Summary
Die Anwendung der Hochfrequenz-niedrig-energetische Stimulation kann die Symptome der Magen Dysmotility lindern. In dieser Studie wird eine Miniatur, endoskopisch implantierbare und drahtlos wiederaufladbare Gerät, das in eine submucosal Tasche implantiert wird vorgestellt. Während eines Experiments auf lebendes Schwein wurden erfolgreich sowohl-Wege-Kommunikation und Stimulation Kontrolle erreicht.
Abstract
Magen-Dysmotility kann ein Zeichen von Volkskrankheiten wie langjährigen Diabetes Mellitus sein. Es ist bekannt, dass die Anwendung der Hochfrequenz-niedrig-energetische Stimulation wirksam moderieren und lindern die Symptome der Magen Dysmotility helfen kann. Das Ziel der Forschung war die Entwicklung einer Miniatur, endoskopisch implantierbares Gerät eine submucosal atemhöhle. Das implantierbare Gerät ist ein vollständig maßgeschneiderte elektronische Paket, das speziell zum Zweck der Experimente in der Submukosa. Das Gerät ist mit einem Lithium-Ionen-Akku ausgestattet die drahtlos aufgeladen werden kann, durch den Empfang ein Vorfall Magnetfeld vom Coil geladen/übertragen. Die Uplink-Kommunikation wird in einer MedRadio Band mit 432 MHz erreicht. Das Gerät wurde in der submucosal Tasche ein live Hausschwein verwendet als in Vivo Modell, speziell in den Magen Antrum endoskopisch eingefügt. Das Experiment bestätigte, dass das gestaltete Gerät in der Submukosa implantiert werden kann und in der Lage, bidirektionale Kommunikation ist. Das Gerät kann bipolare Stimulation von Muskelgewebe führen.
Introduction
Magen-Dysmotility können ein Zeichen für mehrere relativ weit verbreitete Krankheiten wie Gastroparese, zeichnet sich in der Regel durch einen chronischen Verlauf und erlegt eher schwere Auswirkungen auf die sozialen, beruflichen und physischen Zustand des Patienten. Die meisten Fälle von Gastroparese sind in der Regel Diabetiker oder idiopathischen Ursprungs und sind oft resistent gegen Medikamente verfügbar1. Patienten mit dieser Erkrankung betroffenen am häufigsten präsentieren mit Übelkeit und Erbrechen wiederholt. Basierend auf früheren Untersuchungen ist bekannt, dass die Anwendung von Hochfrequenz-niedrig-energetischen elektrische Stimulation helfen kann, effektiv moderieren und lindern die Symptome der Magen Dysmotility1,2.
Basierend auf früheren Studien, ist es erwiesen, dass Hochfrequenz-Magen-elektrischer Stimulation die Symptome und Magen-Entleerung3deutlich verbessern kann. Es hat auch gezeigt, dass die unteren Ösophagussphinkters Neurostimulator-Therapie ist sicher und wirksam für die Behandlung von gastroösophageale Refluxkrankheit (GERD), verringert die saure Exposition und täglich Protonen-Pumpen-Hemmer (PPI) Nutzung ohne Stimulation im Zusammenhang mit Nebenwirkungen4. Vor Studien am Menschen wurden erste Studien in Tiermodellen durchgeführt (Canine Modelle5). Basierend auf diesen Studien, verursacht elektrischer Stimulation des unteren Ösophagussphinkters (LES, 20 Hz, Pulsbreite von 3 ms) eine anhaltende Kontraktion der LES5. Ähnliche Effekte der hohen (20 Hz, Pulsbreite von 200 µs) und Niederfrequenz (6 Takte/min., Pulsbreite von 375 ms) elektrischer Stimulation auf LES in GERD-Patienten wurden untersucht. Hoch- und niederfrequente Stimulation waren effektiv6. Derzeit, stehen es jedoch nur zwei Neurostimulatoren für Magen- oder Speiseröhrenkrebs Stimulation auf dem Markt7,8. In diesen Geräten können chirurgisch, laparoskopisch oder einem Roboter die Elektroden implantiert werden. Das Gerät selbst wird subkutan implantiert. Dies erfordert Vollnarkose und haben ein sperriges Gerät ausgestattet, mit intramuskulären Katheter, die für die Stimulation des Magen- oder Speiseröhrenkrebs Muskelgewebes ermöglichen. Die Möglichkeit, mit einem drahtlos kommunizierender Gerät implantiert in den Magen submucosal Schicht würde also ein klarer Vorteil und Verbesserung der Komfort für den Patienten darstellen. Wie in den früheren Forschung9,10, wurde nachgewiesen, dass eine Implantation ein Miniatur-Neurostimulator in Submukosa möglich ist. Für die endoskopische submucosal Implantation verwenden wir eine Technik namens endoskopische submucosal Taschendiebstahl (ESP), basierend auf endoskopische submucosal Tunnel Dissektion10. Das Ziel dieser Forschung ist es, dieses Konzept ein implantierbarer Neurostimulator, vor allem im Bereich der Energieverwaltung (speziell die Wiederaufladung Funktechnologie), Übereinstimmung mit den jeweiligen Rechts- und Verwaltungsvorschriften für Wireless weiter zu verbessern Kommunikationsverbindungen in implantierbare Medizinprodukte und Möglichkeit der bipolaren Neurostimulation. Als nächstes präsentiert Microneurostimulator ist in der Lage, bidirektionale Kommunikation und die Stimulationsparameter können in Echtzeit geändert werden, sogar während das Gerät implantiert.
Diese Technik eignet sich für Teams mit einem therapeutischen endoskopiker in endoskopischen Taschendiebstahl oder Tunnel Sezierungen erlebt. Als nächstes eine Hardware- und embedded Software-Entwickler mit Erfahrung im Bau von hardwareprototypen mit Mikrocontrollern und Hochfrequenz-Schaltungen mit Surface-Mount-Technologie ist erforderlich. Für den Aufbau der Hardware-Prototypen, ist eine Labor, ausgestattet mit einem Reflow-Löten Station und Grundausstattung für elektrische Messungen (mindestens ein digital-Multimeter, Oszilloskop, ein Spektrumanalysator und PICkit3 Programmierer) erforderlich.
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Protocol
Alle endoskopischen Verfahren einschließlich tierische Themen wurden am Institut für Tierphysiologie und Genetik, Akademie der Wissenschaft Tschechien (Biomedizinische Zentrum PIGMOD), Libechov, Tschechische Republik (Projekt Experimente in der Implantation von genehmigt batterielose und Akku-Geräte in der Submukosa der Speiseröhre und Magen – experimentelle Studie). Alle Experimente werden durchgeführt in Übereinstimmung mit tschechischem Recht 246/1992 SB. "über den Schutz der Tiere gegen Misshandlung, in der geänderten Fassung". Sender-Gerät ist nicht erforderlich, die sterilisiert werden, weil es ein externes Gerät, das nicht in direktem Kontakt mit dem Tier ist.
(1) implantierbares Gerätedesign
- Bereiten Sie die Platine mit einem Drittanbieter-PCB Fertigung Service. Die komplette Printed Circuit Board-Design ist in die zusätzliche Datei "gerber_implant.7z" zur Verfügung gestellt. Das Schaltbild ist in Abbildung 1zur Verfügung gestellt.
- Legen Sie die Platinen auf einer flachen Oberfläche (Abb. 2a). Verwenden Sie einen Lot Paste Dispenser mit 0,6 mm Nadel und 60 Psi Druck manuell lötende Paste auf jeder metallischen Pad auf der Platine zu verzichten. Beginnen Sie mit der Oberseite der Leiterplatte (Abb. 2 b). Der Gesamtbetrag der Paste für beide Seiten der Platine löten sollte 15 μl nicht überschreiten.
- Platzieren Sie mit einem antistatischen Pinzette alle Komponenten auf die oberste Schicht der Leiterplatte (Abb. 2e). Verwenden Sie Abbildung 3 für Komponentenposition und zusätzliche Datei "bom_implantabledevice.csv" für die Zuordnung der Komponenten zu ihren Nummern.
- Verwenden Sie ein PCB Pistole Heißluftstation bei 260 ° C, alle Komponenten (Abb. 4a) Löten. Warten Sie, bis die Lötpaste dann steckte das Heißluftgebläse schmilzt, und lassen Sie das Board auf Zimmertemperatur abkühlen.
- Die Platine umdrehen und Lotpaste auf der anderen Seite zu verzichten. Verwenden Sie die gleiche Nadel und Druck wie in 1.2 (Abb. 2d).
- Wie in Schritt 1.3., platzieren Sie alle Komponenten der untersten Ebene der Leiterplatte. Finden Sie in Abbildung 3 Position der Komponenten und die zusätzliche Datei "bom_implantabledevice.csv" für die Zuordnung der Komponenten auf ihre Zahlen.
- Wiederholen Sie die Heizung der Platine mit einer Heißluftpistole, alle Komponenten an der Unterseite zu löten. Verwenden Sie den gleichen Prozess wie in Schritt 1.4.
- Sichtkontrolle der PCB Kurzschlüsse. Wenn Kurzschluss gefunden wird, entfernen Sie es mit einem Lötkolben.
- Fertigen Sie die drahtlose aufladen/Kommunikation-Spule. Einsatz 17 wendet sich AWG42 Draht. Die Größe der Spule beträgt 26 x 13,5 mm2 (Abbildung 4D). Drehen Sie die zwei Ausgabe-Drähte.
- Konstruktion und Fertigung der elektrodendurchmessers. Die Elektrodenkonstruktion ist in die zusätzliche Datei "gerber_electrodes.7z" zur Verfügung gestellt. Verwenden Sie die gleichen Herstellungsverfahren wie in Schritt 1.1. Diese Platine ist vollständig abgeschlossen, nach der Herstellung, und keine Komponenten sind erforderlich, um drauf gelötet werden. Solder zwei AWG42 Drähte an die kleine rechteckige Kontakte (Abb. 4f)
- Bereiten Sie die Antenne mit 7 cm von Lackdraht und kratzen aus 3 mm des Zahnschmelzes von einem Ende (Abbildung 4e)
- Verbinden Sie die PICkit 3 Programmierer mit PCB (Abbildung 4 b-c)
- Pads 6 und 7, gemäß Abbildung 5, bzw. an Pin 2 und 3 des Programmierers PICkit anschließen.
- Bzw. Pins 1, 5 und 4 des Programmierers PICkit herstellen Sie Pads TP1 TP2 und TP3 (siehe Abbildung 3)
- Stecken Sie die PICkit 3 Programmierer am USB-Anschluss eines Computers mit MPLAB IPE-Software installiert.
- Führen Sie die MPLAB IPE-Software und Programmieren Sie die Firmware in den Microcontroller zu.
- Führen Sie die MPLAB IPE v3.61. Wählen Sie "Einstellungen | Erweiterter Modus"
- Geben Sie in das Feld "Kennwort" das Standard-Passwort ist "Mikrochip". Klicken Sie auf "Anmelden". Eine Registerkarte mit verschiedenen Panels auf der linken Seite erscheint.
- Auf der linken oberen "Bedienen", klicken Sie im oberen mittleren Teil des Bildschirms, klicken Sie auf "Feld Device" und geben Sie "PIC16LF1783". Klicken Sie auf "Anwenden".
- Wählen Sie die Gruppe "Power" auf der linken Seite (Abbildung 6).
- Ändern Sie den VDD Spannungswert auf 2,55. Dieser Schritt ist wichtig.
Achtung: Das Festlegen dieses Werts über 2,8 V schädigt die Kammer (Abbildung 7). - Aktivieren Sie das Kontrollkästchen "Target Stromkreis" von "Tool" (Abbildung 7).
- Klicken Sie auf die Registerkarte "Betrieb" auf der linken Seite (Abbildung 6).
- Klicken Sie auf "Verbinden".
- Laden Sie die zusätzliche Datei "IMPLANTABLE_V2. X.Production.Hex"und notieren Sie den Speicherort auf der Festplatte. Finden Sie in der IPE-Software die Source-Zeile und klicken Sie auf die Schaltfläche "Durchsuchen" in der Nähe ist (Abbildung 8).
- Klicken Sie auf Programm. Warten Sie, bis die Software sagt, dass die Software erfolgreich an den Mikrocontroller (Abbildung 9) heruntergeladen wurde.
- Die Drähte verlötet auf Pads TP1 und TP2 TP3 Ablöten (Abbildung 3) sowie Drähte angelötet, Pads, 6 und 7 (Abbildung 5).
- Verbinden Sie die PCB für alle anderen elektrischen Komponenten außer der Batterie (Abb. 10a).
- Löten Sie die drahtlose aufladen/Kommunikation-Spule an Pads 2 und 3 gemäß Abbildung 8. Die Polarität spielt keine Rolle.
- Schließen Sie die Antenne um 1 gemäss Figur 5aufzufüllen. Verbinden Sie die PCB-Elektroden mit Pads Nummer 4 und 5 gemäß Abbildung 5. Die Polarität spielt keine Rolle.
- Löten Sie die CG-320 Batterie Pads 6 und 7 (Abbildung 5). Der negative Pol der Batterie muss auf Pad 7 eingelötet werden. Seien Sie vorsichtig beim Ausführen der nächsten Schritte. Das Gerät wird nun mit Strom versorgt und ist empfindlich gegen Kurzschlüsse und Kontakt mit metallischen Gegenständen.
- Um die Funktionalität der kabellose Ladestation Schaltung zu testen, müssen alle Schritte in Teil 2 abgeschlossen werden. Danach legen Sie die drahtlose Ladegerät/Sender in der Nähe des Geräts. Benutzen Sie ein Multimeter die Spannung der Batterie messen. Wenn die Batteriespannung steigt langsam (mehrere mV / min.), arbeitet die Ladefunktion.
- Wickeln Sie die Antenne um das Gerät in einer Spirale (Abb. 10 b)
- Schneiden Sie ein 32 mm langes Stück Wärme Wärmeschrumpfende Schläuche mit einem Innendurchmesser von 9,5 mm.
- Setzen Sie die Spule auf der Platine. Die richtige Platzierung finden Sie in Abbildung 7 b .
- Legen Sie die Wärme Wärmeschrumpfende Schläuche über Gerät, Spule und Antenne. Nur die Elektroden sollte aus der Röhre herausschauen. Siehe Abbildung 7 c für die richtige Platzierung.
- Erhitzen Sie den Schlauch mit einer Heißluftpistole auf 150 ° C zu schrumpfen und dann lassen Sie es abkühlen (Abbildung 10 d).
- Wenden Sie Epoxy-Kleber auf das linke Ende, eine Seite des Schlauches (Abbildung 10e) versiegeln an
- Kleben Sie die Elektrode an der Rückseite der Platine mit Schlauch. Auch kleben Sie das andere Ende des Schlauches. Siehe Abbildung 10f für die richtige Platzierung.
- Warten Sie mindestens 24 Stunden für den Klebstoff zu verhärten und vollständig zu heilen.
- Im Anschluss an das drahtlose Ladegerät/Sender-Gerät testen Sie das implantierbare Gerät für Wasserlecks indem man es in eine 30 cm hohe Säule aus gesättigten Salzlösung für 1 h. Jede große Leck kann als ein plötzlicher Abfall der Batteriespannung oder der Fehlfunktion des Gerätes verursacht durch Kurzschließen der Elektronik Salzlösung gesichtet werden. Nach dem Test ist das Gerät voll und ganz bereit, implantiert werden.
- Testen Sie die Stimulation Funktion des Implantats mit einem Oszilloskop. Zwei Elektroden Messung das Oszilloskop an Zinn Metall vergoldeten Kontaktflächen der Elektrode auf das implantierbare Gerät anschließen. Beachten Sie die Stimulation Muster auf dem Oszilloskop Bildschirm. In Abbildung 11ist die richtige Stimulation Muster gegeben.
2. drahtlose Ladegerät/Sender-Design
- Die PCB-Design ist in die zusätzliche Datei "gerber_transmitter.7z" zur Verfügung gestellt. Verwenden Sie den gleichen Herstellungsprozess für das implantierbare Gerät. Das Schaltbild ist in Abbildung 12vorgesehen.
- Legen Sie die Platinen auf einer flachen Oberfläche. Verwenden Sie einen Lot Paste Dispenser mit 0,6 mm Nadel und 60 Psi Druck manuell lötende Paste auf jeder metallischen Pad auf der Platine zu verzichten. Der Gesamtbetrag der Lotpaste verzichtet auf der Leiterplatte sollte 50 μL nicht überschreiten.
- Platzieren Sie mit einem antistatischen Pinzette alle Komponenten auf die oberste Schicht der Leiterplatte. Die Position der Komponenten und die zusätzliche Datei "bom_transmitterdevice.csv" für die Zuordnung der Komponenten zu ihren Nummern finden Sie in Abbildung 13 .
- Verwenden Sie ein PCB Pistole Heißluftstation voreingestellt auf 260 ° C, um alle Komponenten zu löten. Warten Sie, bis die Lötpaste schmilzt, steckte das Heißluftgebläse und lassen Sie das Board auf Raumtemperatur abkühlen.
- Wiederholen Sie die Schritte 2,3 – 2,4 für die Unterseite des Geräts. Folgen Sie ein ähnliches Verfahren wie bei der Herstellung von implantierbares Gerät.
- Erstellen Sie eine Spule mit 3 Windungen AWG18 emailliert (Abbildung 14 c) und verbinden Sie es mit Pads COIL1 und COIL2 (Abbildung 13).
- Machen Sie eine Aluminium-Kühlkörper für die Leistungstransistoren (Abbildung 13, Q1 und Q2). Die genaue Form des Kühlkörpers ist nicht entscheidend. Eine der möglichen Ausführungsformen ist in Abbildung 9 dgezeigt. In diesem Fall bildet die Kühlkörper auch ein Gehäuse für das Gerät.
- Die PICkit 3 Programmierer an die bestückte Platine anschließen. TP5 Pads TP1 anschließen (Abb. 13) mit pins 1 bis 5 des Programmierers PICkit, beziehungsweise.
- Stecken Sie die PICkit 3 Programmierer am USB-Anschluss eines Computers mit MPLAB IPE-Software installiert.
-
Führen Sie die MPLAB IPE-Software und Programmieren Sie die Firmware in den Microcontroller zu. Das Verfahren ist dasselbe wie für das implantierbare Gerät, mit Ausnahme der VDD Spannung und Datei hochgeladen.
- Führen Sie die MPLAB IPE v3.61. Wählen Sie "Einstellungen | Erweiterter Modus".
- Geben Sie in Kennwortfeld das Standard-Passwort ist "Mikrochip". Klicken Sie auf "Anmelden". Eine Registerkarte mit verschiedenen Panels auf der linken Seite erscheint.
- Auf der linken oberen "Operate" klicken Sie im oberen mittleren Bereich des Bildschirms auf "Gerät" und geben Sie "PIC16LF1783". Klicken Sie auf "Anwenden".
- Wählen Sie Gruppe "Power" auf der linken Seite
- Ändern Sie den VDD Spannungswert in 3.3.
- Aktivieren Sie das Kontrollkästchen "Target Stromkreis" von "Tool".
- Klicken Sie auf die Registerkarte "Betrieb" auf der linken Seite.
- Klicken Sie auf "Verbinden".
- Laden Sie die zusätzliche Datei "IMPLANTABLE_V2_TRANSMITTER. X.Production.Hex"und notieren Sie den Speicherort auf der Festplatte. Finden Sie in der IPE-Software die Source-Zeile und klicken Sie auf die Schaltfläche "Durchsuchen" in der Nähe.
- Klicken Sie auf "Programm". Warten Sie, bis die Software sagt, dass die Software auf den Mikrocontroller erfolgreich heruntergeladen wurde.
- Ablöten Sie die Drähte verlötet Pads TP1 TP5
- Schließen Sie ein 12 V-Netzteil an die v- und V + Pads (Abbildung 5). Der Minuspol ist mit dem V-Pad verbunden sein.
- Schließen Sie ein Mini-USB zu USB-A-Kabel an den X1 Anschluss (Abbildung 5) und mit PuTTy vorinstallierter Software an einen Computer anschließen.
-
Öffnen Sie die PuTTY Software und richtete ihn auf (Abbildung 15).
- Öffnen Sie die PuTTY Software. Wählen Sie als Verbindungstyp "Serial".
- Geben Sie COMx als eine serielle Leitung, wobei x die Anzahl der COM-Port des Gerätes ist. Wenn keine anderen COM-Port-Gerät installiert wurde, wird diese Nummer 1 sein.
- Geben Sie "38400" als Geschwindigkeit. Klicken Sie auf "Öffnen". Das Ladegerät/Sender-Gerät ist nun einsatzbereit. Taste H um Hilfe.
3. endoskopische Implantation
-
Verwenden Sie ein lebendes Mini Schwein als in Vivo Modell, Erwachsene (8-36 Monate), 20-30 kg Gewicht.
- Lassen Sie das Schwein schnell für 24 h vor dem Eingriff.
- Klare Flüssigkeiten Ad Libitumzu ermöglichen.
- Verabreichen Sie intramuskuläre tiletamin (2 mg/kg), Zolazepam (2 mg/kg) und Ketamin (11 mg/kg) als eine Prämedikation.
- Intravenöse Thiopental Ad Effectum (5 % ige Lösung) und Inhalation Anästhesie mit Isofluran, N2O und Propofol-Injektion anwenden. Ordnungsgemäße Betäubung wird durch Reflexe und Muskeltonus, augenposition, palpebrale Reflex und Pupillen Reflex bestätigt. Durchblutung, Sauerstoffversorgung, Lüftungs- und Körpertemperatur werden kontinuierlich überwacht.
- Verwenden Sie zur Durchführung der Implantation und Visualisierung Endoskop Tiermodell gewidmet. Legen Sie es mit der Standardmethode in der in-Vivo -Modell.
- Fassen Sie das Gerät extern mit einer Schlinge. Danach fügen Sie es in den Magen und dann freigeben.
- Extrahieren Sie das Endoskop, statten sie mit einer Dissektion Kappe (15,5 mm) und dann wieder in den Magen eingelegt.
- Um das Gerät zu Submukosa Implantat, gelten Sie Kochsalzlösung gemischt mit Methylenblau in die submucosal Schicht mit einer Injektion Therapie Nadel Katheter (25 G).
- Stellen Sie einen horizontalen Schnitt erstellen Sie eine Öffnung in der Submukosa mit einer elektrochirurgischen Messer mit einem Knopf-förmigen Spitze.
- Mit der angebrachten GAP, setzen Sie den Deckel in den neu geschaffenen Raum und mit dem Einsatz von einem elektrochirurgische Messer, weiter stören, Dilatation und sezieren die submucosal Schicht, erstellen eine ausreichend große genug Tasche um die stimulationsvorrichtung einzufügen.
- Fassen Sie das Gerät, das innerhalb des Magens mit Einfügung und Abbau Schleifen frei liegt und navigieren sie greifen Zange verwenden, in die submucosal Tasche. Platzieren Sie die Stimulation Elektroden in Kontakt mit der Muscularis Propria mit Griff Pinzette.
- Verwenden Sie eine über der Umfang clip zur Befestigung an Stelle innerhalb der submucosal Tasche und bei jeder Migration vermeiden oder verdrängen.
4. Experiment – Nach der Implantation
- Platzieren Sie nach erfolgreicher Implantation die Ladegerät/Sender-Spule in Nähe des implantierten Geräts.
- RTL2832 Dongle in den PC einstecken.
-
Starten Sie die Software HDSDR und die Center-Frequenz auf 432 MHz festgelegt.
- Öffnen Sie die Software HDSDR (Abbildung 15) für die richtigen Einstellungen und PuTTY Software (Abbildung 16). In der Software HDSDR klicken Sie auf "Optionen | Wählen Sie Eingabe | ExtIO".
- Wählen Sie Bandbreite – "960000". Die LO-Frequenz 431,95 MHz. Wählen Sie die Melodie 432,00 MHz Frequenz.
- Übertragen Sie eine Manchester codiert-Sequenz aus dem Ladegerät/Sender mit der Taste "R" im Kitt Terminal und empfangen Sie die OOK modulierte Antwort vom Implantat durch Beobachtung des Hauptfensters HDSDR ( Abbildung 17e-f).
(5) Sterbehilfe nach dem Experiment
- Verwenden Sie eine Narkose Überdosierung für Euthanasie (tödliche Dosis von Thiopental und KCl).
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Representative Results
Abbildung 17 zeigt, dass eine endoskopische Platzierung der gastric Neurostimulator in eine Tasche in der Submukosa sowie die richtige Platzierung der Elektroden auf die Muskelschicht erfolgreich war. Die Abmessungen des Gerätes (Abbildung 10) sind 35 x 15 x 5 mm3 , während das Gewicht 2,15 beträgt g. Abbildung 17 zeigt den Schaltplan des Gerätes zeigen, dass das Gerät aus 6 verschiedenen Modulen besteht, die miteinander verbunden sind. Abbildung 3 zeigt die PCB Layout und Komponente Platzierung im Gerät. Abbildung 18 zeigt, dass um das Gerät in die submucosal Schicht Implantat, eine Technik namens eine endoskopische submucosal Tasche9,10 (ESP) verwendet wurde. Der Stimulator hing theoretisch die optimale Stimulation Tiefe es ist in der Nähe die Muskelschicht (Muscularis Propria). Erstellen der submucosal Tasche und Einpflanzen von gastric Neurostimulator endoskopisch nahmen 20 – 30 Minuten. Bei diesem Verfahren gibt es keine intraprocedural Komplikationen wie Perforation oder schwere Blutungen. Migration des Geräts im Magen konnte nicht ermittelt werden, weil das Experiment nicht überleben war. Nach der Implantation entstand bidirektionale Kommunikationsverbindung mit dem implantierbare Gerät mit einem externen Gerät, das in Abbildung 14gezeigt. Die ungefähre Entfernung zwischen das Ladegerät/Programmierer-Spule und das Implantat war 10 cm. Das erreichte Signal-Rausch-(SNR) Verhältnis mit RTL2832 Basis Software-defined-Radio (SDR) Empfänger war mehr als 40 dB.
Abbildung 1 : Schematische Darstellung des implantierbaren Gerätes. Die Abbildung zeigt, wie die verschiedenen Komponenten und Schaltungsteile sind in das implantierbare Gerät verbunden. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2 : Herstellung von implantierbares Gerät - Leiterplattenbestückung. (ein) PCB, Ansicht von oben. (b) Lötzinn einfügen auf Deckschicht aufgebracht. (c) ein Beispiel der Handplatzierung von 0402 Kondensator. (d) Lötzinn einfügen auf Unterschicht aufgetragen. (e) vollständig ausgefüllt Oberseite der Leiterplatte. (f) voll bestückt Unterseite der Leiterplatte Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3 : Design des implantierbaren Gerätes. (ein) Deckschicht Kupfer der Platine. (b) Komponentennamen auf der obersten Ebene. (c) unten Kupfer-Layer der Platine. (d) Komponentennamen auf die unterste Ebene. (e) Composite-Bild aller PCB Layer Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4 : Herstellung von implantierbares Gerät – Vorbereitung der anderen Teile. (ein) heißen Luftstrom von der Unterseite der Platine. (b) Programmierung Drähte mit der Platine verlötet. (c) Leiterplatte verbunden für den Programmierer. (d) Wireless Ladestation Spule. (e) 432 MHz Antenne. (f) Stimulation Elektroden mit zwei Drähten befestigt Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 5 : Empfohlene Lot gemeinsame Platzierung für die externen Komponenten des implantierbaren Gerätes. Das Bild zeigt, wo die Spule, Antenne, Batterie und Elektroden verlötet werden sollten. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 6 : Herstellen einer Verbindung mit dem implantierbare Gerät – wichtige Einstellungen, die im Text erwähnt sind mit roten Pfeilen markiert. Dieses Bild von der MPLAB IPE-Software ist, ist ein Bildschirm, der zeigt, wie Sie feststellen, dass der Mikrocontroller im Inneren des implantierbaren Gerätes richtig kommuniziert mit dem PICkit Programmierer zur Verfügung gestellt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 7 : Energie-Einstellungen der Software für die Programmierung verwendet – wichtige Einstellungen, die im Text erwähnt sind mit roten Pfeilen markiert. Das ist Bild von MPLAB IPE-Software. Es zeigt, wie man richtig das implantierbare Gerät für die Programmierung Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 8 : Wählen eine korrekte Programmierung-Datei für das implantierbare Gerät. Das Bild zeigt die Schaltfläche klicken, um die ergänzenden .hex-Datei korrekt geladen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 9 : Prozess der Programmierung der Firmware in das implantierbare Gerät. Das Bild zeigt die Taste drücken, um die Software in das implantierbare Gerät programmieren. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 10 : Herstellung von implantierbaren Geräte-Endmontage. (ein) gelötet Wireless aufladen Spule, Stimulation Elektroden und Antenne auf der Platine zusammen mit Batterie. (b) gestapelt Implantat. (c) transparente Wärme Wärmeschrumpfende Schläuche legen Sie über das PCB. (d) schrumpfen von Schläuchen mit Heißluft. (e) Schläuche voll geschrumpft und enden geklebt. (f) finalisiert implantierbares Gerät Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 11 : Typische Ausgabemuster Stimulation des Gerätes wie angezeigt auf dem Oszilloskop DSOX1102G. Nach der Programmierung des implantierbaren Gerätes sollte Löten der Elektroden und die Batterie, Ausgabemuster Stimulation ähnlich wie in der Abbildung dargestellt an den Elektroden angezeigt werden. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 12 : Schematische Darstellung des Gerätes drahtlose Ladegerät/Sender. Die Figur ist analog zu Abbildung 1. Hier zeigt die Innenleben des Gerätes drahtlose Ladegerät/Sender Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 13 : Design des Gerätes Ladegerät/Sender. (ein) Deckschicht Kupfer der Platine. (b) Komponentennamen auf der obersten Ebene. (c) unten Kupfer-Layer der Platine. (d) Komponentennamen auf die unterste Ebene. (e) Composite-Bild aller PCB Layer Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 14 : Herstellung von das drahtlose Ladegerät/Sender Gerät. (ein) abgeschlossen PCB, Oberseite (b) abgeschlossen Unterseite der Platine (c) mechanischer Aufbau der drahtlosen Sender/Ladegerät Spule (d) einer möglichen Ausführungsform des Geräts abgeschlossene Ladegerät/Sender Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur sehen.
Abbildung 15 : Korrigieren Sie die Einstellungen der Software HDSDR. Die HDSDR Software dient zusammen mit der RTL2832U basierte USB Dongle als einem Spektrumanalysator empfangen um Funkfrequenzen anzuzeigen. In diesem Fall wird es verwendet, um die Antwort aus dem Implantat übertragen auf ca. 432 MHz. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 16 : Einstellungen der PuTTY Software korrigieren. Die PuTTY-Software wird für die Kommunikation mit dem Ladegerät/Sender-Gerät verwendet. Es muss richtig konfiguriert werden, um die richtige Daten für den Benutzer anzuzeigen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 17 : Endoskopischen Implantation das implantierbare Gerät und überprüfen, ob es funktioniert. (ein) In Vivo Modell Tier endoskopische Einheit. (b) einführen des Endoskops durch den Standard-Weg in das in-Vivo -Modell. (c) implantierbaren Vorrichtung Prototyp ergriff mit einer Schlinge. (d) Prozess der Etablierung bidirektionale Funkverbindung mit dem implantierbare Gerät. (e) HDSDR Software. (f) moduliert Detail OOK übermittelte Daten durch das Implantat. (g) Röntgen-Gerät Positionsüberprüfung. (h) x-ray des Gebiets Implantat, das Gerät zu scannen sowie über den Umfang Clip ist deutlich sichtbar. (ich) detaillierte Geräte-Ansicht. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 18 : Blick auf Gerät Implantation und endoskopische Technik. (ein) Submucosal Einspritzung mit Methylenblau. (b) Submucosal Einschnitt (ein Eingang für die submucosal Tasche-Bildung). (c) Tunnelisation der submucosal Tasche. (d-f) Stören, Dilatation und sezieren die submucosal Schicht. (g, h) Gerät-Implantation. (ich) schließen die Eingabe mit über dem Umfang Clip. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Ergänzende Datei 1: gerber_implant.7z. ZIP-Archiv mit Dateien, die zur Herstellung der Platine des implantierbaren Gerätes erforderlich. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterladen
Ergänzende Datei 2: gerber_transmitter.7z. ZIP-Archiv mit Dateien, die zur Herstellung der Platine das Ladegerät/Sender-Gerät erforderlich. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterladen
Ergänzende Datei 3: gerber_electrodes.7z. ZIP-Archiv mit Dateien erforderlich, um die Elektroden zu fertigen. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterladen
Ergänzende Datei 4: IMPLANTABLE_V2. X.Production.Hex. Firmware für das implantierbare Gerät. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterladen
Ergänzende Datei 5: IMPLANTABLE_V2_TRANSMITTER. X.Production.Hex. Firmware für das Ladegerät/Sender-Gerät. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterladen
Ergänzende Datei 6: bom_implantabledevice.csv. Stückliste Stückliste Datei beschreibt die Zuordnung der Komponentenwerte auf bestimmte Komponenten auf der Platine des implantierbaren Gerätes. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterladen
Ergänzende Datei 7: bom_transmitterdevice.csv. Stückliste-Datei beschreibt die Zuordnung der Komponentenwerte auf bestimmte Komponenten auf der Platine des Gerätes Ladegerät/Sender. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterladen
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Discussion
Das Design des implantierbaren Gerätes sollte in erster Linie auf die Gesamtgröße des Geräts, erreichbare Stimulation profile (Maximalspannung, Maximalstrom lieferbar, Länge der Impulse und Pulsfrequenz) konzentrieren. Wichtigste Einschränkung aus der Perspektive der Hardware ist die Größe und die Verfügbarkeit von geeigneten Komponenten. Um die Gesamtgröße zu minimieren, werden wegen ihrer kompakten Verpackung Surface-Mount-Komponenten bevorzugt. Die beste Lösung wäre, nackten Chip integrieren auf dem Substrat stirbt. Allerdings wird dies durch sowohl die Verfügbarkeit der nackten Chip Verpackungsoption für Komponenten und die Zugänglichkeit des Drahtes bonding Technologie begrenzt. Zweiter wichtiger Parameter ist die Batterie. Lithium-Batterien sind aufgrund ihrer hohen Energiedichte bevorzugt. Darüber hinaus ist die Nennspannung von 3,7 V vorteilhaft. Der große Vorteil der vorgestellten Hardware Topologie ist seine geringe Größe und minimale Invasivität. Im Vergleich zu den aktuellen Lösungen7,8, die hier vorgestellte Lösung ist eine Größenordnung kleiner und kann direkt an der Submukosa, ohne Notwendigkeit für externe Interessenten und subkutane Implantation der Neurostimulator implantiert werden.
Abgesehen von der Hardware selbst, in Zukunft Aufmerksamkeit zusätzliche des Gerätegehäuses gewidmet werden. Der erste Punkt ist die Biokompatibilität und Dichtigkeit11 , mögliche Ablehnung des Implantats zu vermeiden. Die andere ist die Fixierung des Gerätes in der Submukosa, unerwünschte Migration des Implantats zu vermeiden.
Die wichtigsten Schritte bei der endoskopischen Implantation ist die Erfassung des Geräts und dessen Platzierung in die submucosal Tasche. Die Einschränkung ist die Größe der Tasche, die, aus den Beobachtungen etwa mindestens doppelt so groß wie das Gerät implantiert werden muss. Nächste Frage ist die korrekte Ausrichtung des Implantats in der Tasche. Diese Methode ist mit Bezug auf die technische Schwierigkeit des endoskopischen Verfahrens Experten mit Erfahrung mit Tunnel Dissektion oder perorale endoskopische Myotomie (Gedicht) gewidmet.
Der nächste problematische Teil ist die Schließung der Tasche relativ schwer mit den über den Bereich Clip. Die Verwendung dieser Art von Clip verhindert jedoch die Migration und die Ablehnung des Gerätes. Grenzen dieser Technik von Hardware-Sicht sind die Hardware-Entwicklung-Ausstattung mit erforderlichen Genauigkeit zu löten. Das Gerät ist ausgelegt, um während der Operation und kurze Zeit danach zu widerstehen. So, mit aktuellen Gehäuse soll es nicht bleiben für längere Zeit im Inneren des Körpers. Auch ist das Material des Gehäuses nicht biokompatibel, die ein hohes Risiko einer Abstoßung des Implantates bei einem Experiment überleben darstellt. Diese Technik kann weiter ausgebaut werden, insbesondere im Hinblick auf die Entwicklung von biokompatiblen und Hermetische Gehäuse, die für Modellversuche überleben unerlässlich ist. Als nächstes kann die Funktionalität von mehreren integrierten Schaltungen in einer einzigen Anwendung spezifische integrierten Schaltung konzentriert werden. Kleinere SMD-Bauteile ist in ähnlicher Weise lässt sich das Gerät kompakter zu machen. Die nächste mögliche Richtung der Forschung kann zur Entwicklung neuer endoskopischen Methoden für die Behandlung von anderen Magen-Darm-Erkrankungen wie GERD, Inkontinenz oder Schließmuskel Dysfunktionen12führen.
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Disclosures
Diese Arbeit wurde unterstützt durch die Forschung Projekt PROGRES-Q28 und von Charles Universität in Prag ausgezeichnet. Die Autoren danken, Ass. Prof. Jan Martínek, Ph.d. und PIGMOD Zentrum.
Acknowledgments
Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessenkonflikte.
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
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