Summary
A aplicação da estimulação baixa-energético de alta frequência pode aliviar os sintomas de dismotilidade gástrica. Nesta pesquisa, é apresentado um dispositivo miniatura, endoscopicamente implantável e sem fio recarregável que é implantado em um bolso da submucosa. Sucesso tanto vias comunicação e controle de estimulação foram alcançados durante um experimento em porco ao vivo.
Abstract
Dismotilidade gástrica pode ser um sinal de doenças comuns, tais como longa diabetes mellitus. É sabido que a aplicação da estimulação baixa-energético de alta frequência pode ajudar eficazmente moderada e aliviar os sintomas de dismotilidade gástrica. O objetivo da pesquisa foi o desenvolvimento de uma miniatura, dispositivo endoscopicamente implantável para um bolso submucosa. O dispositivo implantável é um pacote eletrônico totalmente personalizado, que foi projetado especificamente para fins de experimentação na submucosa. O dispositivo é equipado com uma bateria de iões de lítio que pode ser recarregada sem fio através da recepção de um campo magnético incidente da bobina de carga/transmitir. A comunicação é alcançada em uma banda de MedRadio em 432 MHz. O dispositivo foi inserido por via endoscópica no bolso submucosa de um porco doméstico ao vivo usado como um modelo in vivo , especificamente no antro do estômago. O experimento confirmou que o dispositivo projetado pode ser implantado em da submucosa e é capaz de comunicação bidirecional. O dispositivo pode executar a estimulação bipolar do tecido muscular.
Introduction
Dismotilidade gástrica pode ser um sinal de várias doenças relativamente comuns como Gastroparesia, que geralmente é caracterizada por uma progressão crônica e impõe bastante graves consequências sobre o status social, trabalho e físico do paciente. Maioria dos casos de Gastroparesia costumam ser diabético ou idiopática em origem e muitas vezes são resistentes à medicação disponível1. Pacientes aflitos com esta condição mais comumente apresentam náuseas e repetidos vômitos. Com base em pesquisas anteriores, é sabido que a aplicação da estimulação elétrica baixa-energético de alta frequência pode ajudar eficazmente moderada e aliviar os sintomas de dismotilidade gástrica1,2.
Com base em estudos anteriores, está provado que gástrico estimulação elétrica de alta frequência pode melhorar significativamente os sintomas e o esvaziamento gástrico3. Ficou também demonstrado que a terapia de neuro-estimulador de esfíncter esofágico inferior é seguro e eficaz para o tratamento da doença do refluxo gastroesofágico (DRGE), reduzindo a exposição ácida e eliminando diariamente uso de inibidor (PPI) da bomba de protões sem estimulação relacionadas a efeitos adversos4. Antes de testes em humanos, primeiros estudos foram realizados em modelos animais (caninos modelos5). Baseado nestes estudos, estimulação elétrica do esfíncter esofágico inferior (LES, 20 Hz, largura de pulso de 3 ms) causou uma contração prolongada do LES5. Efeitos similares de alta (20 Hz, largura de pulso de 200 μs) e baixa (6 ciclos/min, largura de pulso de ms 375) frequência estimulação elétrica no LES em pacientes de DRGE foram investigados. Tanto alta e baixa frequência estimulação foram eficazes6. No entanto, atualmente, há apenas dois dispositivos de neuroestimulação para estimulação gástrica ou esofágica disponíveis no mercado7,8. Esses dispositivos, os eletrodos podem ser implantados cirurgicamente, por laparoscopia ou roboticamente. O dispositivo em si é implantado por via subcutânea. Isto requer anestesia geral e tem um dispositivo volumoso equipado, usando cateteres intramusculares que permitem a estimulação do tecido muscular esofágica ou gástrica. Então, a opção de usar um dispositivo de comunicação sem fio implantado na camada submucosa gástrica representaria uma vantagem definitiva e melhoria no conforto do paciente. Como afirmado na pesquisa anterior9,10, ficou provado que a implantação de um neuroestimulador miniatura em submucosa é possível. Para a implantação de submucosa endoscópica, usamos uma técnica chamada endoscópica submucosa embolsando (ESP), baseado no túnel submucosa endoscópica dissecação10. O objetivo desta pesquisa é melhorar ainda mais este conceito de um neuroestimulador implantável, principalmente no âmbito da gestão de energia (especificamente a capacidade de recarga sem fio), conformidade com as respectivas leis e regulamentos para wireless links de comunicação de dispositivos médicos implantáveis activos e possibilidade de neuroestimulação bipolar. Em seguida, o microneurostimulator apresentado é capaz de comunicação bidirecional e os parâmetros de estimulação podem ser alterados em tempo real, mesmo enquanto o dispositivo é implantado.
Esta técnica é apropriada para as equipes com uma terapêutica endoscopista experimentada em embolsar endoscópica ou dissecção do túnel. Em seguida, um hardware e um designer de software embarcado, com experimentam na construção de protótipos de hardware com microcontroladores e circuitos de rádio frequência, utilizando a tecnologia de montagem em superfície é necessária. Para construir os protótipos de hardware, um laboratório equipado com um refluxo de solda, estação e equipamento básico para medições elétricas (pelo menos um multímetro digital, osciloscópio, analisador de espectro e PICkit3 programador) é necessário.
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Protocol
Todos os procedimentos endoscópicos, incluindo assuntos animais foram aprovados no Instituto de Fisiologia Animal e genética, Academia de ciência Czech Republic (Biomedical Center PIGMOD), Libechov, República Checa (projeto experiências na implantação de sem bateria e bateria de dispositivos em submucosa do esôfago e estômago — estudo experimental). Todas as experiências são feitas em conformidade com a lei Checa 246/1992 SB "relativa à protecção dos animais contra maus-tratos, tal como alterado". Dispositivo transmissor não é necessário para ser esterilizado, porque é um dispositivo externo que não está em contato direto com o animal.
1. dispositivo implantável Design
- Prepare o PCB usando um PCB de terceiros serviços de fabricação. O projeto de placa de circuito impresso completo é fornecido no arquivo complementar "gerber_implant.7z". O diagrama esquemático é fornecido na Figura 1.
- Coloque os PCB sobre uma superfície plana (Figura 2a). Use um dispensador de pasta de solda com 0,6 mm de agulha e 60 psi de pressão para distribuir manualmente a pasta de solda para cada bloco metálico sobre o PCB. Começar com o lado superior do PCB (Figura 2b). A quantidade total de pasta de solda para ambos os lados do PCB não deve exceder 15 μL.
- Com um par de pinças antiestáticas, coloque todos os componentes na camada superior do PCB (Figura 2e). Use Figura 3 para a posição do componente e complementar arquivo "bom_implantabledevice.csv" para a atribuição dos componentes de seus números.
- Use uma estação de pistola de ar quente de PCB a 260 ° C para soldar todos os componentes (figura 4a). Espere até que a pasta de solda derrete, então guarde o soprador de ar quente e permitir o fresco da placa à temperatura ambiente.
- Vire o PCB e dispense a pasta de solda do outro lado. Use a mesma agulha e pressão, tal como referido no ponto 1.2 (Figura 2d).
- Como na etapa 1.3., coloque todos os componentes da camada inferior do PCB. Consulte a Figura 3 para posição de componente e o arquivo complementar "bom_implantabledevice.csv" para a atribuição de componentes aos seus números.
- Repita o aquecimento do PCB com um soprador de ar quente para soldar todos os componentes do lado inferior. Use o mesmo processo como na etapa 1.4.
- Verifique visualmente o PCB para qualquer curto-circuitos. Se for encontrado qualquer curto-circuito, remova-o com um ferro de solda.
- Fabricação da bobina de carga/comunicação sem fio. Uso 17 espiras de fio de AWG42. O tamanho da bobina é 26 x 13.5 mm2 (Figura 4D). Torça os fios de dois saída.
- Projetar e manufaturar o eletrodo. O projeto de eletrodo é fornecido no arquivo complementar "gerber_electrodes.7z". Use o mesmo processo de fabricação como no passo 1.1. Este PCB é totalmente concluída após a fabricação, e sem componentes são necessários para ser soldados com ela. Solde dois fios de AWG42 para os contactos retangulares pequenos (Figura 4f)
- Preparar a antena usando a 7 cm de fio esmaltado e raspar 3 mm do esmalte de uma das extremidades (Figura 4e)
- Ligar o programador PICkit 3 o PCB (figura 4b-c)
- Conecte as almofadas 6 e 7, de acordo com a Figura 5, os pinos 2 e 3 do programador PICkit, respectivamente.
- Conecte as almofadas TP1, TP2 e TP3 (consulte a Figura 3) aos pinos 1, 5 e 4 do programador PICkit, respectivamente
- Conecte o programador PICkit 3 na porta USB de um computador com software MPLAB IPE instalado.
- Executar o software MPLAB IPE e programar o firmware para o microcontrolador.
- Execute o MPLAB IPE 3.61. Selecione "configurações | Modo avançado"
- No campo senha, digite a senha padrão que é 'microchip'. Clique em "logon". Um guia com diferentes painéis do lado esquerdo aparecerá.
- Na parte superior esquerda, clique em "Operar" e, em seguida, na parte superior do meio da tela, clique em "Campo de dispositivo" e digite "PIC16LF1783". Clique em "Aplicar".
- Selecione o painel "Power" à esquerda (Figura 6).
- Altere o valor de tensão VDD para 2,55. Este passo é fundamental.
Cuidado: Definir esse valor acima de 2.8 V irá danificar a placa (Figura 7). - Clique na opção "Poder alvo circuito" da "Ferramenta" (Figura 7).
- Clique na guia "Operar" à esquerda (Figura 6).
- Clique em "Conectar".
- Baixe o arquivo complementar "IMPLANTABLE_V2. X.Production.hex"e anote sua localização no disco rígido. No software do IPE, encontrar a linha de fonte e clique no botão "Procurar" perto dele (Figura 8).
- Clique em programa. Espere até que o software diz que o software foi baixado com êxito para o microcontrolador (Figura 9).
- Dessoldar os fios soldados às almofadas TP1, TP2 e TP3 (Figura 3) bem como arames soldadas às almofadas, 6 e 7 (Figura 5).
- Conecte o PCB para todos os outros componentes elétricos, exceto para a bateria (Figura 10a).
- Solda a bobina de carga/comunicação sem fio para almofadas 2 e 3 de acordo com a Figura 8. A polaridade não é importante.
- Ligue a antena para o bloco 1 de acordo com a Figura 5. Conecte os eletrodos de PCB para número de almofadas, 4 e 5 de acordo com a Figura 5. A polaridade não é importante.
- Solda a bateria CG-320 para almofadas de 6 e 7 (Figura 5). O terminal negativo da bateria deve ser soldado na almofada 7. Tenha cuidado ao executar os próximos passos. O dispositivo é agora alimentado e é sensível a curto-circuitos e o contacto com objectos metálicos.
- Para testar a funcionalidade do circuito de carregamento sem fio, todas as etapas na parte 2 precisam ser concluídas. Depois disso, coloque o transmissor/carregador sem fio nas proximidades do dispositivo. Use um multímetro para medir a tensão da bateria. Se a tensão da bateria está lentamente aumentando (vários mV / min), a função de carga está funcionando.
- Vento a antena em torno do dispositivo em uma espiral (Figura 10b)
- Corte um pedaço longo de 32 mm de um tubo termoretráctil com diâmetro interno de 9,5 mm.
- Coloque a bobina sobre o PCB. Consulte a Figura 7b para a colocação.
- Colocar o tubo termoretráctil sobre o dispositivo, a bobina e a antena. Somente os eléctrodos devem sobressair da tubagem. Consulte a Figura 7 c para colocação correta.
- Aqueça o tubo com um soprador de ar quente a 150 ° C para encolher e em seguida, deixe esfriar (Figura 10 d).
- Aplique a cola epóxi para a extremidade esquerda para selar um lado do tubo (Figura 10e).
- Cola o eletrodo o lado traseiro do PCB com tubulação. Cole também a outra extremidade do tubo. Consulte a Figura 10f para colocação correta.
- Aguarde pelo menos 24 h para a cola endurecer e curar totalmente.
- Após a conclusão do dispositivo transmissor/carregador sem fio, teste o dispositivo implantável para vazamentos de água, colocando-o em uma coluna de alta de 30 cm de solução salina saturada por 1h. Qualquer vazamento principal pode ser visto como uma queda brusca da tensão da bateria ou o mau funcionamento do dispositivo causado pela solução salina curto-circuito da eletrônica. Após o ensaio, o dispositivo está totalmente preparado para ser implantado.
- Teste a função de estimulação do implante usando um osciloscópio. Conectar-se dois eléctrodos de medição de osciloscópio para as estanho metais chapeadas almofadas contatos do eletrodo no dispositivo implantável. Observe o padrão de estimulação na tela do osciloscópio. O padrão de estimulação correta é dada na Figura 11.
2. carregador/transmissor Design
- O design de PCB é fornecido no arquivo complementar "gerber_transmitter.7z". Use o mesmo processo de fabricação quanto o dispositivo implantável. O diagrama esquemático é fornecido na Figura 12.
- Coloque os PCB sobre uma superfície plana. Use um dispensador de pasta de solda com 0,6 mm de agulha e 60 psi de pressão para distribuir manualmente a pasta de solda para cada bloco metálico sobre o PCB. A quantidade total de pasta de solda dispensada sobre o PCB não deve exceder 50 μL.
- Com um par de pinças antiestáticas, coloque todos os componentes na camada superior do PCB. Consulte a Figura 13 para a posição do componente e o arquivo complementar "bom_transmitterdevice.csv" para a atribuição de componentes para seus números.
- Use uma estação de pistola de ar quente PCB predefinida a 260 ° C para soldar todos os componentes. Esperar até que toda a pasta de solda derrete, guarde o soprador de ar quente e deixe o tabuleiro arrefecer à temperatura ambiente.
- Repita as etapas 2.3 – 2.4 para o lado inferior do dispositivo. Segui um procedimento semelhante, como durante o fabrico do dispositivo implantável.
- Criar uma bobina com 3 espiras de fio esmaltado de AWG18 (Figura 14C) e conectá-lo às almofadas, COIL1 e COIL2 (Figura 13).
- Fazer um dissipador de alumínio para os transistores de potência (Figura 13, Q1 e Q2). A forma exata do dissipador de calor não é crítica. Dentre as possíveis incorporações é mostrado na Figura 9 d. Neste caso, o dissipador de calor também forma um recinto para o dispositivo.
- Ligar o programador PICkit 3 o PCB montado. Conectar as almofadas TP1 TP5 (Figura 13) com pinos de 1 a 5 do programador PICkit, respectivamente.
- Conecte o programador PICkit 3 na porta USB de um computador com software MPLAB IPE instalado.
-
Executar o software MPLAB IPE e programar o firmware para o microcontrolador. O processo é o mesmo para o dispositivo implantável, exceto a tensão VDD e o arquivo carregado.
- Execute o MPLAB IPE 3.61. Selecione "configurações | Modo avançado".
- Na caixa senha, digite a senha padrão que é 'microchip'. Clique "Logon". Um guia com diferentes painéis do lado esquerdo aparecerá.
- Na parte superior esquerda, clique em "Operar" e, em seguida, na parte média superior da tela, clique o "Dispositivo" e digite "PIC16LF1783". Clique em "Aplicar".
- Selecione o painel "Power" no lado esquerdo
- Altere o valor de tensão VDD para 3.3.
- Clique na opção "Circuito de alvo de poder" da "Ferramenta".
- Clique na guia "Operar" no lado esquerdo.
- Clique em "Conectar".
- Baixe o arquivo complementar "IMPLANTABLE_V2_TRANSMITTER. X.Production.hex"e anote sua localização no disco rígido. No software do IPE, encontrar a linha de fonte e clique no botão "Procurar" próximo a ele.
- Clique em "Programa". Espere até que o software diz que o software foi baixado com êxito para o microcontrolador.
- Dessoldar os fios soldados às almofadas TP1 para TP5
- Conecte uma fonte de alimentação 12 V para os V - e V + almofadas (Figura 5). O terminal negativo deve ser relacionado com o V-pad.
- Plug em um mini-USB para cabo USB-A para o X1 Conector (Figura 5) e se conectar a um computador com PuTTy software pré-instalado.
-
Abra o software PuTTY e configurá-lo (Figura 15).
- Abra o software PuTTY. Selecione "Serial" como tipo de conexão.
- Digite COMx como uma linha Serial, onde x é o número da porta COM do dispositivo. Se nenhum outro dispositivo de porta COM foi instalado, este número será 1.
- Digite "38400" como velocidade. Clique em "Abrir". O dispositivo transmissor/carregador está agora pronto para ser usado. H a tecla para obter ajuda.
3. endoscópica implantação
-
Use um porco mini ao vivo como um modelo in vivo , adulto (8-36 meses), 20-30 kg de peso.
- Deixe o porco rápido para 24 h antes do procedimento.
- Permitir que líquidos claros ad libitum.
- Administre tiletamina intramuscular (2 mg/kg), eficiente (2 mg/kg) e cetamina (11 mg/kg) como uma pré-medicação.
- Aplica inalação anestesia com isoflurano, N2O e injeção de propofol e tiopental intravenosa ad effectum (solução de 5%). Anestesia adequada é confirmada por reflexos e do tônus muscular, posição do olho, reflexo palpebral e reflexo pupilar. Temperatura corporal, circulação, ventilação e oxigenação são continuamente monitorados.
- Para realizar a implantação e a visualização, utilize um modelo animal dedicado do endoscópio. Inseri-lo usando o caminho padrão para o modelo in vivo .
- Segure o dispositivo externo com um laço. Depois disso, inseri-lo no estômago e, em seguida, soltá-lo.
- Extraia o endoscópio, equipá-la com um boné de dissecação (15,5 mm) e então re-inseri-lo no estômago.
- A fim de implantar o dispositivo a submucosa, aplica soro fisiológico misturado com azul de metileno na camada submucosa, utilizar um cateter de agulha de terapia de injeção (25 G).
- Faça uma incisão horizontal para criar uma abertura na submucosa, usando uma faca eletrocirúrgica com uma ponta em forma de botão.
- Usando o boné aposta, insira a tampa no espaço recentemente criado e com o uso de uma faca eletrocirúrgica, continuar perturbando, dilatando e dissecar a camada submucosa, criando uma bolsa suficientemente grande o suficiente para inserir o dispositivo de estimulação.
- Segure o dispositivo que está a mentir livremente dentro do estômago com loops de inserção e extração e, usando a pinça de preensão, navegá-lo no bolso submucosa. Coloque os eléctrodos de estimulação em contacto com a muscularis propria usando pinça de aperto.
- Use um sobre o escopo clip para fixar o dispositivo no lugar dentro da submucosa do bolso e impedir qualquer migração ou desalojar.
4. experimento — Após a implantação
- Após a implantação bem sucedida, coloque a bobina do carregador/transmissor na proximidade do dispositivo implantado.
- Conecte o dongle RTL2832 no PC.
-
Execute o software HDSDR e defina a frequência central 432 MHz.
- Abra o software HDSDR (Figura 15) para configurações corretas e o software PuTTY (Figura 16). No software HDSDR, clique em "opções | Selecione a entrada | ExtIO".
- Seleção de largura de banda — "960000". Selecione toques na frequência a 431,95 MHz. Selecione a frequência de sintonia a 432,00 MHz.
- Transmitir uma sequência de Manchester codificado do carregador/transmissor pressionando a tecla R no terminal PuTTY e receber a resposta OOK modulada de implante pela observação da janela principal do HDSDR ( Figura 17e-f).
5. eutanásia após a experiência
- Use uma overdose de anestésica para eutanásia (dose letal de tiopental e KCl).
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Representative Results
A figura 17 mostra que uma colocação endoscópica do neuroestimulador gástrica em um bolso na submucosa, bem como a correcta colocação dos eléctrodos para a camada muscular foi bem sucedida. As dimensões do dispositivo (Figura 10) são 35 x 15 x 5 mm3 , enquanto o peso é 2.15 g. Figura 17 mostra o diagrama de circuito do dispositivo, mostrando que o dispositivo é composto por 6 módulos diferentes que são conectados juntos. A Figura 3 mostra o posicionamento de layout e componente de PCB no dispositivo. A Figura 18 mostra que, a fim de implantar o dispositivo para a camada submucosa, uma técnica chamada um bolso submucosa endoscópica9,10 (ESP) foi usada. O estimulador foi anexado perto a camada muscular (muscularis propria) onde teoricamente é a profundidade ideal de estimulação. Criando o bolso submucosa e implantação do neuroestimulador gástrico endoscopicamente levaram 20-30 min. Durante este procedimento, não há nenhuma complicação intraprocedimental tais como perfuração ou hemorragia grave. Migração do dispositivo no estômago não pôde ser determinada porque o experimento foi não-sobrevivência. Após a implantação, o elo de comunicação bidirecional com o dispositivo implantável foi estabelecido com um dispositivo externo, mostrado na Figura 14. A distância aproximada entre o implante e a bobina do carregador/programador era de 10 cm. A proporção de (SNR) de sinal-ruído alcançada com receptor de RTL2832 com base-rádio definido por software-(SDR) foi de mais de 40 dB.
Figura 1 : Diagrama esquemático do dispositivo implantável. A figura mostra como diferentes componentes e peças do circuito estão conectadas no dispositivo implantável. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2 : Fabricação do dispositivo implantável - Conjunto do PWB. (um) PCB, vista superior. (b) solda colar aplicado à camada superior. (c) um exemplo de colocação de mão de 0402 capacitor. (d), solda em pasta aplicada à camada inferior. (e) totalmente preenchido o lado superior do PCB. (f) totalmente preenchido o lado inferior do PCB clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3 : Design do dispositivo implantável. (uma) camada superior de cobre do PCB. (b) nomes de componente na camada superior. (c) cobre fundo camada do PCB. (d) nomes de componente na camada inferior. (e), composto de imagens de todas as camadas de PCB clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4 : Fabricação do dispositivo implantável — preparação de outras peças. (um) fluxo de ar quente do lado inferior do PCB. (b) programação fios soldados ao PCB. (c) PCB conectado ao programador. bobina de carga (d) sem fio. antena de 432 MHz (e). (f), estimulação de eletrodos com dois fios ligados , por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5 : Solda recomendado colocação conjunta para os componentes externos do dispositivo implantável. O retrato mostra onde a bobina, antena, bateria e eléctrodos devem ser soldados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6 : Estabelecer uma conexão com o dispositivo implantável — importantes configurações mencionadas no texto são marcadas com setas vermelhas. Esta foto é do software MPLAB IPE, uma tela que mostra como determinar que o microcontrolador dentro do dispositivo implantável corretamente está se comunicando com o programador PICkit é fornecida. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7 : Configurações do software usado para programação de alimentação — importantes configurações mencionadas no texto são marcadas com setas vermelhas. Esta é a foto do software MPLAB IPE. Ele mostra como corretamente o dispositivo implantável para programação do poder , por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8 : Escolher um arquivo de programação correto para o dispositivo implantável. A imagem mostra qual botão clicar para carregar o arquivo hex suplementar corretamente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 9 : Processo de programação do firmware para o dispositivo implantável. A imagem mostra qual botão apertar para programar o software para o dispositivo implantável. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 10 : Fabricação do dispositivo implantável — montagem final. (um) carregamento bobina, eletrodos de estimulação e antena sem fio soldadas ao PCB, juntamente com a bateria. (b), Stacked implante. (c) transparente calor shrinkable tubos colocar sobre o PCB. (d) Shrinking da tubulação com ar quente. (e) tubo totalmente encolhido e extremidades coladas. (f) finalizado o dispositivo implantável clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 11 : Padrão de estimulação saída típica do dispositivo conforme exibido no osciloscópio DSOX1102G. Após a programação do dispositivo implantável, soldadura de eléctrodos e a bateria, o padrão de estimulação de saída semelhante ao exibido na figura deve aparecer para os eletrodos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 12 : Diagrama esquemático do dispositivo transmissor/carregador sem fio. A figura é analógica a Figura 1. Mostrado aqui é o funcionamento interno do dispositivo transmissor/carregador sem fio clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 13 : Desenho do aparelho transmissor/carregador. (uma) camada superior de cobre do PCB. (b) nomes de componente na camada superior. (c) cobre fundo camada do PCB. (d) nomes de componente na camada inferior. (e), composto de imagens de todas as camadas de PCB clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 14 : Fabricação do dispositivo carregador/transmissor sem fio. (um) completou PCB, lado superior (b) Completed lado inferior do PCB (c), projeto mecânico da personificação Transmissor/carregador sem fio da bobina (d) um possível do dispositivo carregador/transmissor finalizado clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 15 : Corrigir as configurações do software HDSDR. O software HDSDR é usado junto com o RTL2832U com base USB dongle a receber como um analisador de espectro para exibir o espectro de radiofrequências. Neste caso, é usado para receber a resposta do implante transmitido em aproximadamente 432 MHz. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 16 : Corrigir as configurações do software PuTTY. O software PuTTY é usado para comunicação com o dispositivo transmissor/carregador. Ele deve ser configurado corretamente para exibir dados corretos para o usuário. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 17 : Endoscopia implantação do dispositivo implantável e verificar se está funcionando. (um) na vivo modelo animal unidade endoscópica. (b) inserção do endoscópio pelo padrão do caminho para o modelo in vivo . protótipo de dispositivo (c) Implantable agarrado com um laço. (d) processo de estabelecer a ligação sem fio bidirecional com o dispositivo implantável. (e) HDSDR software. (f) detalhe de OOK modulada dados transmitidos pelo implante. (g) raio-x — verificação de posição do dispositivo. (h) x-ray varredura da área de implante, o dispositivo, bem como sobre o clipe de escopo é claramente visível. (eu) Detailed vista de dispositivo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 18 : Vista da implantação do dispositivo e a técnica endoscópica. (um) injeção submucosa com azul de metileno. (b) incisão submucosa (uma entrada para a formação de bolso submucosa). (c) Tunnelisation de bolso da submucosa. (d-f) Perturbar, dilatando e dissecar a camada submucosa. (g, h) Implantação do dispositivo. (eu) fechando a entrada com o clipe de escopo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Complementar arquivo 1: gerber_implant.7z. Arquivo zip com os arquivos necessários para a fabricação da placa de circuito impresso do dispositivo implantável. Por favor clique aqui para baixar este arquivo
Complementar arquivo 2: gerber_transmitter.7z. Arquivo zip com os arquivos necessários para a fabricação da placa de circuito impresso do dispositivo transmissor/carregador. Por favor clique aqui para baixar este arquivo
Complementar arquivo 3: gerber_electrodes.7z. Arquivo zip com os arquivos necessários para a fabricação de eletrodos. Por favor clique aqui para baixar este arquivo
Arquivo complementar 4: IMPLANTABLE_V2. X.Production.Hex. Firmware para o dispositivo implantável. Por favor clique aqui para baixar este arquivo
Arquivo complementar de 5: IMPLANTABLE_V2_TRANSMITTER. X.Production.Hex. Firmware para o dispositivo transmissor/carregador. Por favor clique aqui para baixar este arquivo
Complementar 6 do arquivo: bom_implantabledevice.csv. Bill de arquivo de material (BOM), descrevendo a atribuição de valores do componente para componentes específicos na PCI do dispositivo implantável. Por favor clique aqui para baixar este arquivo
Complementar 7 do arquivo: bom_transmitterdevice.csv. Arquivo BOM descrevendo a atribuição de valores do componente para componentes específicos na PCI do dispositivo transmissor/carregador. Por favor clique aqui para baixar este arquivo
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Discussion
O design do dispositivo implantável deve incidir principalmente sobre o tamanho total do dispositivo, perfis de estimulação realizáveis (tensão máxima, corrente máxima do resultado final, comprimento de pulsos e frequência de pulso). Principal limitação do ponto de vista de hardware é o tamanho e a disponibilidade de componentes adequados. Para minimizar o tamanho geral, componentes de montagem em superfície são preferidas por causa de sua embalagem compacta. A melhor solução seria integrar a microplaqueta desencapada morre no substrato. No entanto, esta é limitada por ambos a disponibilidade da opção de embalagem morrer nu para componentes e a acessibilidade do fio de ligação tecnologia. Segundo parâmetro importante é a bateria. Baterias de lítio são preferidas por causa de sua alta densidade de energia. Além disso, a tensão nominal de 3.7 V é benéfico. A principal vantagem da topologia de hardware apresentado é seu pequeno tamanho e capacidade de invasão mínima. Comparado com o atual soluções7,8, a solução apresentada é de uma magnitude menor e poderá ser implantada diretamente para a submucosa, sem necessidade de ligações externas e implantação subcutânea do neuroestimulador.
Exceto para o hardware em si, no futuro, atenção adicional deve ser dada ao compartimento de dispositivo. O primeiro ponto é a biocompatibilidade e a hermeticidade11 para evitar possível rejeição do implante. O outro é a fixação do dispositivo na submucosa para evitar indesejável migração do implante.
Os passos mais críticos durante a implantação endoscópica é a captura do dispositivo e seu posicionamento no bolso submucosa. A limitação é o tamanho de bolso, que deve ser, de observações, aproximadamente pelo menos duas vezes tão grande quanto o dispositivo a ser implantado. Próxima edição é a orientação correta do implante dentro do bolso. Com o respeito à dificuldade técnica do procedimento endoscópico, esse método é dedicado a especialistas com experiência com dissecação de túnel ou myotomy endoscopia peroral (poema).
A próxima parte problemática é o fechamento do bolso que é relativamente difícil usando mais o clipe de escopo. No entanto, a utilização deste tipo de clip impede a migração e a rejeição do dispositivo. As limitações desta técnica do ponto de vista de hardware incluem os equipamentos de desenvolvimento de hardware para soldar com precisão requerida. O dispositivo é projetado para suportar durante a cirurgia e pouco tempo depois. Assim, com gabinete atual, não se destina a permanecer por períodos prolongados de tempo dentro do corpo. Além disso, o material do recinto não é biocompatível que representa um alto risco de rejeição do implante no caso de um experimento de sobrevivência. Esta técnica pode ser desenvolvida, especialmente em termos de desenvolvimento do recinto biocompatível e hermético, que é essencial para experimentos de modelo de sobrevivência. Em seguida, a funcionalidade de vários circuitos integrados pode ser concentrada em um circuito integrado específico de aplicação única. Da mesma forma, componentes de montagem em superfície menores podem ser usados para torná-lo mais compacto. A próxima possível orientação desta pesquisa pode levar ao desenvolvimento de novos métodos de endoscopia para o tratamento de outras doenças gastrointestinais como GERD, incontinência ou de disfunções do esfíncter12.
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Disclosures
Este trabalho foi apoiado pela pesquisa projeto PROGRES-Q28 e concedido pela Universidade Charles de Praga. Os autores graças a bunda. Centro Prof Jan Martínek, pH.d. e PIGMOD.
Acknowledgments
Os autores declaram que eles têm não tem interesses financeiro concorrente.
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).
