Design criteria of wireless capsule electronics for long-term continuous monitoring in gastric environment

Alcohol consumption is a significant contributor to approximately 2.5 million premature deaths annually, ranking as the second deadliest risk factor in the 15-49 age group. Current diagnostic tools, such as transdermal alcohol sensors (TAS) employed with wrist or ankle devices, exhibit limitations in alcohol consumption monitoring. These noninvasive devices suffer from poor reliability, with less than 50% of users obtaining interpretable results over a two-week period. Additionally, TAS technology relies on the detection of ethanol molecules in sweat, introducing variability due to differences in individual digestion rates. Furthermore, their bulky nature and the psychological burden of public use deter patient compliance. This study introduces an innovative ingestible capsule platform designed for long-term monitoring of gastric biomarkers. The platform comprises a primary body connecting the battery pack to a six-armed structure housing eight gas sensors, the MCU arm, battery management system, and antenna arm. To enhance battery life, the battery pack incorporates an intelligent system equipped with four supercapacitors capable of mitigating energy spikes from the sensors. The device’s self-expansion mechanism enables it to remain in the stomach for extended periods, facilitated by a star-shaped structure that increases its overall diameter. The study explores the feasibility of utilizing Bluetooth Low Energy (BLE) protocol in ingestible applications, a realm typically dismissed due to high signal attenuation in the GHz spectrum. An in-vitro setup emulating the human torso model was devised, and experimental results with tested antennas were validated through an animal experiment. The investigation combines communication experiments with a comprehensive analysis of power consumption. Software optimization was performed to reduce energy consumption while ensuring a stable connection. The second aspect of this research centers on optimizing various gas sensors capable of detecting volatile organic compounds (VOCs), such as the SGP40 (Sensirion AG) and BME688 (Bosch Sensortec). These sensors underwent rigorous optimization to minimize activation time while preserving sensitivity. Parameters, including angular coefficients, were extracted from raw data analysis, which consistently aligned with the expected optimal sensor operating conditions.

Il consumo di alcol è una fonte significativa di circa 2,5 milioni di morti premature all’anno e si colloca al secondo posto tra i fattori di rischio più letali nella fascia di età compresa tra i 15 e i 49 anni. Gli attuali strumenti diagnostici, come i sensori transdermici di alcol (TAS) impiegati con dispositivi da polso o da caviglia, presentano dei limiti nel monitoraggio del consumo dello stesso. Questi dispositivi non invasivi soffrono di scarsa affidabilità, con meno del 50% degli utenti che ottengono risultati interpretabili in un periodo di due settimane. Inoltre, la tecnologia TAS si basa sul rilevamento delle molecole di etanolo nel sudore, introducendo una variabilità dovuta alle differenze nei tassi di digestione alcolemici individuali. Inoltre, la loro natura ingombrante e il peso psicologico derivante dall’uso pubblico, influiscono sulla compliance dei pazienti. Questo studio presenta un’innovativa capsula ingeribile progettata per il monitoraggio a lungo termine dei biomarcatori gastrici. La piattaforma comprende un corpo primario che collega il pacco batteria a una struttura a sei bracci che ospita otto sensori di gas, il braccio MCU, il sistema di gestione della batteria e il sistema di comunicazione. Per migliorare la durata della batteria, il pacco batteria incorpora un sistema dotato di quattro supercondensatori in grado di attenuare i picchi di energia dei sensori. Il meccanismo di autoespansione del dispositivo consente inoltre alla capsula di rimanere nello stomaco per lunghi periodi, facilitato da una struttura a forma di stella che ne aumenta il diametro complessivo. La tesi, in particolare, esplora la praticabilità dell’utilizzo del protocollo Bluetooth Low Energy (BLE) in un’applicazione ingeribile, un ambito tipicamente accantonato a causa dell’elevata attenuazione del segnale, da parte di liquidi e tessuti, nello spettro dei GHz. A riguardo, è stata ideata una configurazione in vitro che emula il modello del torso umano e, in seguito, i risultati sperimentali con le diverse antenne testate in vitro, sono stati convalidati attraverso esperimento in vivo su maiale. Lo studio combina test sulla comunicazione con un’analisi completa del consumo energetico. In particolare, è stata eseguita un’ottimizzazione del software per ridurre il consumo energetico e garantire una connessione stabile nel tempo, a discapito di eventuali attenuazioni più o meno presenti. Il secondo aspetto di questa tesi è incentrato sull’ottimizzazione di vari sensori di gas in grado di rilevare i composti organici volatili (VOC), come ad esempio l’SGP40 (Sensirion AG) e il BME688 (Bosch Sensortec). Questi, ed altri sensori, sono stati sottoposti a una rigorosa ottimizzazione per ridurre al minimo il tempo di effettivo utilizzo e preservare al contempo l’accuratezza delle misure. Alcuni parametri, come ad esempio i coefficienti angolari, sono stati estratti dall’analisi dei dati grezzi riportati dai sensori, che corrispondono alle condizioni operative ottimali previste per il sensore.