken GERD semptomlarından önemli ve kalıcı bir rahatlama sağladığı gösterilmiştir8,9,10.
GERD tanısı için mevcut son teknoloji ürünü pH sensörü Bravo cihazıdır11,12. Tahmini 1,7 cm3 hacminde, görsel endoskopik geri bildirimli veya görsel endoskopik geri bildirim olmadan doğrudan yemek borusuna yerleştirilmekte ve yemek borusunda pH’ın 24 saat+ izlenmesini sağlar.
Elektrostimülasyon tedavisinin, standart tedaviye yanıt vermeyen GERD tedavisinde en umut verici alternatiflerden biri olduğu düşünülürse8,13, pH sensöründen nörostimülatöre kadar verileri sağlamak mantıklıdır. Son araştırmalar, nörostimülasyon bölgesinde yer alacak sert hepsi bir arada implante edilebilir cihazlara yol açacak bu alanda gelecekteki gelişime açık bir yol göstermektedir14,15. Bu amaçla, ISFET (iyona duyarlı alan etkili transistör), minyatür doğası, bir referans elektrodunun (bu durumda altın) çip üzerinde entegrasyon olasılığı ve yeterince yüksek hassasiyet nedeniyle en iyi sensör türlerinden biridir. Silikonda, ISFET standart bir MOSFET (Metal Oksit Yarı İletken Alan Etkisi Transistörü) yapısına benzer. Bununla birlikte, normalde bir elektrik terminaline bağlı olan kapı, çevredeki çevreyle doğrudan temas halinde bir aktif malzeme tabakası ile değiştirilir. pH’a duyarlı ISFET’ler söz konusu olduğunda, bu tabaka silikon nitrür (Si3N4)16 ile oluşur.
Endoskopik olarak implante edilebilir cihazların temel dezavantajı, pil boyutunun doğal sınırlamasıdır, bu da bu cihazların ömrünün azalmasına neden olabilir veya üreticileri gerekli etkiyi daha düşük bir enerji maliyetiyle sağlayacak gelişmiş algoritmalar geliştirmeye motive edebilir. Böyle bir algoritmanın örneklerinden biri, GERD’nin isteğe bağlı nörostimülasyon tedavisi için kapalı döngü bir sistem olacaktır. Sürekli glikoz ölçerler (CGM) + insülin pompası sistemlerine benzer şekilde17, böyle bir sistem, bir nörostimülasyon ünitesi ile birlikte alt özofagus sfinkterinin mevcut basıncını tespit etmek için bir özofagus pH sensörü veya başka bir sensör kullanır.
Nörostimülasyon tedavisine yanıt ve nörostimülasyon patinasyon gereksinimleri bireysel olabilir13. Bu nedenle, disfonksiyonun tanısı ve karakterizasyonu için kullanılabilecek bağımsız sensörler geliştirmek veya nörostimülasyon sisteminin hastaların bireysel gereksinimlerine göre kalibre edilmesine aktif olarak katılmak önemlidir18. Bu sensörler organın normal işlevselliğini etkilememek için mümkün olduğunca küçük olmalıdır.
Bu makalede, genlik kaydırmalı anahtarlama (ASK) vericisi ve küçük bir ayak izi pasif rectenna tabanlı alıcı ile ISFET tabanlı bir pH sensörünün tasarlanması ve imal edilmesi yöntemi açıklanmaktadır. Çözeltinin basit mimarisine dayanarak, pH verileri harici bir alıcı veya hatta implante edilebilir nörostimülatör tarafından önemli bir hacim veya güç cezası olmadan alınabilir. ASK modülasyonu, yalnızca alınan RF sinyal gücünü (genellikle “alınan sinyal gücü” olarak adlandırılır) algılayabilen pasif alıcının doğası nedeniyle seçilir. Tamamlayıcı malzeme olarak katıştırılmış şematik diyagram, cihazın yapımını gösterir. Doğrudan 2.0-3.0 V arasında bir voltaj sağlayan iki AG1 alkalin pilden (şarj durumuna bağlı olarak) güç alır. Piller, ISFET pH sensörünü önyargılı yapmak için ADC (analogdan dijitale dönüştürücü), DAC (dijitalden analoga dönüştürücü), dahili çalışma amplifikatörü ve FVR (sabit voltaj referansı) çevre birimlerini kullanan dahili mikrodenetleyiciye güç sağlar. Elde eden “kapı” gerilimi (altın referans elektrot) çevredeki ortamın pH’ı ile orantılıdır. Kararlı bir Kimlik akımı , düşük taraflı bir R2 algılama direnci ile sağlanır. ISFET sensörünün kaynağı operasyonel amplifikatörün ters olmayan girişine bağlanırken, ters giriş 960 mV olarak ayarlanmış DAC modülünün çıkış gerilimine bağlanır. Operasyonel amplifikatörün çıkışı ISFET’in tahliye pimine bağlıdır. Bu operasyonel amplifikatör tahliye voltajını düzenler, böylece R2 direncindeki voltaj farkı her zaman 960 mV’dir; böylece, ISFET üzerinden (normal çalışma sırasında) 29 μA’lık sabit bir sapma akımı akar. Kapı gerilimi daha sonra bir ADC ile ölçülür. Mikrodenetleyici daha sonra GPIO (genel amaçlı giriş/çıkış) pimlerinden biri aracılığıyla RF vericisine güç verir ve diziyi iletir. RF verici devresi, çıkışı 50 Ω empedansla eşleştiren kristal ve eşleşen bir ağ içerir.
Burada gösterilen deneyler için, yemek borusunun uzun bir bölümüne sahip bir domuz midesi kullandık. Bu, ESD (endoskopik submukozal diseksiyon), POEM (oral endoskopik miyotomi), endoskopik mukozal rezeksiyon (EMR), hemostaz vb. İnsan organlarına yaklaşan mümkün olan en yakın anatomik parametrelerle ilgili olarak, 40-50 kg ağırlığındaki domuzların midesini ve yemek borusunu kullandık.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu yöntem, yeni aktif implante edilebilir tıbbi cihazların geliştirilmesi üzerinde çalışan araştırmacılar için uygundur. Yüzey montaj bileşenlerine sahip elektronik prototiplerin üretiminde bir yeterlilik seviyesi gerektirir. Protokoldeki kritik adımlar, özellikle küçük bileşenlerin yerleştirilmesi ve lehimlemesinde operatör hatasına eğilimli olan PCB’lerin doldurulmasının elektronik üretimiyle ilgilidir. Daha sonra, doğru kapsülleme, neme ve sıvılara maruz kaldığında cihazın ömrünü…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, bu çalışmayı desteklenerek Charles Üniversitesi’ni (proje GA UK No 176119) minnetle kabul ederler. Bu çalışma Charles Üniversitesi araştırma programı PROGRES Q 28 (Onkoloji) tarafından desteklendi.
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 |
References
- El-Serag, H. B., Sweet, S., Winchester, C. C., Dent, J. Update on the epidemiology of gastro-oesophageal reflux disease: a systematic review. Gut. 63 (6), 871-880 (2014).
- Gyawali, C. P., et al. Modern diagnosis of GERD: the Lyon Consensus. Gut. 67 (7), 1351-1362 (2018).
- Cesario, S., et al. Diagnosis of GERD in typical and atypical manifestations. Acta Biomedica. 89 (5), 33-39 (2018).
- Sifrim, D., Gyawali, C. P. Prolonged wireless pH monitoring or 24-hour catheter-based pH impedance monitoring: Who, When, and Why. American Journal of Gastroenterology. 115 (8), 1150-1152 (2020).
- Chae, S., Richter, J. E. Wireless 24, 48, and 96 Hour or impedance or oropharyngeal prolonged pH monitoring: Which test, when, and why for GERD. Current Gastroenterology Reports. 20 (11), 52 (2018).
- Furness, J. B., Callaghan, B. P., Rivera, L. R., Cho, H. -. J. The enteric nervous system and gastrointestinal innervation: integrated local and central control. Adv Exp Med Biol. 817, 39-71 (2014).
- Sanmiguel, C. P., et al. Effect of electrical stimulation of the LES on LES pressure in a canine model. American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver Physiology. 295 (2), 389-394 (2008).
- Rodríguez, L., et al. Electrical stimulation therapy of the lower esophageal sphincter is successful in treating GERD: final results of open-label prospective trial. Surgical Endoscopy. 27 (4), 1083-1092 (2013).
- Rinsma, N. F., Bouvy, N. D., Masclee, A. A. M., Conchillo, J. M. Electrical stimulation therapy for gastroesophageal reflux disease. Journal of Neurogastroenterology and Motility. 20 (3), 287-293 (2014).
- Rodríguez, L., et al. Two-year results of intermittent electrical stimulation of the lower esophageal sphincter treatment of gastroesophageal reflux disease. Surgery. 157 (3), 556-567 (2015).
- Kwiatek, M. A., Pandolfino, J. E. The BravoTM pH capsule system. Digestive and Liver Disease. 40 (3), 156-160 (2008).
- Karamanolis, G., et al. 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. Journal of Neurogastroenterology and Motility. 18 (2), 169-173 (2012).
- Rodríguez, L., et al. Two-year results of intermittent electrical stimulation of the lower esophageal sphincter treatment of gastroesophageal reflux disease. Surgery (United States). 157 (3), 556-567 (2015).
- Hajer, J., Novák, M., Rosina, J. Wirelessly powered endoscopically implantable devices into the submucosa as the possible treatment of gastroesophageal reflux disease. Gastroenterology Research and Practice. 2019, 1-7 (2019).
- Deb, S., et al. Development of innovative techniques for the endoscopic implantation and securing of a novel, wireless, miniature gastrostimulator (with videos). Gastrointestinal Endoscopy. 76 (1), 179-184 (2012).
- Shin, P., Mikolajick, T., Ryssel, H. pH Sensing Properties of ISFETs with LPCVD Silicon Nitride Sensitive-Gate. The Journal of Electrical Engineering and Information Science. 2, 82-87 (1997).
- Benhamou, P. -. Y., et al. Closed-loop insulin delivery in adults with type 1 diabetes in real-life conditions: a 12-week multicentre, open-label randomised controlled crossover trial. The Lancet Digital Health. 1 (1), 17-25 (2019).
- Nikolic, M., et al. Tailored modern GERD therapy – steps towards the development of an aid to guide personalized anti-reflux surgery. Scientific Reports. 9 (1), 19174 (2019).
- Hajer, J., Novák, M. Autonomous and rechargeable microneurostimulator endoscopically implantable into the submucosa. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (139), e57268 (2018).
- Pavelka, M., Roth, J. Parietal Cells Of Stomach: Secretion Of Acid. Functional Ultrastructure. , 202-203 (2010).
- Jones, R. D., Neuman, M. R., Sanders, G., Cross, F. S. Miniature antimony pH electrodes for measuring gastroesophageal reflux. The Annals of Thoracic Surgery. 33 (5), 491-495 (1982).
- Waugh, R. W., Buted, R. R. The zero bias schottky diode detector at temperature extremes-problems and solutions. Proceedings of the WIRELESS Symposium. , 175-183 (1996).
- Soffer, E. Effect of electrical stimulation of the lower esophageal sphincter in gastroesophageal reflux disease patients refractory to proton pump inhibitors. World Journal of Gastrointestinal Pharmacology and Therapeutics. 7 (1), 145 (2016).
- . Microsemi ZL70323 MICS-band RF miniaturized standard implant module (MiniSIM) Available from: https://www.microsemi.com/document-portal/doc_download/135307-zl70323-datasheet (2015)
