Construcción de un sensor implantable endoscópicamente habilitado para la tecnología inalámbrica para el monitoreo del pH con receptor basado en diodo Schottky de sesgo cero

Summary

El manuscrito presenta un sensor de pH implantable en miniatura con salida inalámbrica modulada ASK junto con un circuito receptor totalmente pasivo basado en diodos Schottky de sesgo cero. Esta solución se puede utilizar como base en el desarrollo de dispositivos de terapia de electroestimulación calibrada in vivo y para la monitorización ambulatoria del pH.

Abstract

La monitorización ambulatoria del pH del reflujo patológico es una oportunidad para observar la relación entre los síntomas y la exposición del esófago al reflujo ácido o no ácido. Este artículo describe un método para el desarrollo, fabricación e implantación de un sensor de pH inalámbrico en miniatura. El sensor está diseñado para ser implantado endoscópicamente con un solo clip hemostático. También se construye y prueba un receptor totalmente pasivo basado en rectenna basado en un diodo Schottky de sesgo cero. Para construir el dispositivo, se utilizó una placa de circuito impreso de dos capas y componentes listos para usar. Un microcontrolador en miniatura con periféricos analógicos integrados se utiliza como extremo frontal analógico para el sensor de transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET) y para generar una señal digital que se transmite con un chip transmisor de tecla de cambio de amplitud. El dispositivo es alimentado por dos células alcalinas primarias. El dispositivo implantable tiene un volumen total de 0,6 ^cm3 y un peso de 1,2 gramos, y su rendimiento se verificó en un modelo ex vivo (esófago porcino y estómago). A continuación, se construyó un receptor pasivo basado en rectenna de pequeña huella que se puede integrar fácilmente en un receptor externo o en el neuroestimulador implantable, y se demostró que recibe la señal de RF del implante cuando está cerca (20 cm) de él. El pequeño tamaño del sensor proporciona un monitoreo continuo del pH con una obstrucción mínima del esófago. El sensor podría utilizarse en la práctica clínica habitual para la monitorización del pH esofágico las 24/96 horas sin necesidad de insertar un catéter nasal. La naturaleza de “potencia cero” del receptor también permite el uso del sensor para la calibración automática in vivo de dispositivos de neuroestimulación del esfínter esofágico inferior en miniatura. Un control activo basado en sensores permite el desarrollo de algoritmos avanzados para minimizar la energía utilizada para lograr un resultado clínico deseable. Uno de los ejemplos de tal algoritmo sería un sistema de circuito cerrado para la terapia de neuroestimulación bajo demanda de la enfermedad por reflujo gastroesofágico (ERGE).

Introduction

El Consenso de Montreal define la enfermedad por reflujo gastroesofágico (ERGE) como “una condición que se desarrolla cuando el reflujo del contenido del estómago causa síntomas desagradables y / o complicaciones”. Puede estar asociado con otras complicaciones específicas como estenosis esofágicas, esófago de Barrett o adenocarcinoma de esófago. La ERGE afecta aproximadamente al 20% de la población adulta, principalmente en países con alto estatus ^económico1.

La monitorización ambulatoria del pH del reflujo patológico (tiempo de exposición ácida superior al 6%) permite distinguir la relación entre síntomas y reflujo gastroesofágico ácido o no ^ácido2,3. En pacientes que no responden a la terapia con IBP (inhibidor de la bomba de protones), la monitorización del pH puede responder si se trata de reflujo gastroesofágico patológico y por qué el paciente no responde a la terapia estándar con IBP. Actualmente se ofrecen varias opciones de monitoreo de pH e impedancia. Una de las nuevas posibilidades es la monitorización inalámbrica mediante dispositivos ^{implantables4,5}.

La ERGE se asocia con el trastorno del esfínter esofágico inferior (EEI), donde las contracciones mostradas durante la manometría esofágica no son patológicas, pero tienen una amplitud reducida en la ERGE a largo plazo. EL SE consiste en músculo liso y mantiene las contracciones tónicas debido a factores miogénicos y neurogénicos. Se relaja debido a la inhibición mediada por vagales que involucra óxido nítrico como ^{neurotransmisor6}.

Se comprobó que la estimulación eléctrica con dos pares de electrodos aumenta el tiempo de contracción del LES en un modelo de reflujo ^canino7. La relajación del EEI, incluida la presión residual durante la deglución, no se vio afectada por la estimulación de baja y alta frecuencia. La estimulación de alta frecuencia es una opción obvia porque requiere menos energía y extiende la duración de la batería.

Aunque el tratamiento de electroestimulación (ET) del esfínter esofágico inferior es un concepto relativamente nuevo en el tratamiento de pacientes con ERGE, esta terapia demostró ser segura y efectiva. Se ha demostrado que esta forma de tratamiento proporciona un alivio significativo y duradero de los síntomas de la ERGE, al tiempo que elimina la necesidad de tratamiento con IBP y reduce la exposición al ácido esofágico8,9,10.

El actual sensor de pH de última generación para el diagnóstico de ERGE es el dispositivo ^Bravo11,12. A un volumen estimado de 1,7 ^cm3, se puede implantar directamente en el esófago con o sin retroalimentación endoscópica visual y proporciona una monitorización de 24 h + del pH en el esófago.

Teniendo en cuenta que la terapia de electroestimulación es una de las alternativas más prometedoras para tratar la ERGE que no responde a la terapia ^{estándar8,13}, tiene sentido proporcionar los datos del sensor de pH al neuroestimulador. La reciente investigación muestra un camino claro hacia el desarrollo futuro en este campo que conducirá a dispositivos implantables rígidos todo en uno que residirán en el sitio de la neuroestimulación14,15. Para este propósito, el ISFET (transistor de efecto de campo sensible a los iones) es uno de los mejores tipos de sensores debido a su naturaleza en miniatura, la posibilidad de integración en chip de un electrodo de referencia (oro en este caso) y una sensibilidad suficientemente alta. En silicio, el ISFET se asemeja a la estructura de un MOSFET estándar (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Sin embargo, la compuerta, normalmente conectada a un terminal eléctrico, es reemplazada por una capa de material activo en contacto directo con el entorno circundante. En el caso de los ISFET sensibles al pH, esta capa está formada por nitruro de silicio (_Si3N4)¹⁶.

La principal desventaja de los dispositivos implantables endoscópicamente es la limitación inherente del tamaño de la batería, lo que puede conducir a una vida útil reducida de estos dispositivos o motivar a los fabricantes a desarrollar algoritmos avanzados que ofrecerán el efecto requerido a un menor costo de energía. Uno de los ejemplos de tal algoritmo sería un sistema de circuito cerrado para la terapia de neuroestimulación bajo demanda de ERGE. Similar a los medidores continuos de glucosa (CGM) + sistemas de bomba de ^insulina17, dicho sistema emplearía un sensor de pH esofágico u otro sensor para detectar la presión actual del esfínter esofágico inferior junto con una unidad de neuroestimulación.

La respuesta a la terapia de neuroestimulación y los requerimientos de patrones de neuroestimulación pueden ser ^{individuales13}. Por lo tanto, es importante desarrollar sensores independientes que puedan ser utilizados para el diagnóstico y caracterización de la disfunción o para participar activamente en la calibración del sistema de neuroestimulación de acuerdo con los requisitos individuales de los ^pacientes18. Estos sensores deben ser lo más pequeños posible para no afectar la funcionalidad normal del órgano.

Este manuscrito describe un método de diseño y fabricación de un sensor de pH basado en ISFET con transmisor de tecla de desplazamiento de amplitud (ASK) y un receptor pasivo basado en rectenna de tamaño pequeño. Basado en la arquitectura simple de la solución, los datos de pH pueden ser recibidos por un receptor externo o incluso por el neuroestimulador implantable sin ninguna penalización significativa de volumen o potencia. La modulación ASK se elige debido a la naturaleza del receptor pasivo, que solo es capaz de detectar la potencia de la señal de RF recibida (a menudo llamada “intensidad de la señal recibida”). El diagrama esquemático, que está incrustado como material complementario, muestra la construcción del dispositivo. Se alimenta directamente de dos baterías alcalinas AG1, que proporcionan un voltaje entre 2.0-3.0 V (según el estado de carga). Las baterías alimentan el microcontrolador interno, que utiliza su ADC (convertidor analógico a digital), DAC (convertidor digital a analógico), amplificador de operación interna y periféricos FVR (referencia de voltaje fijo) para sesgar el sensor de pH ISFET. El voltaje de “compuerta” resultante (el electrodo de referencia de oro) es proporcional al pH del entorno circundante. Una corriente _Ids estable es proporcionada por una resistencia de detección R2 de lado bajo. La fuente del sensor ISFET está conectada a la entrada no inversora del amplificador operacional, mientras que la entrada inversora está conectada a la tensión de salida del módulo DAC establecida en 960 mV. La salida del amplificador operacional está conectada al pin de drenaje del ISFET. Este amplificador operacional regula el voltaje de drenaje para que la diferencia de voltaje en la resistencia R2 sea siempre de 960 mV; por lo tanto, una corriente de sesgo constante de 29 μA fluye a través del ISFET (cuando está en funcionamiento normal). El voltaje de la compuerta se mide con un ADC. Luego, el microcontrolador enciende el transmisor de RF a través de uno de los pines GPIO (entrada / salida de propósito general) y transmite la secuencia. El circuito transmisor de RF implica una red de cristal y coincidencia que coincide con la salida a 50 Ω impedancia.

Para los experimentos demostrados aquí, utilizamos un estómago de cerdo con una sección larga del esófago montada en un modelo de plástico estandarizado. Este es un modelo comúnmente utilizado para practicar técnicas endoscópicas como ESD (disección submucosa endoscópica), POEM (miotomía endoscópica oral), resección endoscópica de la mucosa (EMR), hemostasia, etc. En cuanto a los parámetros anatómicos más cercanos posibles a los órganos humanos, utilizamos el estómago y el esófago de cerdos que pesan 40-50 kg.

Protocol

Ningún animal vivo participó en este estudio. El experimento se realizó en un modelo ex vivo que consiste en un esófago porcino y estómago. El estómago y el esófago se compraron en una carnicería local como su producto estándar. Este procedimiento está de acuerdo con las leyes checas, y lo preferimos debido al principio “3R” (Reemplazo, Reducción y Refinamiento). 1. Fabricación del conjunto del sensor de pH NOTA: Observe las precauciones para mani…

Representative Results

Se construyó con éxito un dispositivo capaz de detección autónoma de pH y transmisión inalámbrica del valor de pH, como se muestra en la Figura 8. El dispositivo construido es un modelo en miniatura; pesa 1,2 g y tiene un volumen de 0,6 cm3. Las dimensiones aproximadas son 18 mm x 8,5 mm x 4,5 mm. Como se muestra en la Figura 15, figura 16 y Figura 17, se puede implanta…

Discussion

Este método es adecuado para investigadores que trabajan en el desarrollo de nuevos dispositivos médicos implantables activos. Requiere un nivel de competencia en la fabricación de prototipos electrónicos con componentes de montaje en superficie. Los pasos críticos en el protocolo están relacionados con la fabricación de la electrónica, especialmente el llenado de los PCB, que es propenso a errores del operador en la colocación y soldadura de componentes pequeños. Luego, la encapsulación correcta es crucial pa…

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