Summary
Anvendelsen af højfrekvens lav-energisk stimulering kan lindre symptomerne på gastrisk dysmotility. I denne forskning præsenteres en miniature, endoskopisk implantable og trådløst genopladeligt enhed, der er implanteret i en submukøse lomme. Vellykket både-vejs kommunikation og stimulation kontrol blev opnået under et eksperiment på levende svin.
Abstract
Gastrisk dysmotility kan være et tegn på fælles sygdomme som langvarige diabetes mellitus. Det er kendt, at anvendelsen af højfrekvens lav-energisk stimulering kan bidrage til at effektivt moderat og lindre symptomerne på gastrisk dysmotility. Målet med forskningen var udviklingen af en miniature, endoskopisk implantabel anordning til en submukøse lomme. De implantable enhed er en fuldt tilpassede elektroniske pakke, som var specielt designet til forsøg i submucosa. Enheden er udstyret med et lithium-ion batteri, som oplades trådløst ved at modtage en hændelse magnetfelt fra opladning/fremsendende spolen. Uplink kommunikation er opnået i et MedRadio band på 432 MHz. Enheden blev endoskopisk indsat i en levende indenlandsk gris bruges som en i vivo model, specielt i maven antrum submukøse lommen. Eksperimentet bekræftet, at designet enheden kan implanteres i submucosa og er i stand til at tovejs kommunikation. Enheden kan udføre bipolar stimulation af muskelvæv.
Introduction
Gastrisk dysmotility kan være et tegn på flere relativt almindelige sygdomme som gastroparese, som er normalt karakteriseret ved en kronisk progression og pålægger temmelig alvorlige konsekvenser på det sociale, arbejdsmæssige og fysiske status af patienten. De fleste tilfælde af gastroparese er normalt diabetiker eller idiopatisk oprindelse og er ofte resistente til rådighed medicin1. Patienter rammes af denne betingelse oftest præsentere med kvalme og gentagne opkastninger. Baseret på tidligere forskning, er det kendt, at anvendelsen af højfrekvens lav-energiske elektrisk stimulation kan hjælpe effektivt moderat og lindre symptomerne på gastrisk dysmotility1,2.
Baseret på tidligere undersøgelser, er det bevist, at højfrekvente gastrisk elektrisk stimulation kan forbedre symptomer og gastrisk tømning3. Det har også vist sig at lavere esophageal sphincter neurostimulator terapi er sikker og effektiv til behandling af gastroøsofageal reflukssygdom (GERD), reducere den syre eksponering og eliminerer dagligt proton pumpe hæmmer (PPI) skik uden stimulation relaterede bivirkninger4. Før forsøg på mennesker, blev første undersøgelser udført i dyremodeller (canine modeller5). Baseret på disse studier, forårsaget elektrisk stimulation af den lavere esophageal sphincter (LES, 20 Hz, pulse bredde 3 MS) en forlænget kontraktion af LES5. Lignende effekter af høj (20 Hz, pulse bredde af 200 μs) og lav (6 cyklusser/min., pulse bredde på 375 ms) frekvens elektrisk stimulation på LES i GERD patienter blev undersøgt. Både høj og lav frekvens stimulation blev effektiv6. I øjeblikket, dog der kun to neurostimulation enheder for gastrisk eller esophageal stimulation tilgængelige på markedet7,8. I disse enheder, kan elektroderne implanteret kirurgisk, laparoscopically eller robot. Selve enheden er implanteret subkutant. Dette kræver generel anæstesi og har en omfangsrig anordning, ved hjælp af intramuskulær katetre, som giver mulighed for stimulering af gastrisk eller esophageal muskelvæv. Så ville mulighed for at bruge en trådløs kommunikation enhed implanteret i laget gastrisk submukøse repræsentere en klar fordel og forbedring i patientens komfort. Som anført i den tidligere forskning9,10, var det bevist, at en implantering af en miniature neurostimulator i submucosa er muligt. For den endoskopiske submukøse implantation, bruger vi en teknik kaldet endoskopisk submukøse lommetyveri (ESP), baseret på endoskopisk submukøse tunnel dissektion10. Målet med denne forskning er at yderligere forbedre dette koncept af en implantable neurostimulator, primært i anvendelsesområdet for strømstyring (specifikt den trådløs genopladning kapacitet), overensstemmelse med respektive love og forskrifter til trådløs kommunikationsforbindelser i medicinsk implantabelt udstyr og muligheden for bipolar neurostimulation. Dernæst præsenteres microneurostimulator er habil i torettet kommunikation og stimulation parametre kan ændres i realtid, selv mens enheden er implanteret.
Denne teknik er egnet til hold med et terapeutisk endoscopist oplevet i endoskopisk lommetyveri eller tunnel dissektioner. Næste, en hardware og indlejret software designer med erfaring i opbygning af hardware prototyper med microcontrollers og radiofrekvens kredsløb ved hjælp af overflade mount teknologi er nødvendig. For at opbygge hardware prototyper, er et laboratorium, der er udstyret med en reflow lodning station og grundlæggende udstyr til elektriske målinger (mindst et digital multimeter, et oscilloskop, en spectrum analyzer og PICkit3 programmør) påkrævet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle endoskopiske procedurer herunder animalske emner er blevet godkendt på Institute for Animal fysiologi og genetik, akademi for videnskab Tjekkiske Republik (Biomedicinsk Center PIGMOD), Libechov, Tjekkiet (projekt eksperimenter i implantation af akkumulator-færre og batteri enheder ind i submucosa af spiserør og mavesæk-eksperimentel undersøgelse). Alle forsøg udføres i overensstemmelse med tjekkisk lovgivning 246/1992 vejledende "om beskyttelse af dyr mod mishandling, som ændret". Sender enheden er ikke forpligtet til at blive steriliseret, fordi det er en ekstern enhed, ikke der er i direkte kontakt med dyret.
1. implantabelt udstyr Design
- Forberede Printet ved hjælp af en tredjeparts-PCB fremstilling service. Komplet printed circuit board design er fastsat i den supplerende fil "gerber_implant.7z". Den skematisk diagram er fastsat i figur 1.
- Placer PCB på en flad overflade (figur 2a). Bruge en lodde pasta dispenser med 0,6 mm nål og 60 psi pres at manuelt dispensere lodning pastaen på hver metallisk pad på Printet. Begynde med oversiden af Printet (figur 2b). Den samlede lodning pasta til begge sider af Printet bør ikke overstige 15 μl.
- Med et par antistatiske pincet, skal du placere alle komponenter på det øverste lag af PCB (figur 2e). Bruge figur 3 for komponent holdning og supplerende fil "bom_implantabledevice.csv" for tildeling af komponenter til deres numre.
- Brug en PCB varm luft pistol station ved 260 ° C til at lodde alle komponenter (figur 4a). Vent, indtil alle Loddemetal pastaen smelter, derefter sætte væk varm luftpistol og give bestyrelsen afkøle til stuetemperatur.
- Vend Printet og dispensere lodde pasta på anden siden. Brug den samme nål og pres som anført i punkt 1.2 (figur 2d).
- Som i trin 1.3., placere alle komponenter i det nederste lag af Printet. Se figur 3 for komponent holdning og supplerende filen "bom_implantabledevice.csv" for tildeling af komponenter til deres numre.
- Gentag opvarmning af PCB med en varm luftpistol til at lodde alle komponenter på undersiden. Brug den samme proces som i trin 1.4.
- Kontrollere Printet for eventuelle kortslutninger visuelt. Hvis enhver kortslutning er fundet, skal du fjerne det med en loddekolbe.
- Fremstille trådløs opladning/kommunikation spolen. Brug 17 viser af AWG42 wire. Spolen fylder 26 x 13,5 mm2 (figur 4 d). Drej to output ledningerne.
- Design og fremstilling af elektrode. Elektrode-design er fastsat i den supplerende fil "gerber_electrodes.7z". Brug den samme proces som i trin 1.1. Denne PCB er helt afsluttet efter fremstilling, og ingen komponenter er påkrævet at være loddet på det. Lodde to AWG42 ledningerne til de lille rektangulære kontakter (figur 4f)
- Forberede antennen ved hjælp af 7 cm af emaljeret metaltråd og skrabe 3 mm af emalje fra den ene ende (figur 4e)
- Tilslut PICkit 3 programmør til PCB (figur 4b-c)
- Tilslut puder 6 og 7, i henhold til figur 5, at ben 2 og 3 af PICkit programmør, henholdsvis.
- Tilslut puder TP1, TP2 og TP3 (Se figur 3) til ben 1, 5 og 4 af PICkit programmør, henholdsvis
- Stik i PICkit 3 programmør i USB-porten på en computer med MPLAB IPE software installeret.
- Kør programmet MPLAB IPE og programmere firmwaren til mikrokontroller.
- Køre MPLAB IPE v3.61. Vælg "indstillinger | Avanceret tilstand"
- Indtaste standardadgangskoden, som er "mikrochip" i feltet adgangskode. Klik på "Log på". En fane med forskellige paneler til venstre vises.
- Øverst til venstre, klik på "Operate", i øverste midterste del af skærmen, og klik derefter "Enhed felt" og skriv "PIC16LF1783". Klik på "Anvend".
- Vælg panelet "Magt" til venstre (figur 6).
- Ændre værdien VDD spænding til 2,55. Dette trin er kritisk.
Forsigtig: Hvis du indstiller denne værdi over 2,8 V vil skade board (figur 7). - Klik i afkrydsningsfeltet "Power Target kredsløb" fra "Værktøj" (figur 7).
- Klik på fanen "Operate" til venstre (figur 6).
- Klik på "Connect".
- Hent filen supplerende "IMPLANTABLE_V2. X.Production.hex"og opmærksom på sin placering på harddisken. IPE software, find kildelinjen og klik på knappen "Gennemse" i nærheden af det (figur 8).
- Klik på programmet. Vent til programmet siger, at softwaren er blevet med held downloadet til mikrokontroller (figur 9).
- DESOLDER ledninger loddet til puder TP1, TP2 og TP3 (figur 3) samt ledninger loddet til puder 6 og 7 (figur 5).
- Tilslut Printet til alle andre elektriske komponenter undtagen batteri (figur 10a).
- Lodde trådløs opladning/kommunikation spolen til puder 2 og 3 efter figur 8. Polaritet er ikke vigtigt.
- Tilslut antenne for at pad 1 Ifølge figur 5. PCB elektroderne tilsluttes puder nummer 4 og 5 i henhold til figur 5. Polaritet er ikke vigtigt.
- Lodde CG-320 batteri til puder 6 og 7 (figur 5). Den negative terminal af batteriet skal være loddet på pad 7. Være forsigtig, mens de udfører de næste trin. Enheden er nu drevet og er følsom over for kortslutninger og kontakt med metalliske genstande.
- For at teste funktionaliteten af den trådløse opladning kredsløb, skal alle trinene i del 2 fuldføres. Efter dette, skal du placere trådløse oplader/senderen i umiddelbar nærhed af enheden. Bruge et multimeter til at måle spændingen på batteriet. Hvis batterispændingen er langsomt stigende (flere mV per min.), virker funktionen opladning.
- Vind antenne omkring enheden i en spiral (figur 10b)
- Skære en 32 mm langt stykke af en varme-shrinkable slangen med en indvendig diameter på 9,5 mm.
- Placer spolen på Printet. Se figur 7b for den korrekte placering.
- Sætte varme-shrinkable slangen over enhed, spole og antenne. Kun elektroder bør stikker op fra slangen. Se figur 7 c for korrekte placering.
- Varme rør med en varm luftpistol til 150 ° C til at skrumpe og lad det derefter afkøle (figur 10 d).
- Anvende epoxy lim på venstrekanten at forsegle den ene side af slanger (figur 10e).
- Lim elektrode til bagsiden af Printet med slanger. Også lim anden enden af slangen. Se figur 10f for korrekte placering.
- Vent i mindst 24 timer for lim til at hærde og helt helbrede.
- Efter afslutningen af trådløs oplader/sender enheden, teste det implantérbare udstyr for vand utætheder ved at placere det i en 30 cm høj kolonne af mættet saltopløsning til 1 h. Enhver væsentlig lækage kan blive opdaget som et pludseligt fald i batteriets spænding eller fejlfunktion i enheden forårsaget af at saltvandsopløsning shorting elektronik. Efter testen er at enheden fuldt forberedt til at blive implanteret.
- Teste funktionen stimulation af implantatet ved hjælp af et oscilloskop. Tilsluttes de tin metal belagte kontakt puder af elektrode på det implantérbare udstyr to måling elektroderne på oscilloskopet. Observere stimulation mønster på skærmbilledet oscilloskop. Korrekte stimulation mønster som vist i Figur 11.
2. trådløse oplader/senderen Design
- PCB-design er fastsat i den supplerende fil "gerber_transmitter.7z". Brug den samme proces som implantabel anordning. Den skematisk diagram er fastsat i figur 12.
- Sted PCB på en flad overflade. Bruge en lodde pasta dispenser med 0,6 mm nål og 60 psi pres at manuelt dispensere lodning pastaen på hver metallisk pad på Printet. Det samlede beløb for lodde pasta udleveres på Printet bør ikke overstige 50 μL.
- Med et par antistatiske pincet, skal du placere alle komponenter på det øverste lag af Printet. Se Figur 13 for komponent holdning og supplerende filen "bom_transmitterdevice.csv" for tildeling af komponenter til deres numre.
- Brug en PCB varm luft pistol station forudindstillet til 260 ° C til at lodde alle komponenter. Vent, indtil alle Loddemetal pastaen smelter, lægge væk varm luftpistol og give bestyrelsen til at afkøle til stuetemperatur.
- Gentag trin 2.3 – 2,4 til undersiden af enheden. Følge en lignende procedure som under fremstilling af implantabelt udstyr.
- Oprette en spole med 3 omgange af AWG18 emaljeret metaltråd (Figur 14 c) og slutte det til puder, COIL1 og COIL2 (Figur 13).
- Gøre en aluminium heatsink for power transistorer (Figur 13, Q1 og Q2). Den nøjagtige form af kølepladen er ikke kritisk. En af de mulige manifestationer er vist i figur 9 d. I dette tilfælde danner heatsink også en indhegning for enheden.
- Tilslut PICkit 3 programmør til de forsamlede PCB. Tilsluttes TP5 underlag TP1 (Figur 13) med ben 1 til 5 af PICkit programmørerne, hhv.
- Stik i PICkit 3 programmør i USB-porten på en computer med MPLAB IPE software installeret.
-
Kør programmet MPLAB IPE og programmere firmwaren til mikrokontroller. Processen er den samme som den implantabel anordning, med undtagelse af VDD spænding og fil uploadet.
- Køre MPLAB IPE v3.61. Vælg "indstillinger | Avanceret tilstand".
- Til password feltet, indtaste standardadgangskoden, som er "mikrochip". Klik på "Log". En fane med forskellige paneler til venstre vises.
- Øverst til venstre, klik på "Operate", i den øverste midterste del af skærmen, og klik derefter "Enhed" og skriv "PIC16LF1783". Klik på "Anvend".
- Vælg panelet "Magt" til venstre
- Ændre værdien VDD spænding til 3.3.
- Klik i afkrydsningsfeltet "Power Target kredsløb" fra "Værktøj".
- Klik på fanen "Operate" til venstre.
- Klik på "Connect".
- Hent filen supplerende "IMPLANTABLE_V2_TRANSMITTER. X.Production.hex"og opmærksom på sin placering på harddisken. IPE software, find kildelinjen og klik på knappen "Gennemse" tæt på det.
- Klik på "Program". Vent til programmet siger, at softwaren blev hentet til mikrokontroller med succes.
- DESOLDER ledninger loddet til puder TP1 til TP5
- Tilslut en 12 V strømforsyning til V- og V + puder (figur 5). Den negative terminal har tilsluttet V-pad.
- Stik i en mini-USB til USB-A kabel til X1 stik (figur 5) og oprette forbindelse til en computer med kit software forudinstalleret.
-
Åbn programmet PuTTY og sætte det op (Figur 15).
- Åbn programmet PuTTY. Vælg "Serie" som forbindelsestype.
- Indtast COMx som en seriel linje, hvor x er antallet af COM-porten på enheden. Hvis ingen andre COM port enhed blev installeret, vil dette tal være 1.
- Indtast "38400" som hastighed. Klik "Åbn". Oplader/sender-enheden er nu klar til at blive brugt. Tryk på H-tasten for at få hjælp.
3. endoskopisk Implantation
-
Bruge en live mini gris som en i vivo model, voksen (8-36 måneder), 20-30 kg vægt.
- Lad gris hurtigt til 24 timer før proceduren.
- Tillade klare væsker ad libitum.
- Administration af intramuskulær Tiletamin (2 mg/kg), zolazepam (2 mg/kg) og ketamin (11 mg/kg) som en præmedicinering.
- Anvende intravenøs thiopental ad effectum (5% opløsning) og inhalation anæstesi med isofluran, N2O og propofol injektion. Ordentlig anæstesi er bekræftet af reflekser og muskeltonus, øjenhøjde, pupillary refleks og palpebral refleks. Omsætning, iltning, ventilation og kropstemperatur er løbende overvåges.
- For at udføre implantation og visualisering, bruge en dyremodel dedikeret endoskop. Indsæt den ved hjælp af standard måde ind i vivo model.
- Forstå enheden eksternt med en snare. Ovenpå, indsætte det i maven, derefter slippe den.
- Uddrag endoskopet, udstyre den med en dissektion cap (15.5 mm), og derefter igen indsætte det til maven.
- Implantat enhed til submucosa, anvende saltopløsning blandet med methylenblåt til submukøse laget med en injektion terapi nål kateter (25 G).
- Foretage en vandret snit til at skabe en åbning i submucosa ved hjælp af en elektrokirurgisk kniv med en knop-formet spids.
- Bruger den anbragt cap, indsætte fælles landbrugspolitik i den nyoprettede plads, og med brug af en elektrokirurgisk kniv, fortsat forstyrre, dilatere og dissekere den submukøse lag, at skabe en tilstrækkelig stor nok lommen for at indsætte stimulation enheden.
- Forstå den indretning hvilke liggende frit inde i maven med indsættelse og udvinding loops, og bruger grasping pincet, navigere det ind i submukøse lommen. Placer stimulation elektroder i kontakt med den muscularis propria ved hjælp af greb tang.
- Bruge en over anvendelsesområdet klip for at sikre enheden i sted inde den submukøse lomme og forhindre enhver migration eller løs.
4. forsøg — Efter Implantation
- Efter vellykket implantation, skal du placere oplader/senderen spolen i nærhed af det indopererede udstyr.
- Tilslut RTL2832 dongle i pc'en.
-
Kør programmet HDSDR og Indstil center frekvens til 432 MHz.
- Åbn HDSDR software (Figur 15) for korrekte indstillinger og kit software (Figur 16). I HDSDR software, skal du klikke på "indstillinger | Vælg Input | ExtIO".
- Vælg båndbredde – "960000". Vælg LO frekvensen på 431.95 MHz. Marker Tune frekvens 432.00 MHz.
- Sende en Manchester kodet sekvens fra oplader/senderen ved at trykke på R-tasten i PuTTY terminalen og modtage OOK moduleret svar fra implantatet ved observation af HDSDR-hovedvinduet ( fig. 17e-f).
5. aktiv dødshjælp efter forsøget
- Bruge en bedøvende overdosis for dødshjælp (dødelig dosis af thiopental og KCl).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 17 viser at en endoskopisk placering af gastrisk neurostimulator ind i en lomme i submucosa og korrekt placering af elektroder til muskuløs lag var vellykket. Dimensioner af enheden (figur 10) er 35 x 15 x 5 mm3 , mens vægten er 2.15 g. Figur 17 viser Ledningsdiagram af enheden viser at enheden består af 6 forskellige moduler, der er forbundet med hinanden. Figur 3 viser PCB layout og komponent placeringen i enheden. Figur 18 viser, at for at implantat enheden i submukøse lag, en teknik kaldet en endoskopisk submukøse lomme9,10 (ESP) blev brugt. Stimulatoren var vedlagt nær muskuløs lag (muscularis propria) hvor det er teoretisk optimal stimulation dybde. Oprettelse af submukøse lommen og implanterer af gastrisk neurostimulator endoskopisk tog 20 – 30 min. Under denne procedure er der ingen intraprocedural komplikation som perforation eller alvorlig blødning. Migration af enheden i maven kunne ikke bestemmes, fordi eksperimentet var ikke-overlevelse. Efter implantation, blev tovejs kommunikationslink med det implantérbare udstyr etableret med en ekstern enhed, som vist i Figur 14. Den omtrentlige afstand mellem oplader/programmør coil og implantatet var 10 cm. Opnåede signal-støj (SNR) forholdet med RTL2832 baseret software-defineret-radio (SDR) modtager var over 40 dB.
Figur 1 : Skematisk diagram over den implantabel anordning. Figuren viser hvordan forskellige komponenter og kredsløbsdele er forbundet i den implantabel anordning. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2 : Fremstilling af implantabelt udstyr - PCB assembly. (en) PCB, ovenfra. (b) lodde pasta anvendes på øverste lag. (c) et eksempel på hånd placering af 0402 kondensator. (d) lodde pasta anvendes på nederste lag. (e) befolket fuldt oversiden af Printet. (f) helt udfyldt undersiden af Printet venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3 : Design af enhedens implantable. (en) kobber toplag af Printet. (b) Komponentnavne på det øverste lag. (c) bunden kobber lag af Printet. (d) Komponentnavne på det nederste lag. (e) sammensat billede af alle PCB lag venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4 : Fremstilling af implantabelt udstyr -fremstilling af andre dele. (en) varm luft flow af undersiden af Printet. (b) programmering ledninger loddes til Printet. (c) PCB tilsluttet programmøren. (d) trådløs opladning coil. (e) 432 MHz antenne. (f) Stimulation elektroder med to ledninger fastgjort venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5 : Anbefalede loddetin fælles placering for de eksterne komponenter af den implantabel anordning. Billedet viser hvor coil, antenne, batteri og elektroder bør være loddet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6 : Oprettelse af en forbindelse med det implantérbare udstyr — vigtige indstillinger nævnt i teksten er markeret med røde pile. Dette billede er fra MPLAB IPE software, er en skærm, der viser, hvordan du afgør, microcontroller inde i implantable enheden korrekt kommunikerer med PICkit programmør fastsat. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7 : Power indstillinger af softwaren anvendes til programmering — vigtige indstillinger nævnt i teksten er markeret med røde pile. Dette er billedet fra MPLAB IPE software. Det viser, hvordan man korrekt power den implantabel anordning til programmering venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8 : At vælge en implantable enhedens korrekte programmering fil. Billedet viser hvilken knap til at klikke for at indlæse filen supplerende .hex korrekt. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 9 : Processen med programmering firmware til enheden implantable. Billedet viser hvilken knap at trykke på at programmere software i den implantabel anordning. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 10 : Fremstilling af implantabelt udstyr — slutmontage. (en) trådløs opladning coil, stimulation elektroder og antenne loddes til Printet, sammen med batteri. (b) stablet implantat. (c) gennemsigtig varme shrinkable slangen sætte over Printet. (d) forringelser af slange med varm luft. (e) slanger fuldt svinde og ender limet. (f) afsluttet implantabel anordning venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 11 : Typisk output stimulation mønster af enheden som det vises på DSOX1102G oscilloskop. Efter programmeringen af implantabelt udstyr, skal lodning af elektroder og batteri, output stimulation mønster svarende til den, vises i figur vises på elektroderne. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 12 : Skematisk diagram over trådløs oplader/sender enheden. Tallet er analogisk til figur 1. Vist her er de interne arbejdsgange af enhedens trådløse oplader/senderen venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 13 : Design af enhedens oplader/senderen. (en) kobber toplag af Printet. (b) Komponentnavne på det øverste lag. (c) bunden kobber lag af Printet. (d) Komponentnavne på det nederste lag. (e) sammensat billede af alle PCB lag venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 14 : Fremstilling af trådløs oplader/sender enheden. (en) afsluttet PCB, oversiden (b) afsluttet nederst side af PCB (c) mekanisk design af trådløse senderen/oplader coil (d) en mulig legemliggørelsen af enhedens færdiggjort oplader/senderen venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 15 : Rette indstillingerne af HDSDR softwaren. HDSDR software bruges sammen med RTL2832U baseret USB modtager dongle som en spektrumanalysator for at få vist radiofrekvenser. I dette tilfælde, det bruges til at modtage svaret fra implantatet transmitteres på 432 MHz. cirka venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 16 : Rette indstillingerne for programmet PuTTY. Den kit software bruges til kommunikation med enheden oplader/senderen. Det skal være konfigureret korrekt for at vise korrekte data til brugeren. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 17 : Endoscopical implantation af implantabelt udstyr og kontrol af, om det virker. (en) In vivo model i endoskopisk dyreenhed. (b) indsættelse af endoskopet af standarden vejen ind i vivo model. (c) Implantable enhed prototype forstået med en snare. (d) processen med oprettelse af tovejs trådløse link med det implantérbare udstyr. (e) HDSDR software. (f) detaljer af OOK moduleret data, der indberettes af implantatet. (g) X-ray — enhedens position check. (h) X-ray scanning af området implantat, enheden samt klip anvendelsesområde er klart synlige. (jeg) detaljeret enhed Se. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 18 : Se enheden implantation og endoskopisk teknik. (en) submukøse injektion med methylenblåt. (b) submukøse indsnit (en indgang for submukøse lomme dannelse). (c) Tunnelisation af submukøse lommen. (d-f) Forstyrre, dilatere og dissekere den submukøse lag. (g, h) Enheden implantation. (jeg) lukker posten med klip anvendelsesområde. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Supplerende fil 1: gerber_implant.7z. Zip-arkiv med filer, der kræves til fremstilling af printkort af implantabelt udstyr. Venligst klik her for at downloade denne fil
Supplerende fil 2: gerber_transmitter.7z. Zip-arkiv med filer, der kræves til fremstilling af printkort af enheden oplader/senderen. Venligst klik her for at downloade denne fil
Supplerende fil 3: gerber_electrodes.7z. Zip-arkiv med filer, der kræves til fremstilling af elektroder. Venligst klik her for at downloade denne fil
Supplerende fil 4: IMPLANTABLE_V2. X.Production.hex. Firmware til den implantabel anordning. Venligst klik her for at downloade denne fil
Supplerende fil 5: IMPLANTABLE_V2_TRANSMITTER. X.Production.hex. Firmware til enheden oplader/senderen. Venligst klik her for at downloade denne fil
Supplerende fil 6: bom_implantabledevice.csv. Stykliste stykliste fil beskriver tildelingen af komponentværdier til bestemte komponenter på Printet af implantabelt udstyr. Venligst klik her for at downloade denne fil
Supplerende fil 7: bom_transmitterdevice.csv. Styklisten fil beskriver tildelingen af komponentværdier til bestemte komponenter på Printet af enheden oplader/senderen. Venligst klik her for at downloade denne fil
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Udformningen af det implantérbare udstyr bør primært fokusere på den samlede størrelse af enheden, opnåelige stimulation profiler (maksimal spænding, maksimale leverance strøm, længden af pulser og puls frekvens). Vigtigste begrænsning fra hardware perspektiv er størrelsen og tilgængeligheden af egnede komponenter. For at minimere den samlede størrelse, foretrækkes overflade mount komponenter på grund af deres kompakte emballage. Den bedste løsning ville være at integrere nøgne chip dør på underlaget. Dette er dog begrænset af tilgængeligheden af nøgne die emballage mulighed for komponenter og adgangen til wire bonding teknologi. Anden vigtig parameter er batteriet. Lithium batterier foretrækkes på grund af sin høje energitæthed. Den nominelle spænding på 3,7 V er også gavnligt. Den største fordel af præsenteres hardware topologi er dens lille størrelse og mindste invasiv. I forhold til de nuværende løsninger7,8, præsenteres løsningen er en størrelsesorden mindre og kan implanteres direkte til submucosa, uden behov for ekstern kundeemner og subkutane implantation af neurostimulator.
Bortset fra hardware selv, i fremtiden skal yderligere opmærksomhed gives enhedskassen. Det første punkt er biokompatibilitet og hermeticity11 at undgå mulige afvisning af implantatet. Den anden er fiksering af enheden i submucosa til at undgå uønsket migration af implantatet.
De mest kritiske trin under endoskopisk implantation er fanger af enheden og dens placering i den submukøse lomme. Begrænsningen er på størrelse med lomme, der skal være, fra observationerne, ca mindst dobbelt så stor som enheden til at blive implanteret. Næste problem er den korrekte orientering af implantat inde i lommen. Med hensyn til de tekniske vanskeligheder af endoskopisk procedure, er denne metode dedikeret til eksperter med erfaring med tunnel dissektion eller peroral endoskopisk myotomy (DIGT).
Den næste problematiske del er lukning af lommen, som er relativt vanskeligt ved hjælp af over anvendelsesområdet klip. Men brugen af denne type klip, forhindrer migration og afvisning af enheden. Begrænsninger af denne teknik fra hardware synspunkt omfatte hardware udvikling udstyr til at lodde med krævede nøjagtighed. Enheden er designet til at modstå under operationen og kort tid bagefter. Således, med aktuelle kabinet, er det ikke designet til at bo i længere perioder af tid inde i kroppen. Også, materialet af kabinettet er ikke biokompatible som udgør en høj risiko for afstødning af implantatet ved en overlevelse eksperiment. Denne teknik kan udvikles yderligere, især med hensyn til udviklingen af biokompatible og hermetiske kabinet, som er afgørende for overlevelse model eksperimenter. Næste, funktionaliteten af flere integrerede kredsløb kan koncentreres i en enkelt ansøgning specifik integreret kredsløb. Tilsvarende kan mindre overflade mount komponenter bruges til at gøre enheden mere kompakt. Den næste mulige retningslinjer for denne forskning kan føre til udvikling af nye endoscopical metoder til behandling af andre gastrointestinale sygdomme som GERD, inkontinens eller sphincter dysfunktioner12.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Dette arbejde blev støttet af forskning projekt PROGRES-Q28 og tildelt ved Charles University i Prag. Forfatterne tak til røv. Prof. Jan Martínek, Ph.D. og PIGMOD centrum.
Acknowledgments
Forfatterne erklærer, at de har ingen konkurrerende finansielle interesser.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| EIA 0402 ceramic capacitor 1.8 pF | AVX | 04025U1R8BAT2A | 1 pc |
| EIA 0402 ceramic capacitor 100 nF | TDK | CGA2B3X7R1H104K050BB | 7 pcs |
| EIA 0402 ceramic capacitor 100 pF | Murata Electronics | GRM1555C1H101JA01D | 1 pc |
| EIA 0402 thick film resistor 10 kΩ | Vishay | CRCW040210K7FKED | 1 pc |
| EIA 0402 ceramic capacitor 10 nF | Murata Electronics | GRM155R71C103KA01D | 3 pcs |
| EIA 0402 ceramic capacitor 10 pF | Murata Electronics | GJM1555C1H100JB01D | 3 pc |
| EIA 0402 ceramic capacitor 12 pF | Murata Electronics | GJM1555C1H120JB01D | 2 pcs |
| EIA 0402 ceramic capacitor 18 pF | KEMET | C0402C180J3GACAUTO | 2 pcs |
| EIA 0402 resistor 1 mΩ | Vishay | MCS04020C1004FE000 | 2 pcs |
| EIA 0402 resistor 1 kΩ | Yageo | RC0402FR-071KL | 1 pc |
| EIA 0402 ceramic capacitor 1 nF | Murata Electronics | GRM1555C1H102JA01D | 3 pcs |
| EIA 0603 ceramic capacitor 2.2 uF | Murata Electronics | GCM188R70J225KE22D | 2 pcs |
| EIA 0402 resistor 220 kΩ | Vishay | CRCW0402220KJNED | 5 pcs |
| 0805 22 uH inductor | TDK | MLZ2012N220LT000 | 1 pc |
| EIA 0402 resistor 330 kΩ | Vishay | CRCW0402330KFKED | 1 pc |
| EIA 0603 ceramic capacitor 4.7 uF | TDK | C1608X6S1C475K080AC | 1 pc |
| EIA 0402 resistor 470 Ω | Vishay | RCG0402470RJNED | 1 pc |
| EIA 0402 resistor 470 kΩ | Vishay | CRCW0402470KJNED | 1 pc |
| EIA 0603 inductor 470 nH | Murata Electronics | LQW18ANR47G00D | 1 pc |
| EIA 0402 resistor 47 kΩ | Murata Electronics | CRCW040247K0JNED | 2 pcs |
| 27.0000 MHz crystal 5032 | AVX / Kyocera | KC5032A27.0000CMGE00 | 1 pc |
| EIA 0402 capacitor 6.8 pF | Murata Electronics | GJM1555C1H6R8CB01D | 1 pc |
| EIA 0402 inductor 82 nH | EPCOS / TDK | B82498F3471J | 1 pc |
| ABS05 32.768 kHz crystal | ABRACON | ABS05-32.768KHZ-T | 1 pc |
| CDBU00340-HF schottky diode | COMCHIP technology | CDBU00340-HF | 2 pcs |
| CG-320S Li-Ion pinpoint battery | Panasonic | CG-320S | 1 pc |
| HSMS282P schottky diode rectifier | Broadcom / Avago | HSMS-282P-TR1G | 1 pc |
| MAX8570 step-up converter | Maxim Integrated | MAX8570EUT+T | 1 pc |
| MICRF113 RF transmitter | Microchip Technology | MICRF113YM6-TR | 1 pc |
| 4.3 V Zener diode | ON Semiconductor | MM3Z4V3ST1G | 1 pc |
| OPA237 operational amplifier | Texas Instruments | OPA237N | 1 pc |
| PIC16LF1783 8-bit microcontroller | Microchip Technology | PIC16LF1783-I/ML | 1 pc |
| TPS70628 low-drop regulator | Texas Instruments | TPS70628DBVT | 1 pc |
| EIA 1206 thick film resistor 0 Ω | Yageo | RC1206JR-070RL | 2 pcs |
| EIA 0603 thick film resistor 0 Ω | Yageo | RC0603JR-070RL | 1 pc |
| EIA 0402 thick film resistor 100 kΩ | Yageo | RC0402FR-07100KL | 1 pc |
| EIA 0603 thick film resistor 100 kΩ | Yageo | RC0603FR-07100KL | 1 pc |
| EIA 0805 ceramic capacitor 100 nF | KEMET | C0805C104K5RAC7210 | 2 pcs |
| EIA 0402 thick film resistor 10 kΩ | Yageo | RC0402JR-0710KL | 1 pc |
| EIA 1206 ceramic capacitor 10 nF | Samsung | CL31B103KHFSW6E | 2 pcs |
| EIA 0402 thick film resistor 1 kΩ | Yageo | RC0402JR-071KL | 2 pcs |
| EIA 0402 thick film resistor 220 Ω | Yageo | RC0402JR-07220RL | 2 pcs |
| EIA 0402 ceramic capacitor 220 nF | TDK | C1005X5R1C224K050BB | 1 pc |
| EIA 1206 ceramic capacitor 22 nF | TDK | C3216X7R2J223K130AA | 2 pcs |
| SMC B tantalum capacitor 22 uF | AVX | TPSB226K010T0700 | 1 pc |
| EIA 0402 thick film resistor 27 Ω | Yageo | RC0402FR-0727RL | 2 pcs |
| EIA 1206 thick film resistor 3.3 Ω | Yageo | RC1206JR-073K3L | 3 pcs |
| SOT23 3.3V zener diode | ON Semiconductor | BZX84C3V3LT1G | 1 pc |
| SMC A tantalum capacitor 4.7uF | KEMET | T491A475M016AT | 2 pcs |
| EIA 0603 thick film resistor 470 Ω | Yageo | RC0603JR-07470RL | 2 pcs |
| EIA 1206 ceramic capacitor 470 nF | KEMET | C1206C471J5GACTU | 3 pcs |
| Electrolytic capacitor 470 uF | Panasonic | EEE-1CA471UP | 3 pcs |
| EIA 0402 ceramic capacitor 47 pF | AVX | 04025A470JAT2A | 2 pcs |
| 0603 GREEN LED | Lite-On Inc. | LTST-C191KGKT | 1 pc |
| 0603 RED LED | Lite-On Inc. | LTST-C191KRKT | 1 pc |
| 16 MHz CX3225 crystal | EPSON | FA-238 16.0000MB-C3 | 1 pc |
| 0805 ferrite bead | Wurth Electronics Inc. | 742792040 | 1 pc |
| IR2110SO FET driver | Infineon Technologies | IR2110SPBF | 1 pc |
| FT230XS USB to seriál converter | FTDI Ltd. | FT230XS-R | 1 pc |
| Mini USB connector | EDAC Inc. | 690-005-299-043 | 1 pc |
| PIC16F1783 8-bit microcontroller | Microchip Technology | PIC16F1783-I/ML | 1 pc |
| REG1117 3.3 V regulator SOT223 | Texas Instruments | REG1117-3.3/2K5 | 1 pc |
| Schottky SMB diode rectifier | STMicroelectronics | STPS3H100UF | 1 pc |
| SMB package TVS diode | Littelfuse Inc. | 1KSMBJ6V8 | 1 pc |
| IRLZ44NPBF N-channel MOSFET | Infineon Technologies | IRLZ44NPBF | 2 pcs |
| RTL2832U receiver dongle | EVOLVEO | Mars | 1 pc |
| PICkit 3 | Microchip Technology | PICkit 3 | 1 pc |
| Mini USB to USB A cable | OEM | Mini USB to USB-A | 1 pc |
| Printed circuit board, implantable device | --- | Manufacture with the provided supplementary file | 1 pc |
| Printed circuit board, transmitter/receiver device | --- | Manufacture with the provided supplementary file | 1 pc |
| Printed circuit board, implantable device | --- | Manufacture with the provided supplementary file | 1 pc |
| AWG18 wire | Alpha Wire | 3055 BK001 | 2 m |
| AWG42 wire | Daburn Electronics | 2420/42 BK-100 | 1 m |
| Olympus GIFQ-160 | Olympus | N/A (part is obsoleted) | 1 pc |
| Single-use electrosurgical knife with knob-shaped tip and integrated jet function | Olympus | KD-655L | 1 pc |
| Single-use oval electrosurgical snare | Olympus | SD-210U-15 | 1 pc |
| 15.5 mm lens hood | FujiFilm | DH-28GR | 1 pc |
| Injection therapy needle catheter | Boston Scientific | 25G | 1 pc |
| Alligator law grasping forceps | Olympus | FG-6L-1 | 1 pc |
| Instant Mix 5 min epoxy | Loctite | N/A | 1 pc |
| Heat shrinkable tubing, inside diameter 9.5 mm | TE Connectivity | RNF-100-3/8-X-STK | 1 pc |
| ChipQuik solder paste | Chip Quik | SMD4300AX10 | 1 pc |
References
- Abell, T., et al. Gastric electrical stimulation for medically refractory gastroparesis. Gastroenterology. 125 (2), 421-428 (2003).
- O'Grady, G., Egbuji, J., Du, P., Cheng, L. K., Pullan, A. J., Windsor, J. A. High-frequency gastric electrical stimulation for the treatment of gastroparesis: a meta-analysis. World J Surg. 33 (8), 1693-1701 (2009).
- Chu, H., Lin, Y., Zhong, L., McCallum, R. W., Hou, X. Treatment of high-frequency gastric electrical stimulation for gastroparesis. J Gastroenterol Hepatol. 27 (6), 1017-1026 (2012).
- Rodríguez, L., et al. Electrical stimulation therapy of the lower esophageal sphincter is successful in treating GERD: final results of open-label prospective trial. Surg Endosc. 27 (4), 1083-1092 (2013).
- Ellis, F., Berne, T. V., Settevig, K. The prevention of experimentally induced reflux by electrical stimulation of the distal esophagus. Am J Surg. 115, 482-487 (1968).
- Rinsma, N. F., Bouvy, N. D., Masclee, A. A. M., Conchillo, J. M. Electrical Stimulation Therapy for Gastroesophageal Reflux Disease. J Neurogastroenterol. 20 (3), 287-293 (2014).
- Medtronic Inc, Enterra Therapy 3116 - Gastric Electrical Stimulation System. , December 2016 http://www.medtronic.com/content/dam/medtronic-com-m/mdt/neuro/documents/ges-ent3116-ptmanl.pdf (2016).
- Rodriguez, 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).
- Hajer, J., Novák, M. Development of an Autonomous Endoscopically Implantable Submucosal Microdevice Capable of Neurostimulation in the Gastrointestinal Tract. Gastroent Res Pract. , 8098067 (2017).
- Deb, S., et al. Development of innovative techniques for the endoscopic implantation and securing of a novel, wireless, miniature gastrostimulator (with videos). Gastrointest. Endosc. 76 (1), 179-184 (2012).
- Jiang, G., Zhou, D. D. Technology advances and challenges in hermetic packaging for implantable medical devices. , (2017).
- Vonthein, R., Heimerl, T., Schwandner, T., Ziegler, A. Electrical stimulation and biofeedback for the treatment of fecal incontinence: a systematic review. Int J Colorectal Dis. 28 (11), 1567-1577 (2013).
