Aufbau eines funkfähigen endoskopisch implantierbaren Sensors zur pH-Überwachung mit Zero-Bias Schottky Dioden-basiertem Empfänger

Summary

Das Manuskript präsentiert einen implantierbaren Miniatur-pH-Sensor mit ASK-moduliertem Funkausgang zusammen mit einer vollständig passiven Empfängerschaltung, die auf Null-Bias-Schottky-Dioden basiert. Diese Lösung kann als Grundlage für die Entwicklung von in vivo kalibrierten Elektrostimulationstherapiegeräten und für die ambulante pH-Überwachung verwendet werden.

Abstract

Die ambulante pH-Überwachung des pathologischen Refluxes ist eine Gelegenheit, den Zusammenhang zwischen Symptomen und exposition der Speiseröhre gegenüber saurem oder nicht saurem Refluxat zu beobachten. Dieser Artikel beschreibt eine Methode zur Entwicklung, Herstellung und Implantation eines drahtlosen Miniatur-pH-Sensors. Der Sensor ist so konzipiert, dass er endoskopisch mit einem einzigen hämostatischen Clip implantiert werden kann. Ein vollständig passiver Rectenna-basierter Empfänger, der auf einer Null-Bias-Schottky-Diode basiert, wird ebenfalls konstruiert und getestet. Um das Gerät zu konstruieren, wurden eine zweischichtige Leiterplatte und handelsübliche Komponenten verwendet. Ein Miniatur-Mikrocontroller mit integrierter analoger Peripherie wird als analoges Frontend für den ionenempfindlichen Feldeffekttransistor (ISFET) Sensor und zur Erzeugung eines digitalen Signals verwendet, das mit einem Amplitudenverschiebungs-Keying-Transmitterchip übertragen wird. Das Gerät wird von zwei primären Alkalizellen angetrieben. Das implantierbare Gerät hat ein Gesamtvolumen von 0,6 ^cm3 und ein Gewicht von 1,2 Gramm und seine Leistung wurde in einem Ex-vivo-Modell (Schweinespeiseröhre und Magen) nachgewiesen. Als nächstes wurde ein passiver Rektenna-basierter Empfänger mit geringem Platzbedarf konstruiert, der einfach entweder in einen externen Empfänger oder den implantierbaren Neurostimulator integriert werden kann, und es wurde nachgewiesen, dass er das HF-Signal vom Implantat empfängt, wenn es sich in der Nähe (20 cm) befindet. Die geringe Größe des Sensors ermöglicht eine kontinuierliche pH-Überwachung mit minimaler Obstruktion der Speiseröhre. Der Sensor könnte in der klinischen Routinepraxis für die 24/96 h Ösophagus-pH-Überwachung eingesetzt werden, ohne dass ein Nasenkatheter eingeführt werden muss. Die “Zero-Power” -Natur des Empfängers ermöglicht auch die Verwendung des Sensors für die automatische In-vivo-Kalibrierung von Miniatur-Neurostimulationsgeräten für den unteren Ösophagussphinkter. Eine aktive sensorbasierte Steuerung ermöglicht die Entwicklung fortschrittlicher Algorithmen, um die verbrauchte Energie zu minimieren, um ein wünschenswertes klinisches Ergebnis zu erzielen. Eines der Beispiele für einen solchen Algorithmus wäre ein Closed-Loop-System zur On-Demand-Neurostimulationstherapie der gastroösophagealen Refluxkrankheit (GERD).

Introduction

Der Montreal Consensus definiert die gastroösophageale Refluxkrankheit (GERD) als “eine Erkrankung, die sich entwickelt, wenn der Reflux des Mageninhalts unangenehme Symptome und / oder Komplikationen verursacht”. Es kann mit anderen spezifischen Komplikationen wie Ösophagus-Strikturen, Barrett-Ösophagus oder Ösophagus-Adenokarzinom assoziiert sein. GERD betrifft etwa 20 % der erwachsenen Bevölkerung, hauptsächlich in Ländern mit hohem wirtschaftlichen ^Status1.

Die ambulante pH-Überwachung des pathologischen Refluxes (Säureexpositionszeit von mehr als 6 %) ermöglicht es uns, den Zusammenhang zwischen Symptomen und saurem oder nicht saurem gastroösophagealem Reflux zu ^{unterscheiden2,3}. Bei Patienten, die nicht auf eine PPI-Therapie (Protonenpumpenhemmer) ansprechen, kann die pH-Überwachung beantworten, ob es sich um einen pathologischen gastroösophagealen Reflux handelt und warum der Patient nicht auf die Standard-PPI-Therapie anspricht. Derzeit werden verschiedene Optionen zur pH- und Impedanzüberwachung angeboten. Eine der neueren Möglichkeiten ist die drahtlose Überwachung mit implantierbaren ^Geräten4,5.

GERD ist mit einer Störung des unteren Ösophagussphinkters (LES) assoziiert, bei der die während der Ösophagusmanometrie gezeigten Kontraktionen nicht pathologisch sind, sondern bei langfristiger GERD eine verminderte Amplitude aufweisen. LES besteht aus glatter Muskulatur und erhält tonische Kontraktionen aufgrund myogener und neurogener Faktoren aufrecht. Es entspannt sich aufgrund einer vagalvermittelten Hemmung mit Stickstoffmonoxid als ^{Neurotransmitter6}.

Es wurde nachgewiesen, dass die elektrische Stimulation mit zwei Elektrodenpaaren die Kontraktionszeit des LES in einem Canine Reflux ^Model7 erhöht. Die Entspannung des LES einschließlich des Restdrucks beim Schlucken wurde sowohl durch die nieder- als auch durch die hochfrequente Stimulation nicht beeinflusst. Hochfrequenzstimulation ist eine offensichtliche Wahl, da sie weniger Strom benötigt und die Akkulaufzeit verlängert.

Obwohl die Elektrostimulationsbehandlung (ET) des unteren Ösophagussphinkters ein relativ neues Konzept bei der Behandlung von Patienten mit GERD ist, erwies sich diese Therapie als sicher und wirksam. Es hat sich gezeigt, dass diese Form der Behandlung eine signifikante und dauerhafte Linderung der Symptome von GERD bietet, während die Notwendigkeit einer PPI-Behandlung entfällt und die Exposition gegenüber Speiseröhrensäure reduziert wird8,9,10.

Der aktuelle pH-Sensor auf dem neuesten Stand der Technik für die Diagnose von GERD ist das ^{Bravo-Gerät11,12}. Bei einem geschätzten Volumen von 1,7 ^cm3 kann es mit oder ohne visuelle endoskopische Rückkopplung direkt in die Speiseröhre implantiert werden und bietet eine Überwachung des pH-Wertes in der Speiseröhre über 24 h+.

In Anbetracht der Tatsache, dass die Elektrostimulationstherapie eine der vielversprechendsten Alternativen zur Behandlung von GERD ist, die nicht auf die Standardtherapie ^{anspricht8,13}, ist es sinnvoll, die Daten vom pH-Sensor dem Neurostimulator zur Verfügung zu stellen. Die jüngste Forschung zeigt einen klaren Weg für die zukünftige Entwicklung in diesem Bereich, die zu starren implantierbaren All-in-One-Geräten führen wird, die sich am Ort der Neurostimulation befinden ^werden14,15. Zu diesem Zweck ist der ISFET (ionenempfindlicher Feldeffekttransistor) aufgrund seiner Miniaturnatur, der Möglichkeit der On-Chip-Integration einer Referenzelektrode (in diesem Fall Gold) und einer ausreichend hohen Empfindlichkeit einer der besten Sensortypen. Auf Silizium ähnelt der ISFET der Struktur eines Standard-MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Das Gate, das normalerweise mit einer elektrischen Klemme verbunden ist, wird jedoch durch eine Schicht aus aktivem Material ersetzt, die in direktem Kontakt mit der Umgebung steht. Bei pH-sensitiven ISFETs wird diese Schicht durch Siliziumnitrid (_Si3N4)¹⁶ gebildet.

Der Hauptnachteil endoskopisch implantierbarer Geräte ist die inhärente Begrenzung der Batteriegröße, die zu einer verkürzten Lebensdauer dieser Geräte führen oder die Hersteller motivieren kann, fortschrittliche Algorithmen zu entwickeln, die den erforderlichen Effekt bei geringeren Energiekosten liefern. Eines der Beispiele für einen solchen Algorithmus wäre ein closed-loop-System zur On-Demand-Neurostimulationstherapie von GERD. Ähnlich wie kontinuierliche Glukosemessgeräte (CGM) + ^{Insulinpumpensysteme17} würde ein solches System einen pH-Sensor der Speiseröhre oder einen anderen Sensor verwenden, um den aktuellen Druck des unteren Ösophagussphinkters zusammen mit einer Neurostimulationseinheit zu erfassen.

Das Ansprechen auf die Neurostimulationstherapie und die Anforderungen an Neurostimulationsmuster können individuell ^sein13. Daher ist es wichtig, unabhängige Sensoren zu entwickeln, die entweder zur Diagnose und Charakterisierung der Dysfunktion eingesetzt werden können oder aktiv an der Kalibrierung des Neurostimulationssystems entsprechend den individuellen Anforderungen der Patienten beteiligt ^sind18. Diese Sensoren sollten so klein wie möglich sein, um die normale Funktionalität des Organs nicht zu beeinträchtigen.

Dieses Manuskript beschreibt eine Methode des Designs und der Herstellung eines ISFET-basierten pH-Sensors mit Amplituden-Shift-Keying-Sender (ASK) und einem passiven Rectenna-basierten Empfänger mit geringem Platzbedarf. Basierend auf der einfachen Architektur der Lösung können die pH-Daten von einem externen Empfänger oder sogar dem implantierbaren Neurostimulator ohne nennenswerte Volumen- oder Leistungseinbußen empfangen werden. Die ASK-Modulation wird aufgrund der Art des passiven Empfängers gewählt, der nur in der Lage ist, die empfangene HF-Signalleistung (oft als “empfangene Signalstärke” bezeichnet) zu erfassen. Das schematische Diagramm, das als Ergänzungsmaterial eingebettet ist, zeigt den Aufbau des Gerätes. Es wird direkt von zwei AG1 Alkaline-Batterien gespeist, die eine Spannung zwischen 2,0-3,0 V (basierend auf dem Ladezustand) liefern. Die Batterien versorgen den internen Mikrocontroller mit Strom, der seinen ADC (Analog-Digital-Wandler), DAC (Digital-Analog-Wandler), den internen Operationsverstärker und die FVR-Peripherie (Festspannungsreferenz) nutzt, um den ISFET-pH-Sensor zu verbiegen. Die resultierende “Gate”-Spannung (die Gold-Referenzelektrode) ist proportional zum pH-Wert der Umgebung. Ein stabiler _Ids-Strom wird durch einen Low-Side-R2-Messwiderstand bereitgestellt. Die Quelle des ISFET-Sensors ist mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden, während der invertierende Eingang mit der Ausgangsspannung des DAC-Moduls verbunden ist, die auf 960 mV eingestellt ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers wird mit dem Drain-Pin des ISFETs verbunden. Dieser Operationsverstärker regelt die Drain-Spannung so, dass die Spannungsdifferenz am R2-Widerstand immer 960 mV beträgt; somit fließt ein konstanter Vorspannungsstrom von 29 μA durch den ISFET (im Normalbetrieb). Die Gate-Spannung wird dann mit einem ADC gemessen. Der Mikrocontroller schaltet dann den HF-Transmitter über einen der GPIO-Pins (General Purpose Input/Output) ein und überträgt die Sequenz. Die HF-Senderschaltung umfasst einen Quarz und ein passendes Netzwerk, das den Ausgang auf 50 Ω Impedanz anpasst.

Für die hier gezeigten Experimente verwendeten wir einen Schweinemagen mit einem langen Abschnitt der Speiseröhre, der in einem standardisierten Kunststoffmodell montiert war. Dies ist ein häufig verwendetes Modell für das Üben endoskopischer Techniken wie ESD (endoskopische submuköse Dissektion), POEM (orale endoskopische Myotomie), endoskopische Schleimhautresektion (EMR), Hämostase usw. In Bezug auf die engstmöglichen anatomischen Parameter, die sich menschlichen Organen nähern, haben wir den Magen und die Speiseröhre von Schweinen mit einem Gewicht von 40-50 kg verwendet.

Protocol

An dieser Studie waren keine lebenden Tiere beteiligt. Das Experiment wurde an einem Ex-vivo-Modell durchgeführt, das aus einer Schweinespeiseröhre und einem Magen bestand. Der Magen und die Speiseröhre wurden von einer lokalen Metzgerei als Standardprodukt gekauft. Dieses Verfahren entspricht den tschechischen Gesetzen und wir bevorzugen es wegen des “3R” -Prinzips (Ersatz, Reduzierung und Verfeinerung). 1. Herstellung der pH-Sensorbaugruppe HINWEIS: Beac…

Representative Results

Ein Gerät, das in der Lage ist, den pH-Wert autonom zu erfassen und den pH-Wert drahtlos zu übertragen, wurde erfolgreich konstruiert, wie in Abbildung 8 dargestellt. Das konstruierte Gerät ist ein Miniaturmodell; es wiegt 1,2 g und hat ein Volumen von 0,6 cm3. Die ungefähren Abmessungen betragen 18 mm x 8,5 mm x 4,5 mm. Wie in Abbildung 15, Abbildung 16 und Abbildung 17 …

Discussion

Diese Methode eignet sich für Forscher, die an der Entwicklung neuartiger aktiver implantierbarer medizinischer Geräte arbeiten. Es erfordert ein gewisses Maß an Kompetenz in der Herstellung von elektronischen Prototypen mit oberflächenmontierbaren Komponenten. Die kritischen Schritte im Protokoll beziehen sich auf die Herstellung der Elektronik, insbesondere auf die Befüllung der Leiterplatten, die anfällig für Bedienerfehler bei der Platzierung und dem Löten kleiner Komponenten ist. Dann ist die korrekte Verkap…

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