शून्य-पूर्वाग्रह Schottky डायोड-आधारित रिसीवर के साथ पीएच निगरानी के लिए एक वायरलेस-सक्षम एंडोस्कोपिक रूप से प्रत्यारोपण योग्य सेंसर का निर्माण
Summary
पांडुलिपि शून्य-पूर्वाग्रह Schottky डायोड के आधार पर एक पूरी तरह से निष्क्रिय रिसीवर सर्किट के साथ ASK modulated वायरलेस आउटपुट के साथ एक लघु प्रत्यारोपण पीएच सेंसर प्रस्तुत करता है। इस समाधान का उपयोग विवो कैलिब्रेटेड इलेक्ट्रोस्टिम्यूलेशन थेरेपी उपकरणों के विकास में एक आधार के रूप में और एम्बुलेटरी पीएच निगरानी के लिए किया जा सकता है।
Abstract
पैथोलॉजिकल रिफ्लक्स की एम्बुलेटरी पीएच निगरानी लक्षणों और एसोफैगस के एसिडिक या गैर-अम्लीय रिफ्लक्सेट के संपर्क के बीच संबंधों का निरीक्षण करने का एक अवसर है। यह पेपर एक लघु वायरलेस-सक्षम पीएच सेंसर के विकास, विनिर्माण और आरोपण के लिए एक विधि का वर्णन करता है। सेंसर को एकल हेमोस्टैटिक क्लिप के साथ एंडोस्कोपिक रूप से प्रत्यारोपित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। एक शून्य-पूर्वाग्रह Schottky डायोड पर आधारित एक पूरी तरह से निष्क्रिय rectenna-आधारित रिसीवर भी निर्माण और परीक्षण किया जाता है। डिवाइस के निर्माण के लिए, एक दो-परत मुद्रित सर्किट बोर्ड और ऑफ-द-शेल्फ घटकों का उपयोग किया गया था। एकीकृत एनालॉग बाह्य उपकरणों के साथ एक लघु माइक्रोकंट्रोलर का उपयोग आयन-संवेदनशील क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (ISFET) सेंसर के लिए एक एनालॉग फ्रंट एंड के रूप में किया जाता है और एक डिजिटल सिग्नल उत्पन्न करने के लिए किया जाता है जो एक आयाम शिफ्ट कीइंग ट्रांसमीटर चिप के साथ प्रेषित होता है। डिवाइस दो प्राथमिक क्षारीय कोशिकाओं द्वारा संचालित है। इम्प्लांटेबल डिवाइस में 0.6 सेमी 3 की कुल मात्रा और 1.2 ग्राम का वजन होता है, और इसके प्रदर्शन को एक पूर्व विवो मॉडल (पोर्सिनी एसोफैगस और पेट) में सत्यापित किया गया था। इसके बाद, एक छोटा पदचिह्न निष्क्रिय रेक्टेना-आधारित रिसीवर जिसे आसानी से या तो बाहरी रिसीवर या प्रत्यारोपण योग्य न्यूरोस्टिम्युलेटर में एकीकृत किया जा सकता है, का निर्माण किया गया था और प्रत्यारोपण से आरएफ सिग्नल प्राप्त करने के लिए साबित किया गया था जब निकटता (20 सेमी) में। सेंसर का छोटा आकार घुटकी की न्यूनतम बाधा के साथ निरंतर पीएच निगरानी प्रदान करता है। सेंसर का उपयोग नाक कैथेटर डालने की आवश्यकता के बिना 24/96 एच एसोफेजेल पीएच निगरानी के लिए नियमित नैदानिक अभ्यास में किया जा सकता है। रिसीवर की “शून्य-शक्ति” प्रकृति भी लघु निचले एसोफेजेल स्फिंक्टर न्यूरोस्टिम्यूलेशन उपकरणों के स्वचालित इन-विवो अंशांकन के लिए सेंसर के उपयोग को सक्षम बनाती है। एक सक्रिय सेंसर-आधारित नियंत्रण एक वांछनीय नैदानिक परिणाम प्राप्त करने के लिए उपयोग की जाने वाली ऊर्जा को कम करने के लिए उन्नत एल्गोरिदम के विकास को सक्षम बनाता है। इस तरह के एक एल्गोरिथ्म के उदाहरणों में से एक गैस्ट्रोओसोफेगल रिफ्लक्स रोग (जीईआरडी) की ऑन-डिमांड न्यूरोस्टिम्यूलेशन थेरेपी के लिए एक बंद-लूप प्रणाली होगी।
Introduction
मॉन्ट्रियल आम सहमति गैस्ट्रोओसोफेगल रिफ्लक्स रोग (जीईआरडी) को “एक ऐसी स्थिति के रूप में परिभाषित करती है जो पेट की सामग्री को भाटाने पर विकसित होती है जो अप्रिय लक्षणों और / या जटिलताओं का कारण बनती है”। यह अन्य विशिष्ट जटिलताओं जैसे एसोफेजेल सख्ती, बैरेट के अन्नप्रणाली, या एसोफेजेल एडेनोकार्सिनोमा से जुड़ा हो सकता है। जीईआरडी वयस्क आबादी के लगभग 20% को प्रभावित करता है, मुख्य रूप से उच्च आर्थिक स्थिति वाले देशों में।
पैथोलॉजिकल रिफ्लक्स (6% से अधिक का एसिड एक्सपोजर समय) की एम्बुलेटरी पीएच निगरानी हमें लक्षणों और अम्लीय या गैर-अम्लीय गैस्ट्रोओसोफेगल रिफ्लक्स 2,3 के बीच संबंधों को अलग करने की अनुमति देती है। पीपीआई (प्रोटॉन पंप इनहिबिटर) थेरेपी के लिए अनुत्तरदायी रोगियों में, पीएच निगरानी जवाब दे सकती है कि क्या यह पैथोलॉजिकल गैस्ट्रोओसोफेगल रिफ्लक्स है और रोगी मानक पीपीआई थेरेपी का जवाब क्यों नहीं देता है। विभिन्न पीएच और प्रतिबाधा निगरानी विकल्प वर्तमान में की पेशकश कर रहे हैं. नई संभावनाओं में से एक प्रत्यारोपण योग्य उपकरणों का उपयोग करके वायरलेस निगरानी है4,5।
जीईआरडी कम एसोफेजेल स्फिंक्टर (एलईएस) विकार से जुड़ा हुआ है, जहां एसोफेजियल मैनोमेट्री के दौरान दिखाए गए संकुचन पैथोलॉजिकल नहीं हैं, लेकिन दीर्घकालिक जीईआरडी में कम आयाम हैं। एलईएस में चिकनी मांसपेशियां होती हैं और मायोजेनिक और न्यूरोजेनिक कारकों के कारण टॉनिक संकुचन को बनाए रखती हैं। यह एक न्यूरोट्रांसमीटर 6 के रूप में नाइट्रिक ऑक्साइड को शामिल करने वाले वेगल-मध्यस्थता निषेध के कारण आराम करता है।
इलेक्ट्रोड के दो जोड़े के साथ विद्युत उत्तेजना एक कैनाइन भाटा मॉडल 7 में एलईएस के संकुचन समय को बढ़ाने के लिए साबित हुई थी। निगलने के दौरान अवशिष्ट दबाव सहित एलईएस की छूट कम और उच्च आवृत्ति उत्तेजना दोनों से प्रभावित नहीं हुई थी। उच्च आवृत्ति उत्तेजना एक स्पष्ट विकल्प है क्योंकि इसे कम शक्ति की आवश्यकता होती है और बैटरी जीवन का विस्तार करता है।
हालांकि निचले एसोफेजेल स्फिंक्टर का इलेक्ट्रोस्टिमुलेशन उपचार (ईटी) जीईआरडी वाले रोगियों के उपचार में एक अपेक्षाकृत नई अवधारणा है, इस थेरेपी को सुरक्षित और प्रभावी दिखाया गया था। उपचार के इस रूप को जीईआरडी के लक्षणों से महत्वपूर्ण और स्थायी राहत प्रदान करने के लिए दिखाया गया है, जबकि पीपीआई उपचार की आवश्यकता को समाप्त करने और एसोफेजेल एसिड एक्सपोजर को कम करने के लिए 8,9,10।
जीईआरडी के निदान के लिए वर्तमान अत्याधुनिक पीएच सेंसर ब्रावो डिवाइस 11,12 है। 1.7 सेमी 3 की अनुमानित मात्रा में, इसे दृश्य एंडोस्कोपिक प्रतिक्रिया के साथ या बिना एसोफैगस में सीधे प्रत्यारोपित किया जा सकता है और एसोफैगस में पीएच की 24 एच + निगरानी प्रदान करता है।
यह देखते हुए कि इलेक्ट्रोस्टिम्यूलेशन थेरेपी मानक चिकित्सा 8,13 का जवाब नहीं देने वाले जीईआरडी के इलाज के लिए सबसे आशाजनक विकल्पों में से एक है, यह पीएच सेंसर से न्यूरोस्टिमुलेटर को डेटा प्रदान करने के लिए समझ में आता है। हाल के शोध से पता चलता है कि इस क्षेत्र में भविष्य के विकास के लिए एक स्पष्ट मार्ग है जो कठोर ऑल-इन-वन इम्प्लांटेबल उपकरणों को जन्म देगा जो न्यूरोस्टिमुलेशन 14,15 की साइट पर रहेंगे। इस उद्देश्य के लिए, ISFET (आयन-संवेदनशील क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर) अपनी लघु प्रकृति, एक संदर्भ इलेक्ट्रोड (इस मामले में सोना) के ऑन-चिप एकीकरण की संभावना और पर्याप्त रूप से उच्च संवेदनशीलता के कारण सेंसर के सर्वोत्तम प्रकारों में से एक है। सिलिकॉन पर, ISFET एक मानक MOSFET (धातु ऑक्साइड अर्धचालक क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर) की संरचना जैसा दिखता है। हालांकि, गेट, आमतौर पर एक विद्युत टर्मिनल से जुड़ा होता है, आसपास के वातावरण के साथ सीधे संपर्क में सक्रिय सामग्री की एक परत द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। पीएच-संवेदनशील आईएसएफईटी के मामले में, यह परत सिलिकॉन नाइट्राइड (Si3N4)16 द्वारा बनाई जाती है।
एंडोस्कोपिक रूप से प्रत्यारोपण योग्य उपकरणों का मुख्य नुकसान बैटरी के आकार की अंतर्निहित सीमा है, जो इन उपकरणों के जीवनकाल को कम कर सकता है या निर्माताओं को उन्नत एल्गोरिदम विकसित करने के लिए प्रेरित कर सकता है जो कम ऊर्जा लागत पर आवश्यक प्रभाव प्रदान करेगा। इस तरह के एल्गोरिथ्म के उदाहरणों में से एक जीईआरडी की ऑन-डिमांड न्यूरोस्टिमुलेशन थेरेपी के लिए एक बंद-लूप प्रणाली होगी। निरंतर ग्लूकोज मीटर (सीजीएम) + इंसुलिन पंप सिस्टम 17 के समान, इस तरह की प्रणाली एक न्यूरोस्टिम्यूलेशन इकाई के साथ मिलकर निचले एसोफेजेल स्फिंक्टर के वर्तमान दबाव का पता लगाने के लिए एक एसोफेजेल पीएच सेंसर या किसी अन्य सेंसर को नियोजित करेगी।
न्यूरोस्टिमुलेशन थेरेपी की प्रतिक्रिया और न्यूरोस्टिमुलेशन पैटर्न के लिए आवश्यकताएं व्यक्तिगत हो सकती हैं13। इस प्रकार, स्वतंत्र सेंसर विकसित करना महत्वपूर्ण है जिसका उपयोग या तो रोग के निदान और लक्षण वर्णन के लिए किया जा सकता है या रोगियों की व्यक्तिगत आवश्यकताओं के अनुसार न्यूरोस्टिमुलेशन सिस्टम को कैलिब्रेट करने में सक्रिय रूप से भाग लेने के लिए किया जा सकता है। ये सेंसर अंग की सामान्य कार्यक्षमता को प्रभावित नहीं करने के लिए जितना संभव हो उतना छोटा होना चाहिए।
यह पांडुलिपि आयाम-शिफ्ट कीइंग (ASK) ट्रांसमीटर और एक छोटे पदचिह्न निष्क्रिय rectenna-आधारित रिसीवर के साथ एक ISFET आधारित पीएच सेंसर के डिजाइन और निर्माण की एक विधि का वर्णन करती है। समाधान की सरल वास्तुकला के आधार पर, पीएच डेटा को बाहरी रिसीवर या यहां तक कि प्रत्यारोपण योग्य न्यूरोस्टिम्युलेटर द्वारा किसी भी महत्वपूर्ण मात्रा या शक्ति दंड के बिना प्राप्त किया जा सकता है। ASK मॉडुलन को निष्क्रिय रिसीवर की प्रकृति के कारण चुना जाता है, जो केवल प्राप्त आरएफ सिग्नल पावर (जिसे अक्सर “प्राप्त सिग्नल ताकत” कहा जाता है) का पता लगाने में सक्षम है। योजनाबद्ध आरेख, जो पूरक सामग्री के रूप में एम्बेडेड है, डिवाइस के निर्माण को दर्शाता है। यह सीधे दो एजी 1 क्षारीय बैटरी से संचालित होता है, जो 2.0-3.0 वी (चार्ज की स्थिति के आधार पर) के बीच वोल्टेज प्रदान करता है। बैटरी आंतरिक माइक्रोकंट्रोलर को शक्ति देती है, जो आईएसएफईटी पीएच सेंसर को पूर्वाग्रहित करने के लिए अपने एडीसी (एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर), डीएसी (डिजिटल-टू-एनालॉग कनवर्टर), आंतरिक ऑपरेशन एम्पलीफायर और एफवीआर (फिक्स्ड-वोल्टेज संदर्भ) पेरिफेरल्स का उपयोग करती है। परिणामी “गेट” वोल्टेज (सोने का संदर्भ इलेक्ट्रोड) आसपास के वातावरण के पीएच के लिए आनुपातिक है। एक स्थिर आईडी वर्तमान एक कम पक्ष R2 संवेदन रोकनेवाला द्वारा प्रदान की जाती है। ISFET सेंसर का स्रोत परिचालन एम्पलीफायर के गैर-उलटा इनपुट से जुड़ा हुआ है, जबकि उलटा इनपुट 960 mV पर सेट DAC मॉड्यूल के आउटपुट वोल्टेज से जुड़ा हुआ है। परिचालन एम्पलीफायर का आउटपुट ISFET के नाली पिन से जुड़ा हुआ है। यह परिचालन एम्पलीफायर नाली वोल्टेज को नियंत्रित करता है ताकि R2 प्रतिरोधक पर वोल्टेज अंतर हमेशा 960 mV हो; इस प्रकार, 29 μA की एक निरंतर पूर्वाग्रह धारा ISFET के माध्यम से बहती है (जब सामान्य ऑपरेशन में)। गेट वोल्टेज को तब एक एडीसी के साथ मापा जाता है। माइक्रोकंट्रोलर तब GPIO (सामान्य उद्देश्य इनपुट / आउटपुट) पिन में से एक के माध्यम से आरएफ ट्रांसमीटर पर शक्तियां और अनुक्रम प्रसारित करता है। आरएफ ट्रांसमीटर सर्किट में एक क्रिस्टल और मिलान नेटवर्क शामिल होता है जो आउटपुट को 50 Ω प्रतिबाधा से मेल खाता है।
यहां प्रदर्शित प्रयोगों के लिए, हमने एक मानकीकृत प्लास्टिक मॉडल में घुड़सवार एसोफैगस के लंबे खंड के साथ एक सुअर के पेट का उपयोग किया। यह एंडोस्कोपिक तकनीकों जैसे ईएसडी (एंडोस्कोपिक सबम्यूकोसाल विच्छेदन), पीओईएम (मौखिक एंडोस्कोपिक मायोटॉमी), एंडोस्कोपिक म्यूकोसल लकीर (ईएमआर), हेमोस्टेसिस, आदि का अभ्यास करने के लिए आमतौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला मॉडल है। मानव अंगों के निकटतम संभावित शारीरिक मापदंडों के बारे में, हमने 40-50 किलोग्राम वजन वाले सूअरों के पेट और अन्नप्रणाली का उपयोग किया।
Protocol
Representative Results
Discussion
यह विधि उन शोधकर्ताओं के लिए उपयुक्त है जो उपन्यास सक्रिय प्रत्यारोपण योग्य चिकित्सा उपकरणों के विकास पर काम करते हैं। यह सतह माउंट घटकों के साथ इलेक्ट्रॉनिक प्रोटोटाइप के निर्माण में प्रवीणता के एक…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकइस अध्ययन का समर्थन करने के लिए चार्ल्स विश्वविद्यालय (परियोजना जीए यूके नो 176119) को कृतज्ञतापूर्वक स्वीकार करते हैं। इस काम को चार्ल्स विश्वविद्यालय के अनुसंधान कार्यक्रम PROGRES Q 28 (ऑन्कोलॉजी) द्वारा समर्थित किया गया था।
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
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