Summary
De toepassing van hoge-frequentie laag-energetische stimulatie kan verlichten de symptomen van maagzuur dysmotility. In dit onderzoek, wordt een miniatuur, endoscopically implanteerbare en draadloos oplaadbaar apparaat die is geïmplanteerd in een submucosal zak gepresenteerd. Succesvolle zowel-weg communicatie en stimulatie controle werden bereikt tijdens een experiment op levende varken.
Abstract
Maag dysmotility kan een teken van voorkomende ziekten zoals langdurige diabetes mellitus. Het is bekend dat de toepassing van hoge-frequentie laag-energetische stimulatie helpen kan om effectief te matigen en verlichten de symptomen van maagzuur dysmotility. Het doel van het onderzoek was de ontwikkeling van een miniatuur, endoscopically implanteerbaar hulpmiddel aan een submucosal zak. Het implanteerbare hulpmiddel is een volledig aangepaste elektronische pakket dat specifiek met het oog op experimenten in de submucosa ontworpen werd. Het apparaat is uitgerust met een lithium-ion-batterij die kan draadloos worden opgeladen door het ontvangen van een incident magneetveld van de spoel opladen/verzenden. De mededeling van de uplink is bereikt in een MedRadio band op 432 MHz. Het apparaat was endoscopically in de submucosal zak van een levende varken gebruikt als een in vivo model, specifiek in de maag antrum ingevoegd. Het experiment bevestigd dat de designproduct kan worden geïmplanteerd in de submucosa en staat bidirectionele communicatie is. Het apparaat kan het uitvoeren van bipolaire stimulatie van spierweefsel.
Introduction
Maag dysmotility kan een teken van verschillende relatief voorkomende ziekten zoals gastroparese, die meestal wordt gekenmerkt door een chronische progressie en legt nogal ernstige gevolgen voor de sociale, werkgerelateerde en fysieke status van de patiënt. Meeste gevallen van gastroparese zijn meestal diabetische of idiopathisch oorsprong en zijn vaak resistent tegen beschikbaar medicatie1. Patiënten kampen met deze aandoening meestal presenteren met misselijkheid en herhaald braken. Op basis van eerder onderzoek, is het bekend dat de toepassing van hoge-frequentie laag-energetische elektrische stimulatie helpen kan om effectief te matigen en verlichten de symptomen van maagzuur dysmotility1,2.
Gebaseerd op eerdere studies, is het bewezen dat hoogfrequente maag elektrische stimulatie kan aanzienlijke verbetering van de symptomen en de maag leeg3. Het heeft ook aangetoond dat de lagere esophageal sfincter neurostimulator therapie is veilig en effectief voor de behandeling van gastroesophageal terugvloeiingsziekte (GERD), de blootstelling van het zuur te verminderen en te elimineren dagelijks protonpomp remmers (PPI) gebruik zonder stimulatie gerelateerde bijwerkingen4. Vóór menselijke proeven, werden eerste studies uitgevoerd in diermodellen (canine modellen5). Op basis van deze studies, veroorzaakt elektrische stimulatie van de onderste oesofageale sluitspier (20 Hz, LES, pulsbreedte van 3 ms) een langdurige samentrekking van de LES5. Soortgelijke effecten van de hoge (20 Hz, pulsbreedte van 200 µs) en (6 cycli/min, pulsbreedte van 375 ms) laagfrequente elektrische stimulatie op LES bij GERD patiënten werden onderzocht. Zowel de hoge en de lage frequentie stimulatie waren effectief6. Nochtans, momenteel zijn er slechts twee neurostimulatie apparaten voor stimulatie van de maag of slokdarm beschikbaar op de markt7,8. In deze apparaten, kunnen de elektroden worden geïmplanteerd operatief, laparoscopically of robot. Het apparaat zelf is subcutaan geïmplanteerd. Dit vereist van de narcose en een omvangrijk inrichting, met behulp van intramusculaire katheters waardoor voor de stimulatie van de maag of slokdarm spierweefsel hebben. Dus, de optie van het gebruik van een draadloos communiceren apparaat geïmplanteerd in de maag submucosal laag zou betekenen, een duidelijk voordeel en de verbetering van het comfort van de patiënt. Zoals in het vorige onderzoek9,10, werd het bewezen dat een innesteling van een neurostimulator miniatuur in submucosa mogelijk is. Voor de Endoscopische submucosal implantatie, gebruiken we een techniek genaamd Endoscopische submucosal pocketing (ESP), op basis van Endoscopische submucosal tunnel dissectie10. Het doel van dit onderzoek is het verder verbeteren van dit concept van een implanteerbare neurostimulator, voornamelijk in het kader van energiebeheer (specifiek de draadloze opladen vermogen), in overeenstemming met de respectieve wet- en regelgeving voor draadloze communicatieverbindingen in medische implanteerbare hulpmiddelen en de mogelijkheid van bipolaire neurostimulatie. Vervolgens de gepresenteerde microneurostimulator is geschikt voor bidirectionele communicatie en de parameters van de stimulatie kunnen worden gewijzigd in real-time, zelfs terwijl het apparaat is geïmplanteerd.
Deze techniek is geschikt voor teams met een therapeutische endoscopist in Endoscopische pocketing of tunnel dissecties ervaren. Vervolgens een hardware en embedded software designer met ervaring in het bouwen van hardware prototypes met microcontrollers en radiofrequentie schakelingen met behulp van surface mount technologie nodig is. Voor het bouwen van de prototypen van de hardware, is een laboratorium dat uitgerust met een reflow soldering station en basisuitrusting voor elektrische metingen (ten minste een digitale multimeter een oscilloscoop, spectrum-analyzer en een PICkit3 programmeur) vereist.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle Endoscopische procedures, met inbegrip van dierlijke onderwerpen zijn goedgekeurd bij het Instituut van de Fysiologie van de dieren en de genetica, Academie van Science Tsjechië (Biomedical Center PIGMOD), Libechov, Tsjechië (project experimenten in het implanteren van accu-loze en batterij apparaten in de submucosa van de slokdarm en de maag — experimentele studie). Alle experimenten worden uitgevoerd met inachtneming van de Tsjechische wet 246/1992 Sb. "inzake de bescherming van dieren tegen mishandeling, zoals gewijzigd". Zender apparaat is niet verplicht te worden gesteriliseerd, omdat het een extern apparaat dat niet in direct contact met het dier.
1. implanteerbaar hulpmiddel Design
- De PCB met behulp van een derde-partij PCB service productie voor te bereiden. Het volledige printed circuit board ontwerp vindt u in het aanvullende bestand "gerber_implant.7z". Het schema is in Figuur 1gegeven.
- Plaats de PCB's op een vlakke ondergrond (Figuur 2a). Gebruik een soldeer pasta-doseerapparaat met 0,6 mm naald en 60 psi druk om handmatig het solderen plakken op elke metalen pad op de PCB. Beginnen met de bovenzijde van de PCB (Figuur 2b). De totale hoeveelheid plakken voor beide zijden van de PCB solderen moet niet meer bedragen dan 15 μL.
- Met een antistatische pincet, alle onderdelen op de bovenste laag van de PCB (figuur 2e) te plaatsen. Figuur 3 voor de positie van materiaal en aanvullende bestand "bom_implantabledevice.csv" voor de toewijzing van componenten aan hun nummers gebruiken.
- Gebruik een PCB hete lucht pistool station bij 260 ° C om te solderen van alle componenten (figuur 4a). Wacht totdat alle van de soldeer pasta smelt, de hete luchtpistool vervolgens opgeborgen en toestaan dat de Raad van bestuur koel aan kamertemperatuur.
- De PCB draai en afzien van soldeer plakken aan de andere kant. Gebruik dezelfde naald en druk zoals in 1.2 (figuur 2d).
- Zoals in stap 1.3., plaats alle componenten van de onderste laag van de PCB. Zie Figuur 3 voor de positie van materiaal en het aanvullende bestand "bom_implantabledevice.csv" voor de toewijzing van componenten aan hun nummers.
- Herhaal de verwarming van de PCB met een hete luchtpistool om te solderen van alle componenten aan de onderzijde. Gebruik hetzelfde proces als in stap 1.4.
- Controleer visueel het PCB voor elke kortsluiting. Als kortsluiting is gevonden, kunt u deze verwijderen met een soldeerbout.
- De draadloze opladen/communicatie coil te vervaardigen. Gebruik 17 verandert van AWG42 draad. De grootte van de spoel is 26 x 13,5 mm2 (Figuur 4 d). Draai de twee uitgang draden.
- Ontwerpen en vervaardigen van de elektrode. Het ontwerp van de elektrode wordt gegeven in het aanvullende bestand "gerber_electrodes.7z". Gebruik het zelfde productieproces zoals in stap 1.1. Deze PCB is volledig voltooid na productie, en geen onderdelen moeten op het worden gesoldeerd. Soldeer twee draden van de AWG42 aan de kleine rechthoekige contactpersonen (figuur 4f)
- De antenne voorbereiden met behulp van 7 cm van geëmailleerde draad en schrapen af 3 mm van het glazuur van de ene kant (figuur 4e)
- De PICkit 3-programmeur verbinden met de PCB (figuur 4b-c)
- Verbinden met pads 6 en 7, volgens Figuur 5, pin 2 en 3 van de PICkit programmeur, respectievelijk.
- Verbinden met pads TP1, TP2 en TP3 (Zie Figuur 3) pin 1, 5 en 4 van de PICkit programmeur, respectievelijk
- Plug in de PICkit 3-programmeur in de USB-poort van een computer met MPLAB IPE software geïnstalleerd.
- Stormloop naar de software van MPLAB IPE en programma van de firmware in de microcontroller.
- Voer de MPLAB IPE-v3.61. Selecteer "instellingen | Geavanceerde modus"
- Voer in het veld wachtwoord het standaardwachtwoord is 'microchip'. Klik op 'Aanmelden'. Er verschijnt een tabblad met verschillende panelen aan de linkerkant.
- Op de top links, klik op "Operate" en in de bovenste middelste gedeelte van het scherm, "Apparaat field" en type in "PIC16LF1783". Klik op "Apply".
- Selecteer "Power" paneel aan de linkerkant (Figuur 6).
- Wijzig de waarde van de spanning VDD 2.55. Deze stap is van cruciaal belang.
Let op: Het instellen van deze waarde van meer dan 2,8 V beschadigt het bord (Figuur 7). - Klik op het selectievakje "Power Target Circuit" uit "Tool" (Figuur 7).
- Klik op de "Operate" lusje op de linkerzijde (Figuur 6).
- Klik op "Connect".
- Download het aanvullende bestand "IMPLANTABLE_V2. X.production.hex"en noteer de locatie op de harde schijf. Zoek de bronregel in de IPE-software, en klik op de "Browse" knop in de buurt van het (Figuur 8).
- Klik op programma. Wachten tot de software zegt dat de software voor de microcontroller (Figuur 9) met succes is gedownload.
- Desolder van de draden gesoldeerd aan pads TP1, TP2 en TP3 (Figuur 3) en draden gesoldeerd aan pads 6 en 7 (Figuur 5).
- De PCB verbinden met alle andere elektrische onderdelen met uitzondering van de batterij (figuur 10a).
- Soldeer de spoel van de draadloze opladen/communicatie aan pads 2 en 3 volgens Figuur 8. De polariteit is niet belangrijk.
- Sluit de antenne om het pad 1 volgens Figuur 5. De PCB-elektroden aansluit op de pads nummer 4 en 5 volgens Figuur 5. De polariteit is niet belangrijk.
- Soldeer de CG-320 batterij aan pads 6 en 7 (Figuur 5). De negatieve aansluitklem van de accu moet op pad 7 worden gesoldeerd. Wees voorzichtig bij het uitvoeren van de volgende stappen. Het apparaat wordt nu gevoed en is gevoelig voor kortsluiting en contact met metalen voorwerpen.
- Om te testen van de functionaliteit van de draadloze opladen circuits, moeten alle stappen in deel 2 worden voltooid. Na dat, plaats u de draadloze lader/zender in de nabijheid van het apparaat. Gebruik een multimeter voor het meten van de spanning van de batterij. Als de accuspanning stijgt langzaam (enkele mV per min), werkt de batterij functie.
- Wind de antenne rond het apparaat in een spiraal (Figuur 10)
- Knip een 32 mm lange stukje van een warmte-KRIMPBARE slang met een binnendiameter van 9,5 mm.
- Plaats de spoel op de PCB. Raadpleeg voor de juiste plaatsing figuur 7b .
- Zet de warmte-KRIMPBARE buis over het apparaat, de spoel en de antenne. Alleen de elektroden moeten uitsteken van de buizen. Zie Figuur 7 c voor juiste plaatsing.
- Verwarm de buis met een hete luchtpistool op 150 ° C tot krimpen en laat het vervolgens afkoelen (Figuur 10 d).
- Epoxy lijm toepassen op de linkerkant voor het afdichten van de ene kant van de buis (figuur 10e).
- Lijm de elektrode aan de achterkant van de PCB met slangen. Ook lijm de andere uiteinde van de buis. Zie figuur 10f voor juiste plaatsing.
- Wacht ten minste 24 uur voor de lijm volledig genezen te harden.
- Na de voltooiing van het apparaat van de draadloze lader/zender, test u het implanteerbare hulpmiddel voor water lekken door deze te plaatsen in een 30 cm hoge kolom van verzadigde zoutoplossing gedurende 1 uur. Elke grote lek gespot kan worden als een plotselinge daling van de accuspanning of de storing van het apparaat veroorzaakt door de zoutoplossing kortsluiting van de elektronica. Na de test is het apparaat volledig voorbereid om te worden ingeplant.
- Test de functie van de stimulatie van het implantaat met behulp van een oscilloscoop. Twee elektroden van de meting van de oscilloscoop aansluit op de tin Vergulde metalen contact pads van de elektrode op het implanteerbare hulpmiddel. Observeer de stimulatie patroon op de oscilloscoop scherm. Het patroon van de juiste stimulatie wordt gegeven in Figuur 11.
2. draadloze lader/Transmitter Design
- De PCB design vindt u in het aanvullende bestand "gerber_transmitter.7z". Gebruik het zelfde productieproces wat betreft het implanteerbare hulpmiddel. Het schema wordt gegeven in Figuur 12.
- Plaats de PCB's op een vlakke ondergrond. Gebruik een soldeer pasta-doseerapparaat met 0,6 mm naald en 60 psi druk om handmatig het solderen plakken op elke metalen pad op de PCB. Het totale bedrag van soldeer plakken afgeleverd op de PCB mag niet meer bedragen dan 50 μl.
- Met een antistatische pincet, alle onderdelen op de bovenste laag van de PCB te plaatsen. Figuur 13 te raadplegen voor de positie van het materiaal en het aanvullende bestand "bom_transmitterdevice.csv" voor de toewijzing van componenten aan hun nummers.
- Gebruik een PCB hete lucht pistool station voorinstelling tot 260 ° C om te solderen van alle onderdelen. Wacht tot alle van de soldeer pasta smelt, de hete luchtpistool opgeborgen en laat de Raad van bestuur afkoelen tot kamertemperatuur.
- Herhaal de stappen 2.3-2.4 voor de onderzijde van het apparaat. Volgen een soortgelijke procedure als tijdens de productie van het implanteerbare hulpmiddel.
- Maak een spoel met 3 beurten van AWG18 geëmailleerd draad (Figuur 14 c) en sluit deze aan pads COIL1 en COIL2 (Figuur 13).
- Maak een aluminium heatsink voor de macht transistoren (Figuur 13, Q1 en Q2). De exacte vorm van de heatsink is niet kritisch. Een van de mogelijke belichaming leer is aangetoond in Figuur 9 d. In dit geval vormt de heatsink ook een behuizing voor het apparaat.
- De PICkit 3-programmeur verbinden met de geassembleerde PCB. Verbinding TP1 pads met TP5 (Figuur 13) met pinnen 1 tot en met 5 van de PICkit programmeur, respectievelijk.
- Plug in de PICkit 3-programmeur in de USB-poort van een computer met MPLAB IPE software geïnstalleerd.
-
Stormloop naar de software van MPLAB IPE en programma van de firmware in de microcontroller. Het proces is hetzelfde als voor het implanteerbare hulpmiddel, met uitzondering van de VDD spanning en het geuploade bestand.
- Voer de MPLAB IPE-v3.61. Selecteer "instellingen | Geavanceerde modus".
- Voer in het wachtwoordvak het standaardwachtwoord is 'microchip'. Klik op 'Aanmelden'. Er verschijnt een tabblad met verschillende panelen aan de linkerkant.
- Op de top links, klik op "Operate" en in de bovenste middelste gedeelte van het scherm, de "Device" en type in "PIC16LF1783". Klik op "Apply".
- Selecteer "Power" paneel aan de linkerkant
- Wijzig de waarde van de spanning VDD aan 3.3.
- Klik op het selectievakje "Power Target Circuit" uit "Tool".
- Klik op de "Operate" lusje op de linkerzijde.
- Klik op "Connect".
- Download het aanvullende bestand "IMPLANTABLE_V2_TRANSMITTER. X.production.hex"en noteer de locatie op de harde schijf. Zoek de bronregel in de IPE-software, en klik op de "Browse" knop in de buurt van het.
- Klik op "Programma". Wachten tot de software zegt dat de software de microcontroller met succes is gedownload.
- De draden gesoldeerd aan pads TP1 te TP5 desolder
- Een 12 V voeding verbinden met de V- en V + pads (Figuur 5). De negatieve terminal moet worden aangesloten op de V-pad.
- De stekker in een mini-USB naar USB-A kabel aan op de X1 connector (Figuur 5) en sluit aan op een computer met PuTTy software vooraf geïnstalleerd.
-
Open de PuTTY software en troep op opwaarts (Figuur 15).
- De stopverf software niet openen. Selecteer "Serial" als verbindingstype.
- Voer COMx als een seriële lijn, waarbij x staat voor het nummer van de COM-poort van het apparaat. Als geen andere COM-poort apparaat is geïnstalleerd, wordt dit nummer 1 worden.
- Voer "38400" als snelheid. Klik op "Openen". De lader/zender-apparaat is nu klaar om te worden gebruikt. Druk op H-toets voor hulp.
3. Endoscopische implantatie
-
Gebruik een live mini varken als een in vivo model, volwassene (8 tot 36 maanden), 20-30 kg gewicht.
- Laat het varken snel gedurende 24 uur vóór de ingreep.
- Laat duidelijk vloeistoffen ad libitum.
- Intramusculaire tiletamine (2 mg/kg), zolazepam (2 mg/kg) en ketamine (11 mg/kg) als een premedication beheren.
- Intraveneuze thiopental ad effectum (5%-oplossing) en inademing verdoving met Isofluraan, N2O en propofol injectie toepassen. Goede verdoving wordt bevestigd door reflexen en spiertonus, ooghoogte, ooglidreflex reflex en bestaat reflex. Verkeer, oxygenatie, ventilatie en lichaamstemperatuur worden voortdurend gecontroleerd.
- Gebruiken om de implantatie en visualisatie, een endoscoop diermodel gewijd. Invoegen met behulp van de normale manier in het model in vivo .
- Pak het apparaat extern met een valstrik. Daarna plaatst u deze in de maag, en laat vervolgens het.
- Pak de endoscoop, rusten met een dissectie cap (15,5 mm), en vervolgens opnieuw invoegen aan de maag.
- Om het apparaat aan de submucosa van het implantaat, zoutoplossing gemengd met methyleenblauw in de submucosal laag met behulp van een injectie therapie naald katheter (25 G) van toepassing.
- Maak een horizontale snede te maken van een opening in de submucosa, met behulp van een elektrochirurgische mes met een knop-vormige tip.
- Met behulp van de aangebrachte GLB, invoegen van het GLB in de nieuw gecreëerde ruimte, en met het gebruik van een elektrochirurgische mes, blijven verstoren, leerstoornissen en ontrafeling van de submucosal laag, het creëren van een voldoende grote-genoeg zak om in te voegen de stimulatie-apparaat.
- Pak het apparaat die vrij in de maag met inbrengen en extractie loops ligt en, met behulp van grijpen pincet, navigeren in de submucosal zak. Plaats de elektroden van de stimulatie in contact met de muscularis propria met greep pincet.
- Gebruik een over het toepassingsgebied clip om het apparaat op zijn plaats binnen de submucosal veilig te stellen van de zak en voorkomen van een migratie of loskomen.
4. experiment — Na implantatie
- Na succesvolle implantatie, plaats u de lader/zender spoel in de nabijheid van het geïmplanteerde apparaat.
- Sluit de RTL2832-dongle in de PC.
-
Uitvoeren van de HDSDR software en stel de center frequentie op 432 MHz.
- Open de HDSDR software (Figuur 15) voor de juiste instellingen en PuTTY software (Figuur 16). In de HDSDR software, klikt u op "opties | Selecteer Input | ExtIO".
- Selecteer bandbreedte — "960000". Selecteer de LO-frequentie 431.95 MHz. selecteren de Tune frequentie 432.00 MHz.
- Een Manchester gecodeerd opeenvolging van de lader/zender door op R te drukken in de stopverf terminal verzenden en het antwoord OOK gemoduleerd ontvangen het implantaat door observatie van het hoofdvenster HDSDR ( figuur 17e-f).
5. euthanasie na het Experiment
- Gebruik een verdoving overdosis voor euthanasie (letale dosis van thiopental en KCl).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 17 laat zien dat een Endoscopische plaatsing van de maag neurostimulator in een zak in de submucosa evenals goede plaatsing van de elektroden naar de gespierde laag succesvol was. De afmetingen van het apparaat (Figuur 10) zijn 35 x 15 x 5 mm3 , terwijl het gewicht 2.15 is g. Figuur 17 toont het circuit diagram van het apparaat waaruit blijkt dat het apparaat bestaat uit 6 verschillende modules die met elkaar zijn verbonden. Figuur 3 toont de PCB-lay-out- en component-plaatsing in het apparaat. Figuur 18 blijkt dat om het implantaat het apparaat in de submucosal laag, een techniek genaamd een Endoscopische submucosal zak9,10 (ESP) werd gebruikt. De stimulator was gevoegd in de buurt van de gespierde laag (muscularis propria) waar het is theoretisch de optimale stimulatie diepte. Maken van de submucosal zak en het implanteren van de maag neurostimulator endoscopically nam 20-30 min. Tijdens deze procedure is er geen intraprocedural complicatie zoals perforatie of ernstige bloedingen. Migratie van het apparaat in de maag kon niet worden vastgesteld omdat het experiment niet-survival was. Na de implantatie, werd bidirectionele communicatieverbinding met het implanteerbare hulpmiddel opgericht met een extern apparaat weergegeven in Figuur 14. De geschatte afstand tussen de spoel lader/programmeur en het implantaat was 10 cm. De bereikte signal-to-noise (SNR) verhouding met RTL2832 gebaseerde software-defined-radio (SDR) ontvanger was meer dan 40 dB.
Figuur 1 : Schematisch diagram van het implanteerbare hulpmiddel. De afbeelding ziet u hoe de verschillende componenten en circuit delen zijn verbonden in het implanteerbare hulpmiddel. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2 : Fabricage van de implanteerbaar hulpmiddel - PCB assemblage. (een) PCB, bovenaanzicht. (b) soldeer plakken toegepast op de bovenste laag. (c) een voorbeeld van de plaatsing van de hand van 0402 condensator. (d) soldeer plakken toegepast op de onderste laag. (e) volledig is gevuld bovenzijde van de PCB. (f) volledig is gevuld onderkant van de PCB Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3 : Ontwerp van het implanteerbare hulpmiddel. (een) koperen toplaag van de PCB. (b) de namen van de Component op de bovenste laag. (c) koper van de onderste laag van de PCB. (d) de namen van de Component op de onderste laag. (e) samengestelde afbeelding van alle PCB lagen Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4 : Fabricage van de implanteerbaar hulpmiddel — voorbereiding van elders. (een) hete luchtstroom van de onderkant van de PCB. (b) programmering draden gesoldeerd aan de PCB. (c) PCB verbonden met de programmeur. (d) draadloos opladen spoel. (e) 432 MHz antenne. (f) stimulatie elektroden met twee draden aangesloten Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 5 : Aanbevolen soldeer gezamenlijke plaatsing voor de externe onderdelen van het implanteerbare hulpmiddel. De foto toont waar de coil, antenne, batterij en elektroden moeten worden gesoldeerd. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 6 : Een verbinding tot stand met het implanteerbare hulpmiddel — belangrijke instellingen vermeld in de tekst zijn gemarkeerd met rode pijlen. Deze foto is van de software van MPLAB IPE, wordt een scherm, die laat hoe om te bepalen zien dat de microcontroller binnen het implanteerbare hulpmiddel correct communiceert met de PICkit programmer geleverd. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 7 : Macht van de instellingen van de software die wordt gebruikt voor het programmeren van — belangrijke instellingen vermeld in de tekst zijn gemarkeerd met rode pijlen. Dit is de foto van de MPLAB IPE-software. Het laat zien hoe goed de macht van het implanteerbare hulpmiddel voor programmering Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 8 : Het kiezen van een juiste programmering bestand voor het implanteerbare hulpmiddel. De foto toont welke knop te klikken om de aanvullende hexadecimaal bestand correct worden geladen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 9 : Proces van het programmeren van de firmware in het implanteerbare hulpmiddel. De foto toont welke knop te drukken om het programma van de software in het implanteerbare hulpmiddel. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 10 : Productie van het implanteerbare hulpmiddel — eindmontage. (een) draadloos opladen coil, stimulatie elektroden en antenne gesoldeerd aan de PCB, samen met batterij. (b) gestapelde implantaat. (c) transparante warmte KRIMPBARE slang zetten over de PCB. (d) krimpen van de buis met hete lucht. (e) buizen volledig shrinked en eindigt gelijmd. (f) afgerond implanteerbaar hulpmiddel Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 11 : Voorbeeld van de uitvoer stimulatie patroon van het apparaat zoals weergegeven op de oscilloscoop DSOX1102G. Na het programmeren van het implanteerbare hulpmiddel, moet SOLDEREN van de elektroden en de batterij, output stimulatie patroon zoals weergegeven in de afbeelding verschijnen op de elektroden. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 12 : Schematisch diagram van het apparaat van de draadloze lader/zender. Het cijfer is analogisch op Figuur 1. Hier is de interne werking van het apparaat van de draadloze lader/zender komt te staan Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 13 : Ontwerp van het apparaat van de lader/zender. (een) koperen toplaag van de PCB. (b) de namen van de Component op de bovenste laag. (c) koper van de onderste laag van de PCB. (d) de namen van de Component op de onderste laag. (e) samengestelde afbeelding van alle PCB lagen Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 14 : Fabricage van de draadloze lader/zender apparaat. (een) voltooid PCB, bovenzijde (b) voltooid onderkant van de PCB (c) mechanische ontwerp van de draadloze zender/lader coil (d) een mogelijke belichaming van het apparaat gefinaliseerde lader/zender Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 15 : Instellingen van de software HDSDR corrigeren. De HDSDR software wordt gebruikt samen met de RTL2832U gebaseerde USB dongle als een spectrum analyzer ontvangen als u wilt weergeven van het radiospectrum. In dit geval wordt het gebruikt om te ontvangen van het antwoord van het implantaat verzonden op ongeveer 432 MHz. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 16 : Instellingen van de stopverf software corrigeren. De stopverf software wordt gebruikt voor communicatie met de oplader/zender-apparaat. Het moet correct worden geconfigureerd om de correcte gegevens worden weergegeven voor de gebruiker. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 17 : Endoscopical implantatie van het implanteerbare hulpmiddel en controleren of het werkt. (een) In vivo model in dierlijke Endoscopische eenheid. (b) inbrengen van de endoscoop standaard weg naar het model in vivo . (c) Implantable apparaat prototype begrepen met een valstrik. (d) proces bidirectionele draadloze verbinding tot stand te brengen met het implanteerbare hulpmiddel. (e) HDSDR software. (f) Detail van also gemoduleerd gegevens die worden verzonden door het implantaat. (g) X-ray — apparaat positie check. (h) X-ray scan van het implantaat-gebied, het apparaat, alsmede over de werkingssfeer clip is duidelijk zichtbaar. (ik) gedetailleerd apparaat weergeven. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 18 : Weergave van apparaat implantatie en endoscopische techniek. (een) Submucosal injectie met methyleenblauw. (b) Submucosal insnijding (een ingang voor de vorming van submucosal zak). (c) Tunnelisation van de submucosal zak. (d-f) Verstoren, leerstoornissen en ontrafeling van de submucosal laag. (g, h) Apparaat de implantatie. (ik) sluiten de vermelding met boven de clip toepassingsgebied. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Aanvullende bestand 1: gerber_implant.7z. Zip-archief met de bestanden die nodig zijn voor de vervaardiging van de printplaat van het implanteerbare hulpmiddel. Please click here to download dit bestand
Aanvullende File 2: gerber_transmitter.7z. Zip-archief met de bestanden die nodig zijn voor de vervaardiging van de printplaat van de lader/zender-apparaat. Please click here to download dit bestand
Aanvullende bestand 3: gerber_electrodes.7z. Zip-archief met de bestanden die nodig zijn voor de vervaardiging van de elektroden. Please click here to download dit bestand
Aanvullende bestand 4: IMPLANTABLE_V2. X.production.hex. Firmware voor het implanteerbare hulpmiddel. Please click here to download dit bestand
Aanvullende bestand 5: IMPLANTABLE_V2_TRANSMITTER. X.production.HEX. Firmware voor de lader/zender-apparaat. Please click here to download dit bestand
Aanvullende bestand 6: bom_implantabledevice.csv. Bill van materiaal (BOM) bestand met een beschrijving van de toewijzing van component waarden aan bepaalde onderdelen op de PCB van het implanteerbare hulpmiddel. Please click here to download dit bestand
Aanvullende bestand 7: bom_transmitterdevice.csv. BOM bestand met een beschrijving van de toewijzing van component waarden aan bepaalde onderdelen op de PCB van de lader/zender-apparaat. Please click here to download dit bestand
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Het ontwerp van het implanteerbare hulpmiddel zich voornamelijk richten op de totale grootte van het apparaat, haalbare stimulatie profielen (maximale spanning, product maximumstroming, duur van de pulsen en pulse frequentie). Belangrijkste beperking vanuit het perspectief van de hardware is de grootte en de beschikbaarheid van geschikte componenten. Om te minimaliseren van de totale grootte, hebben surface mount componenten de voorkeur vanwege hun compacte verpakking. De beste oplossing zou zijn om te integreren kale chip sterft op het substraat. Dit wordt echter beperkt door zowel de beschikbaarheid van blote sterven verpakking optie voor de onderdelen en de toegankelijkheid van de draad verlijmen van technologie. Tweede belangrijke parameter is de batterij. Lithiumbatterijen hebben de voorkeur vanwege de hoge energiedichtheid. De nominale spanning van 3,7 V is ook gunstig. Het grote voordeel van de gepresenteerde hardware topologie is zijn kleine grootte en minimale invasiviteit. Vergeleken met de huidige oplossingen7,8, de voorgestelde oplossing is een omvang kleiner en kan worden geïmplanteerd rechtstreeks naar de submucosa, zonder behoefte aan externe leads en onderhuidse implantatie van de neurostimulator.
Met uitzondering van de hardware zelf, in de toekomst moet extra aandacht worden besteed aan de behuizing van het apparaat. Het eerste punt is de biocompatibiliteit en hermeticity11 te vermijden van mogelijke afwijzing van het implantaat. Anderzijds is de vastlegging van het apparaat in de submucosa om te voorkomen dat ongewenste migratie van het implantaat.
De meest kritische stappen tijdens Endoscopische inplanting is het vastleggen van het apparaat en de plaatsing in de submucosal zak. De beperking is de grootte van de zak, die zijn moet, van de opmerkingen, ongeveer ten minste tweemaal zo groot is als het apparaat om te worden ingeplant. Volgende probleem is de correcte oriëntatie van het implantaat in de zak. Met respect aan de technische moeilijkheid van de Endoscopische procedure, is deze methode gewijd aan deskundigen met ervaring met tunnel dissectie of peroral Endoscopische myotomy (gedicht).
Het volgende problematisch deel is de sluiting van de zak die relatief moeilijk met behulp van de meer dan de werkingssfeer clip. Het gebruik van dit soort clip voorkomt echter dat de migratie en de afwijzing van het apparaat. Beperkingen van deze techniek uit oogpunt van hardware omvatten de hardware ontwikkeling apparatuur om te solderen met de vereiste nauwkeurigheid. Het apparaat is ontworpen om te weerstaan tijdens de operatie en een korte tijd daarna. Dus met de huidige behuizing, is het niet ontworpen om te verblijven voor langdurig van tijd in het lichaam. Ook is het materiaal van de behuizing niet biocompatibel vertegenwoordigt die een hoog risico van afwijzing van het implantaat in het geval van een experiment van overleving. Deze techniek kan verder worden ontwikkeld, met name wat betreft de ontwikkeling van biocompatibel en hermetische behuizing die is van essentieel belang voor overleving model experimenten. Vervolgens kan de functionaliteit van meerdere geïntegreerde schakelingen worden geconcentreerd in een enkele applicatie specifieke geïntegreerde schakeling. Ook kunnen kleinere surface mount componenten worden gebruikt om het apparaat compacter. De volgende mogelijke richting van dit onderzoek kan leiden tot de ontwikkeling van nieuwe endoscopical methoden voor de behandeling van andere gastro-intestinale ziekten zoals GERD, incontinentie of sluitspier disfuncties12.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Dit werk was ondersteund door de Research Project PROGRES-Q28, en bekroond door Karelsuniversiteit in Praag. De auteurs bedanken tot kont. Prof. Jan Martínek, Ph.D. en PIGMOD centrum.
Acknowledgments
De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.
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).
