Summary
高周波低エネルギッシュな刺激のアプリケーションは、胃運動の症状を軽減できます。本研究では粘膜下ポケットに注入されているミニチュア、植込み型内視鏡とワイヤレスで充電式のデバイスが表示されます。ライブ豚実験中に成功した双方向通信と刺激制御を実現した.
Abstract
胃の運動は、長年糖尿病など一般的な病気のサインをすることができます。高周波低エネルギッシュな刺激のアプリケーションが効果的に胃運動の症状を緩和する緩和し助けることができることが知られています。研究の目標は、ミニチュア、粘膜下のポケットに内視鏡植込み型デバイスの開発だった。植込み型デバイスは、粘膜下組織の実験を目的として設計された具体的には完全にカスタマイズされた電子パッケージです。デバイスが充電送信コイルから入射磁場を受けることによりワイヤレスで充電できるリチウム イオン バッテリーを装備します。上り通信は、432 MHz 帯 MedRadio で行われます。デバイスは、胃前庭部の具体的には、生体内でモデルとして使用されるライブ国内の豚の粘膜下のポケットに挿入された内視鏡。実験では、設計されたデバイスが粘膜下層に注入することができます、双方向通信可能を確認しました。デバイスは、筋肉組織の双極刺激を実行できます。
Introduction
胃の運動は、胃不全麻痺、慢性進行によって特徴付けられる通常、患者の社会的、関連の仕事、および物理的な状態のかなり重大な意味を課すなどいくつかの比較的一般的な病気のサインをすることができます。胃不全麻痺のほとんどは通常糖尿病または起源の特発性、利用可能な薬1に耐性が多い。患者のこの条件に苦しんで最も一般的吐き気を呈するし、嘔吐を繰り返します。前の研究に基づいて、それは高周波電気刺激は低エネルギーのアプリケーションが効果的に胃運動1,2の症状を緩和する緩和し助けることができる知られています。
先行研究に基づき、症状や胃内容排出3高周波電気刺激は胃が大幅に向上が証明されます。また、酸の曝露を削減し、プロトン ポンプ阻害剤 (PPI) の使用なしで排除毎日胃食道逆流症 (GERD) の治療のためより低い食道の括約筋の神経療法は安全かつ効果的なこと示されています。刺激は関連副作用4です。人間の試験の前に最初の研究は、動物モデル (犬モデル5) で行われました。これらの研究に基づき、下部食道括約筋 (LES、20 Hz、3 ms のパルス幅) の電気刺激は、レ5の長時間収縮を発生します。似たような効果高 (20 Hz、パルス幅 200 μ s)、(6 サイクル/分、375 ms のパルス幅) 低周波レ逆流性食道炎患者における電気刺激を調べた。高と低周波刺激はあった効果的な6です。しかし、現在、胃や食道の刺激のための 2 つだけの神経デバイスのあります市場7,8。これらのデバイスは、手術や腹腔鏡下ロボット、電極を埋め込むことができます。デバイス自体は、皮下に注入されます。これは全身麻酔を必要とし、かさばるデバイスを装着、胃や食道の筋組織の刺激を可能にする筋肉内のカテーテルを使用しています。だから、決定的な利点と患者の快適性の改善胃の粘膜下層に注入したワイヤレス通信デバイスを使用してのオプションを表します。以前の研究9,10に述べたように、粘膜下組織にミニチュア神経の注入が可能であることがわかった。内視鏡的粘膜下ポケット (ESP) と呼ばれる手法を用いて内視鏡的粘膜下注入用内視鏡的粘膜下トンネル解離10に基づきます。本研究の目的は無線のそれぞれの法令への適合、電源管理 (具体的にはワイヤレス充電機能) の範囲で主の植込み型神経のこの概念をさらに向上させる、します。植込み型の医療機器と双極神経の可能性通信リンク。次に、示された microneurostimulator は双方向通信が可能と刺激パラメーターをリアルタイムで変更できます、デバイスながらも注入されます。
この方法は、内視鏡をポケットやトンネル解離を経験した治療医師とチームに適しています。次に、ハードウェアや組込みソフトウェア デザイナー マイクロ コント ローラー ハードウェアのプロトタイプの構築経験、表面実装技術を用いた高周波回路が必要です。ハードウェアのプロトタイプを構築するため、駅および電気計測 (少なくとも、デジタル ・ マルチメータ、オシロ スコープ、スペクトラム ・ アナライザー、PICkit3 プログラマ) の基本的な装置リフロー装備ラボが必要です。
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Protocol
動物生理学研究所で遺伝学、アカデミー科学チェコ共和国 (バイオメディカル センター PIGMOD)、Libechov、チェコ共和国 (プロジェクトの注入実験動物科目を含む内視鏡のすべてのプロシージャを承認されています。バッテリーレスとバッテリーのデバイスを食道や胃の粘膜下層に-実験的研究)。246/1992 年チェコの法律に準拠してすべての実験を行う「虐待、改正に対する動物の保護」に関する Sb.。動物との直接接触ではない外部のデバイスなので、送信機は、殺菌する必要ありません。
1. 植込み型デバイスの設計
- サード パーティ製プリント基板製造サービスを使用して、PCB を準備します。プリント回路基板の設計は、"gerber_implant.7z"の補足のファイルで提供されます。回路図は、図 1で提供しています。
- 平らな面 (図 2 a) に基板を配置します。0.6 mm の針、60 psi の圧力とはんだペースト ディスペンサーを使用すると、手動ですべて金属パッド基板上にはんだペーストを塗布します。(図 2 b) プリント基板の上面から始まります。プリント基板の両側のはんだペーストの合計量 15 μ L を超えてはいけません。
- 静電気防止ピンセットのペア、PCB (図 2 e) の最上位のレイヤーにすべてのコンポーネントを配置します。図 3を使用して、構成部品の位置とその番号へのコンポーネントの割り当てのための補足ファイル"bom_implantabledevice.csv"。
- 260 ° c (図 4 a) のすべてのコンポーネントをはんだ付けするのに基板熱い空気銃ステーションを使用します。すべてのはんだペーストが溶け、熱い空気銃を片付けるまで待ち、部屋の温度にボード クールを許可します。
- 基板を裏返して反対側のはんだペーストを塗布します。同じ針と 1.2 (図 2 d) で述べたように圧力を使用します。
- 手順 1.3 のように。、PCB の底層のすべてのコンポーネントを配置します。構成部品の位置とその番号へのコンポーネントの割り当てのための補足のファイル「bom_implantabledevice.csv」の図 3を参照してください。
- 底側のすべてのコンポーネントをはんだ付けする熱い空気銃を持つ基板の加熱を繰り返します。1.4 の手順と同じプロセスを使用します。
- 任意の短い回路のプリント基板を視覚的に確認します。任意の短絡がある場合は、はんだごてで削除します。
- 無線/通信充電コイルを製造してください。AWG42 ワイヤーの使用 17 になります。コイルのサイズは 26 × 13.5 mm2 (図 4 d) です。2 つの出力線をツイストします。
- 設計、電極を製作します。電極設計は、"gerber_electrodes.7z"の補足のファイルで提供されます。手順 1.1 と同じ製造プロセスを使用します。この基板は製造後、完成し、コンポーネントの上にはんだ付けする必要はありません。小さな長方形の連絡先 (図 4 f) に 2 つの AWG42 電線を半田付け
- 7 cm のエナメル線を使用し、一端 (図 4e) からエナメル質の 3 mm 削りによってアンテナを準備します。
- (図 4 bc) PCB に PICkit 3 プログラマを接続します。
- それぞれピン 2 と 3 PICkit プログラマの 6 および 7 は、図 5によるとパッドを接続します。
- パッド TP1、TP2 と TP3 (図 3を参照) をそれぞれ 1、5 および PICkit プログラマの 4 ピンに接続します。
- MPLAB IPE ソフトウェアがインストールされたコンピューターの USB ポートに PICkit 3 プログラマに差し込みます。
- MPLAB IPE ソフトウェアを実行し、マイクロ コント ローラーにファームウェアをプログラムします。
- MPLAB IPE v3.61 を実行します。選択"設定 |アドバンス モード"
- パスワード フィールドに 'マイクロ' は、デフォルトのパスワードを入力します。クリックして「のログ」。左側の別のパネルにタブが表示されます。
- 左上、「操作」をクリックし、画面の中央上部に「デバイス フィールド」と"PIC16LF1783"の種類をクリックします。「適用」をクリックします。
- (図 6) 左側パネル「パワー」を選択します。
- 2.55 に VDD の電圧値を変更します。この手順は重要です。
注意: は、ボード (図 7) 損傷が 2.8 V を超える値の設定。 - (図 7) の「ツール」から「電力ターゲット回路」のチェック ボックスをクリックします。
- (図 6) 左側の「動作」タブをクリックしてします。
- 「接続」をクリックします。
- 補足のダウンロードファイル「IMPLANTABLE_V2。X.production.hex"と、ハード ドライブ上の保存場所に注意してください。IPE ソフトウェア ソース行を見つける、近くにある (図 8)「参照」ボタンをクリックしますします。
- [プログラム] をクリックします。ソフトウェアは、マイクロ コント ローラー (図 9) に、ソフトウェアが正常にダウンロードされていることを言うを待ちます。
- TP1、TP2 と TP3 のパッドに半田付け配線を desolder ように (図 3) ワイヤー パッド 6 および 7 (図 5) に半田付けだけでなく。
- バッテリー (図 10 a) を除く他のすべての電気部品をプリント基板に接続します。
- 図 8によるとパッド 2 と 3 を無線/通信充電コイルをはんだ付けします。極性は重要ではありません。
- 図 5によると 1 をパッドにアンテナを接続します。パッド数 4 と図 5によると 5 に基板電極を接続します。極性は重要ではありません。
- パッド 6 および 7 (図 5) に CG 320 電池をはんだ付けします。バッテリーのマイナス端子は、パッド 7 に半田付けする必要があります。次の手順を実行しながらつけてください。デバイスは電源が今と、回路のショートや金属物体との接触に敏感。
- ワイヤレス充電回路の機能をテストするには、パート 2 のすべてのステップを完了する必要があります。その後、デバイスの近くにワイヤレス充電器/送信機を配置します。バッテリーの電圧を測定するのにマルチメータを使用します。バッテリー電圧は、(毎分いくつか mV) をゆっくりと立ち上がりは、充電機能は動いています。
- スパイラル (図 10 b) デバイスの周りにアンテナを風します。
- 内径が 9.5 mm の熱収縮チューブの 32 mm 長い部分をカットします。
- プリント基板のコイルを配置します。正しい配置図 7 bを参照してください。
- デバイス、コイル、アンテナの上には、熱収縮チューブを置きます。電極のみは、チューブから突出する必要があります。正しい配置図 7 cを参照してください。
- 熱い空気銃に縮小し、(図 10 の d) を冷却することは、150 ° c でチューブを熱します。
- チューブ (図 10e) の 1 つの側面をシールに左端にエポキシ接着剤を適用します。
- チューブを基板の裏に電極を接着します。また、チューブのもう一方の端に接着します。正しい配置図 10 階を参照してください。
- 強化し、完全に硬化する接着剤のため、少なくとも 24 時間待ちます。
- 無線送信機充電器/デバイスの終了後に、1 h の飽和食塩水の 30 cm 高の列に配置することによって水漏れの植込み型デバイスをテストします。バッテリー電圧の急激な低下や電子機器を短絡食塩によるデバイスの故障としては、任意の主要なリークを発見できます。テストの後、デバイスが完全に注入される覚悟です。
- オシロ スコープを使用してインプラントの刺激関数をテストします。オシロ スコープの 2 つの測定電極を植込み型デバイスの電極の金属錫メッキ接触パッドに接続します。オシロ スコープ画面上の刺激パターンを観察します。正しい刺激パターンは、図 11で与えられます。
2. 無線充電器/送信機デザイン
- プリント基板の設計は、"gerber_transmitter.7z"の補足のファイルで提供されます。体内植込み型装置の場合と同じ製造プロセスを使用します。回路図は、図 12に提供しています。
- 基板を平らな面に置きます。0.6 mm の針、60 psi の圧力とはんだペースト ディスペンサーを使用すると、手動ですべて金属パッド基板上にはんだペーストを塗布します。はんだプリント基板の分配の総額 50 μ L を超えてはいけません。
- 静電気防止ピンセットのペアとプリント基板の最上位のレイヤーにすべてのコンポーネントを配置します。コンポーネントの位置とその番号へのコンポーネントの割り当てのための補足のファイル"bom_transmitterdevice.csv"の図 13を参照してください。
- 260 ° c のプリセット PCB 熱い空気銃ステーションを使用して、すべてのコンポーネントをはんだ付けします。待つすべてのはんだが溶けるまで熱い空気銃を片付けるし、部屋の温度に冷却するボードします。
- デバイスの下側の 2.3 – 2.4 の手順を繰り返します。植込み型デバイスの製造時と同様の手順に従ってください。
- AWG18 エナメル線 (図 14 c) の 3 ターンでコイルを作成し、COIL1 と COIL2 のパッドに接続 (図 13)。
- パワー トランジスタ (図 13、第 1 四半期と第 2 四半期) のアルミ製ヒートシンクを作る。ヒートシンクの正確な形状は重要ではありません。図 9 dに可能な実施形態のいずれかを示します。この場合、ヒートシンクもデバイスのエンクロージャを形作る。
- PICkit 3 プログラマを組み立てられたプリント基板に接続します。TP5 に TP1 のパッドを接続 (図 13) PICkit プログラマの 5 に 1 をそれぞれピンで。
- MPLAB IPE ソフトウェアがインストールされたコンピューターの USB ポートに PICkit 3 プログラマに差し込みます。
-
MPLAB IPE ソフトウェアを実行し、マイクロ コント ローラーにファームウェアをプログラムします。プロセスは、VDD 電圧とアップロードされたファイルを除いて、植込み型デバイスの場合と同じです。
- MPLAB IPE v3.61 を実行します。選択"設定 |アドバンス モード"。
- [パスワード] ボックスに「マイクロ チップ」は、デフォルト パスワードを入力します。クリックして 「ログオン」。左側の別のパネルにタブが表示されます。
- 左上、「操作」をクリックし、画面の上部の中央部に「デバイス」と"PIC16LF1783"の種類をクリックします。「適用」をクリックします。
- 左側のパネル「パワー」を選択します。
- VDD の電圧値を 3.3 に変更します。
- 「ツール」から「電力ターゲット回路」のチェック ボックスをクリックします。
- 左の「操作」タブををクリックしてします。
- 「接続」をクリックします。
- 補足のダウンロードファイル「IMPLANTABLE_V2_TRANSMITTER。X.production.hex"と、ハード ドライブ上の保存場所に注意してください。IPE ソフトウェア ソースの行を検索し、近くに「参照」ボタンをクリックしますします。
- 「プログラム」をクリックします。ソフトウェアは、ソフトウェアがマイコンへ正常にダウンロードされたことを言うまで待ちます。
- Desolder TP5 に TP1 パッドに半田付け配線
- 電源電圧は 12 V を v-と V + パッド (図 5) に接続します。マイナス端子は V パッドに接続します。
- USB のケーブルを X1 にミニ USB のプラグ コネクタ (図 5) とパテのソフトウェアがプリインストールされているコンピューターに接続します。
-
パテのソフトウェアを開き、(図 15) を設定します。
- パテのソフトウェアを開きます。接続の種類として「連続」を選択します。
- X はデバイスの COM ポートの番号、シリアル回線として COMx を入力します。その他の COM ポート デバイスがインストールされていない場合、この番号は 1 になります。
- 「38400」速度を入力します。「開く」をクリックします。充電器/トランスミッタ デバイスは、使用する準備が整いました。ヘルプ キーを押して H。
3. 内視鏡的注入
-
生体内でモデル、大人 (8-36 ヶ月)、20-30 kg としてライブのミニ豚を使用します。
- 手続きの前に 24 h の高速豚をしましょう。
- 透明な液体の自由を許可します。
- 麻酔前投薬として筋肉内チレタミン (2 mg/kg)、チレタミン (2 mg/kg) とケタミン (11 mg/kg) を管理します。
- チオペン タール静脈内広告 effectum (5% 溶液) とイソフルラン、N2O およびプロポ フォール注射による麻酔を適用します。適切な麻酔は、反射神経と筋肉の緊張や目の位置、眼瞼反射瞳孔反射によって確認されます。循環、酸素化、換気、体温を継続的に監視します。
- 注入を行い、可視化、動物モデルを使用するために専用の内視鏡を実行します。生体内でモデルに標準的な方法を使用してそれを挿入します。
- スネアと外部デバイスを把握します。その後、胃の中に挿入し、それを解放します。
- 内視鏡を取り出して解剖キャップ (15.5 mm) を装備し、胃に再挿入します。
- インプラント粘膜下層に生理食塩水ソリューションを適用するために粘膜注射療法針カテーテル (25 G) を使用してにメチレン ブルーを混合しました。
- ノブ形の先端で電気ナイフを使用して粘膜に開口部を作成する水平切開を確認します。
- 貼付のキャップを使用すると、電気メスの使用と新しく作成した領域にキャップを挿入、中断し、拡張と刺激装置を挿入するのには十分に十分に大きなポケットを作成する粘膜を解剖します。
- 挿入および抽出のループと胃の中で自由に転がってるデバイスを把握、把持鉗子を使用して、粘膜下のポケットにそれを移動します。把持鉗子を使用する絶と刺激電極を配置します。
- スコープ クリップ、粘膜内でデバイスをセキュリティで保護する上で使用ポケットや任意の移行を防ぐため、外れ。
4. 実験 — 移植後
- 留置成功後の注入装置の近くに充電器/送信機コイルを配置します。
- PC で RTL2832 ドングルを接続します。
-
HDSDR ソフトウェアを実行し、432 の mhz の中心周波数を設定します。
- HDSDR ソフトウェア (図 15) の正しい設定を開き、パテ ソフトウェア (図 16)。HDSDR ソフトウェアでクリックして"オプション |入力を選択 |ExtIO」。
- [帯域幅-「960000」。LO 周波数 431.95 MHz に. は、432.00 MHz にチューニング周波数を選択します。
- パテの端末で R キーを押すことによって充電器/送信機からのマンチェスターのコーディング シーケンスを送信し、HDSDR のメイン ウィンドウ (図 17e-f) の観測によるインプラントから OOK 変調返信を受信します。
5. 実験後安楽死
- 安楽死 (チオペン タールと KCl の致命的な線量) のため麻酔薬過剰摂取を使用します。
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Representative Results
図 17は、粘膜下組織でポケットに胃の神経刺激装置の内視鏡の配置だけでなく、筋層に電極の適切な配置が成功したことを示します。(図 10) デバイスの寸法 5 mm3 x 15 x 35 ですが重量は 2.15、g.図 17が一緒に接続されている別のモジュール 6 装備されているデバイスを表示するデバイスの回路図を示しています。図 3は、デバイスでプリント基板のレイアウトと構成部品の位置を示します。図 18は、デバイスを粘膜下層に注入、するために、内視鏡的粘膜下ポケット9,10 (ESP) と呼ばれる技術が使用されたことを示しています。刺激が最適な刺激の深さが理論的に筋層 (絶) 近くついていた。粘膜下のポケットを作成して内視鏡的胃神経刺激装置の埋め込みは、20-30 分を要しました。この中に、シロリムス溶出合併症穿孔や出血などはありません。実験非生存のだったので、胃の中のデバイスの移行をできませんでした。注入後植込み型デバイスとの双方向通信リンクは、図 14に示すように外部のデバイスと設立されました。充電器/プログラマー コイルとインプラントとの間のおおよその距離 10 cm であった。RTL2832 ベース ソフトウェア無線 (SDR) 受信機と達成率の信号対雑音 (SNR) は 40 dB 以上だった
図 1: 植込み型デバイスの概略図。図はさまざまな部品および回路部品が植込み型デバイスに接続しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2: 植込み型デバイスの作製-PCB アセンブリ。(、) 基板上面。(b) はんだペーストは、最上位のレイヤーに適用されます。(c) 0402 の手の位置の例のコンデンサー。(d) はんだペースト下のレイヤーに適用されます。(e) には、基板の上にある完全に設定されます。(f) 完全に基板の下側を作成この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3: 植込み型デバイスのデザイン。PCB の上銅層が (、)。(b) 最上位のレイヤーのコンポーネント名。プリント基板の層は下銅 (c)。一番下の層の (d) コンポーネント名。すべての PCB レイヤーのコンポジット (e) 画像この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4: 植込み型デバイスの作製-他の部分の準備。(、)、プリント基板の下側の高温空気流。(b) プログラミングの線が基板にはんだ付け。(c) PCB はプログラマに接続されています。(d) ワイヤレス充電コイルです。(e) 432 MHz アンテナ。2 つのワイヤを接続 (f) 刺激電極この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 5: 植込み型デバイスの外付け部品推奨はんだジョイントを配置します。画像は、コイル、アンテナ、電池、電極がはんだ付けする必要がありますを示しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 6: 植込み型デバイスとの接続を確立する-テキストに記載の重要な設定は、赤い矢印でマークされています。この写真は、MPLAB IPE ソフトウェアからは、PICkit プログラマと植込み型デバイスの内部のマイコンが正しく通信しているを確認する方法を示しています画面が提供しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 7: 電源のプログラミングに使用するソフトウェアの設定-テキストに記載の重要な設定は、赤い矢印でマークされています。これは、MPLAB IPE ソフトウェアからの画像です。プログラミングのための植込み型デバイスの電源を正しくする方法を示しますこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 8: 植込み型デバイスの正しいプログラミング ファイルを選択します。画像は、附則 .hex ファイルを正しくロードするためにクリックするボタンを示しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 9: 植込み型デバイスにファームウェアをプログラミングのプロセス。画像は、植込み型デバイスにソフトウェアをプログラムするために押すボタンを示しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 10: 植込み型デバイスの作製-最終的なアセンブリ。(、) ワイヤレス充電コイル、刺激電極、アンテナ電池と共に、プリント基板にはんだ付け。(b) 積み上げインプラント。(c) 透明熱収縮チューブは、基板上に置きます。(d) 熱い空気をチューブの縮小。(e) 管の完全に縮小し接着終了。(f) 確定植込み型デバイスこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 11: DSOX1102G オシロ スコープに表示されるデバイスの典型的な出力は刺激パターン。植込み型デバイスのプログラミングでは、電極と電池、出力刺激パターンの図に表示される 1 つに類似のはんだ付け電極で表示されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 12: 無線送信機充電器/デバイスの模式図。図は、図 1を類推。無線送信機充電器/デバイスの内部の仕組みをここでは示されているこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 13: 充電器/送信機装置の設計。PCB の上銅層が (、)。(b) 最上位のレイヤーのコンポーネント名。プリント基板の層は下銅 (c)。一番下の層の (d) コンポーネント名。すべての PCB レイヤーのコンポジット (e) 画像この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 14: 無線充電器/トランスミッタ デバイス作製。(、) 完成品基板、トップ側 (b) 完成品最終充電器/トランスミッタ デバイスの PCB (c) 無線送信機/充電器コイル (d) 1 つ可能な実施形態の力学的設計の下側をクリックしてください。この図の拡大版を表示するのにはここで。
図 15: HDSDR ソフトウェアの設定を修正します。HDSDR ソフトウェアは、一緒に使用される、RTL2832U 基づく無線スペクトルを表示する USB ドングルの受信スペクトラム ・ アナライザーと。この場合、それが送信で約 432 MHz インプラントから答えを受け取るため、この図の拡大版を表示するにはここをクリックしてください。 。
図 16: パテのソフトウェアの設定を修正します。パテのソフトウェアは、充電器/トランスミッタ デバイスとの通信に使用されます。適切なデータをユーザーに表示するために正しく構成する必要があります。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 17: 植込み型デバイス、それは働いているかどうか確認の内視鏡的注入。動物の内視鏡ユニット (、) In vivoモデル。生体内でモデルに (b) 標準で内視鏡の挿入方法です。(c) Implantable デバイス プロトタイプ スネアを把握します。(d) 植込み型デバイスとの双方向無線リンクを確立するプロセス。(e) HDSDR ソフトウェア。(f) 詳細 OOK 変調インプラントによって送信されるデータです。(g) x 線-デバイスの位置チェック。(h) x 線インプラント領域、デバイスのスキャンし同様、範囲のクリップ上がはっきりと見える。(私) 詳細デバイス ビュー。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 18: デバイス注入と内視鏡技術のビュー 。(、) メチレン ブルーと粘膜下注入。(b) 粘膜下切開 (粘膜下ポケット形成のため入学)。(c) 粘膜下のポケットの Tunnelisation。(d-f)中断、拡張、および粘膜下層を解剖します。(g, h)デバイスの注入。(私) スコープ クリップ上のエントリを閉じるします。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
補足ファイル 1: gerber_implant.7z。体内植込み型装置のプリント基板を製造するために必要なファイルと zip のアーカイブ。くださいここをクリックしてこのファイルをダウンロードするには
補足ファイル 2: gerber_transmitter.7z。充電器/送信機装置のプリント基板を製造するために必要なファイルと zip のアーカイブ。くださいここをクリックしてこのファイルをダウンロードするには
補足ファイル 3: gerber_electrodes.7z。電極の製造に必要なファイルと zip のアーカイブ。くださいここをクリックしてこのファイルをダウンロードするには
の補足ファイル 4: IMPLANTABLE_V2。X.production.hex. 植込み型デバイスのファームウェア。くださいここをクリックしてこのファイルをダウンロードするには
の補足ファイル 5: IMPLANTABLE_V2_TRANSMITTER。X.production.hex.充電器/トランスミッタ デバイスのファームウェア。くださいここをクリックしてこのファイルをダウンロードするには
補足ファイル 6: bom_implantabledevice.csv。体内植込み型装置のプリント基板の特定のコンポーネントをコンポーネントの値の割り当てを記述する部品表 (bom) ファイルのビル。くださいここをクリックしてこのファイルをダウンロードするには
補足ファイル 7: bom_transmitterdevice.csv。充電器/送信機装置のプリント基板の特定のコンポーネントをコンポーネントの値の割り当てを記述した BOM ファイル。くださいここをクリックしてこのファイルをダウンロードするには
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Discussion
体内植込み型装置の設計は、デバイス、達成可能な刺激プロファイル (最大電圧、成果物の最大電流、パルスとパルス周波数の長さ) の全体的なサイズに主に集中する必要があります。ハードウェアの観点からの主な制限は、サイズと適切なコンポーネントの可用性です。全体のサイズを最小限に抑えるために表面実装部品は、コンパクトなパッケージのため優先されます。最善の解決策は、ベア ・ チップを統合する基板上死ぬでしょう。ただし、これはベア ダイ包装オプション コンポーネントの可用性とワイヤボンディング技術のアクセシビリティによって制限されます。2 番目の重要なパラメーターは、バッテリーです。リチウム電池は、エネルギー密度の高い優先されます。また、3.7 V の公称電圧は、有益です。提示されたハードウェア トポロジの主な利点は、その小さなサイズと最小侵襲です。現在ソリューション7,8と比較して、提示されたソリューション小さい大きさおよび外部リード線と神経刺激装置の皮下注入を必要とせず、粘膜下組織に直接注入することができます。
ハードウェア自体は、将来的を除いて追加の注意はデバイスの筐体に与えられる必要があります。最初のポイントは、生体親和性やインプラントの拒絶の可能性を避けるために気密11です。他のインプラントの不要な移行を避けるために粘膜下組織内のデバイスの固定です。
内視鏡的注入時に最も重要な手順は、デバイスおよび粘膜下のポケットへの配置のキャプチャです。制限は、必要があります、観測から約少なくとも植え付けられるべきデバイスの 2 倍の大きさ、ポケットのサイズです。次の問題は、ポケットの中のインプラントの正しい向きです。内視鏡手技の技術的な難しさを尊重し、このメソッドは、トンネル解離または経口内視鏡的括約筋切開 (POEM) と経験を持つ専門家に専用です。
次の問題の一部は、以上を使用することが比較的困難であるポケットの閉鎖範囲クリップ。ただし、クリップのこのタイプの使用は、移行やデバイスの拒絶反応を防ぎます。ビューのハードウェアの観点からこの技法の制限には、必要な精度はんだ付けする装置開発するハードウェアにはが含まれて。デバイスは、その後に手術と短時間の間に耐えられるように設計されています。したがって、現在のエンクロージャ、体内に長期間滞在それ設計されていません。また、エンクロージャの材料は生体適合性を表す生存実験の場合インプラントの拒絶反応のリスクが高い。この技術開発を進める、生存モデル実験のために不可欠である生体適合性や気密エンクロージャの開発の面で特に。次に、複数の集積回路の機能を単一のアプリケーション特定の集積回路に集中することができます。同様に、小さい表面実装部品は、デバイスをよりコンパクトに使用できます。本研究の次の可能な方向は、逆流性食道炎、尿失禁、括約筋機能不全12などの胃腸疾患の治療のための内視鏡的手法の開発につながる可能性があります。
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Disclosures
この作業は、研究プロジェクト プログレ-Q28、によってをサポートされ、プラハのチャールズ大学で授与します。著者らは、お尻に感謝します。教授 1 月 Martínek、博士号を取得、PIGMOD センターします。
Acknowledgments
著者は、彼らは競合する金銭的な利益があることを宣言します。
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).
