Summary
Tillämpningen av högfrekventa låg-energisk stimulering kan lindra symptomen av gastric dysmotilitet. I denna forskning presenteras en miniatyr, endoskopiskt implanterbara och trådlöst laddningsbart enhet som är inopererad i en submukosala ficka. Framgångsrik dubbelriktad kommunikation och stimulering kontroll uppnåddes under ett experiment på levande gris.
Abstract
Gastric dysmotilitet kan vara ett tecken på vanliga sjukdomar såsom långvariga diabetes mellitus. Det är känt att tillämpningen av högfrekventa låg-energisk stimulering kan bidra till att effektivt dämpa och lindra symptomen av gastric dysmotilitet. Målet med forskningen var utvecklingen av en miniatyr, endoskopiskt implanterbara anordningen till en submukosala ficka. Den implanterbara anordningen är en helt skräddarsydd elektroniska paket som var speciellt utformad för försök i submucosa. Enheten är utrustad med ett litium-jon-batteri som kan laddas trådlöst genom att ta emot en incident magnetfältet från spolen laddning/överföring. Uplink meddelande uppnås i ett MedRadio band på 432 MHz. Enheten infogades endoskopiskt i submukosala fickan på en levande tamsvin som används som en in-vivo modell, speciellt i den magen antrum. Experimentet bekräftat att designade enheten kan implanteras i submucosa och klarar av dubbelriktad kommunikation. Enheten kan utföra bipolär stimulering av muskelvävnad.
Introduction
Gastric dysmotilitet kan vara ett tecken på flera relativt vanliga sjukdomar såsom gastropares, som kännetecknas vanligtvis av en kronisk progression och ställer ganska allvarliga konsekvenser på sociala, arbetsrelaterade och fysisk status för patienten. De flesta fall av gastropares är vanligtvis diabetiker eller idiopatiskt ursprung och är ofta resistenta mot tillgängliga medicinering1. Patienter som lider av detta villkor oftast presenterar med illamående och upprepade kräkningar. Utifrån tidigare forskning, är det känt att tillämpningen av högfrekventa låg-energisk elektrisk stimulering kan bidra till att effektivt dämpa och lindra symptomen av gastric dysmotilitet1,2.
Utifrån tidigare studier, är det bevisat att högfrekventa gastric elektrisk stimulering kan avsevärt förbättra symtomen och gastric tömma3. Det har också visat att lägre esofagus ringmuskel neurostimulator terapi är säker och effektiv för behandling av gastroesofageal refluxsjukdom (GERD), minska sura exponeringen och eliminerar dagligen proton-pump inhibitor (PPI) behandling utan stimulering relaterade biverkningar4. Innan försök på människa utfördes första studier i djurmodeller (canine modeller5). Baserat på dessa studier, orsakade elektrisk stimulering av den nedre matstrupen sphincter (LES, 20 Hz, pulsbredd av 3 ms) en långvarig sammandragning av LES5. Liknande effekter av hög (20 Hz, pulsbredd 200 μs) och lågfrekventa (6 cykler/min, pulsbredd 375 ms) elektrisk stimulering på LES GERD patienter undersöktes. Både hög- och lågfrekvent stimulering var effektiv6. Dock för närvarande, finns det bara två neurostimulering enheter för magsäcken eller matstrupen stimulering på marknaden7,8. I dessa enheter, kan elektroderna implanteras kirurgiskt, laparoscopically eller robotically. Själva enheten är implanteras subkutant. Detta kräver allmän anestesi och har en skrymmande enhet monterad, med hjälp av intramuskulär katetrar som möjliggör stimulering av magsäcken eller matstrupen muskelvävnad. Så, alternativet för att använda ett trådlöst kommunicerande enhet implanteras i det gastric submukösa lagret skulle innebära en definitiv fördel och förbättring av patientens komfort. Som nämnts i tidigare forskning9,10, bevisades det att en implantation av en miniatyr neurostimulator i submucosa är möjligt. För endoskopisk submukosala implantation, vi använder en teknik som kallas endoskopisk submukosala fickfräsning (ESP), baserat på endoskopisk submukosala tunnel dissektion10. Målet med denna forskning är att ytterligare förbättra detta begrepp av en implanterbar neurostimulator, främst i tillämpningsområdet för energisparfunktioner (särskilt den trådlös laddning kapaciteten), överensstämmelse med respektive lagar och förordningar för trådlösa kommunikationslänkar implanterbara medicintekniska och möjligheten att bipolär neurostimulering. Nästa, den presenterade microneurostimulator klarar av dubbelriktad kommunikation och stimulering parametrarna kan ändras i realtid, även när enheten är implanterad.
Denna teknik är lämplig för lag med en terapeutisk endoscopist upplevt i endoskopisk kasserar eller tunnel dissektioner. Nästa, en maskinvara och inbyggd programvara formgivare med erfarenhet av bygga maskinvara prototyper med mikrokontroller och radiofrekvens kretsar med ytmontering teknik behövs. För att bygga maskinvara prototyper, krävs ett labb utrustat med en reflow lödning station och grundläggande utrustning för elektriska mätningar (minst en digital multimeter, ett oscilloskop, spektrumanalysator och PICkit3 programmerare).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alla endoskopisk förfaranden inklusive animaliska ämnen har godkänts vid Institutet för djurs fysiologi och genetik, akademin av vetenskap Tjeckien (biomedicinska Center PIGMOD), Libechov, Tjeckien (projektet experiment i implantation av batteri-mindre och batteri enheter i submucosa i matstrupe och magsäck-experimentell studie). Alla experiment görs i enlighet med tjeckiska lag 246/1992 Sb. ”om skydd av djur mot misshandel, ändrat”. Sändare enhet krävs inte steriliseras, eftersom det är en extern enhet som inte är i direkt kontakt med djuret.
1. implanterbara anordningen Design
- Förbereda PCB använder en tredje parts PCB tillverkning service. Den kompletta kretskort ombord designen finns i den kompletterande filen ”gerber_implant.7z”. Det schematiskt diagrammet finns i figur 1.
- Placera PCB på en plan yta (figur 2a). Använd en solder paste dispenser med 0.6 mm nål och 60 psi tryck att avstå manuellt från lödning klistra på varje metallisk pad på Kretskortet. Börja med ovansida av PCB (figur 2b). Den totala mängden lödpasta för båda sidor av PCB bör inte överstiga 15 μL.
- Med en antistatisk pincett, placera alla komponenter på det översta lagret av PCB (figur 2e). Använda diagram 3 för komponenten ställning och kompletterande fil ”bom_implantabledevice.csv” för tilldelningen av komponenter till sina siffror.
- Använda en PCB varm luft pistol station vid 260 ° C för att löda alla komponenter (figur 4a). Vänta tills alla lodpasta smälter, sedan lägga undan varmluftspistol och tillåta den styrelsen svalna till rumstemperatur.
- Vänd på Kretskortet och fördela lodpasta på andra sidan. Använd samma nål och trycket som anges i punkt 1.2 (figur 2d).
- Som i steg 1.3., placera alla komponenter i det nedersta lagret av PCB. Se figur 3 för komponenten position och den kompletterande filen ”bom_implantabledevice.csv” för tilldelningen av komponenter till sina siffror.
- Upprepa uppvärmning av PCB med en varmluftspistol för att löda alla komponenter på undersidan. Använda samma process som i steg 1.4.
- Kontrollera PCB för eventuella kortslutningar visuellt. Om någon kortslutning hittas, ta bort det med en lödkolv.
- Tillverka trådlös laddning/kommunikation spolen. Användning 17 vänder AWG42 tråd. Storleken på spolen är 26 x 13.5 mm2 (figur 4 d). Vrida två utgående kablar.
- Konstruera och tillverka elektroden. Elektroden designen finns i den kompletterande filen ”gerber_electrodes.7z”. Använd samma tillverkningsprocess som i steg 1,1. Detta PCB är helt klar efter tillverkning och inga komponenter krävs som skall lödas på den. Löda två AWG42 kablar till små rektangulära kontakter (figur 4f)
- Förbereda antennen med hjälp av 7 cm emaljerad tråd och skrapa bort 3 mm emalj från ena änden (figur 4e)
- Anslut PICkit 3 programmeraren till PCB (figur 4b-c)
- Anslut pads 6 och 7, enligt figur 5, till stift 2 och 3 av PICkit programmeraren, respektive.
- Anslut pads TP1, TP2 och TP3 (se figur 3) till stift 1, 5 och 4 av PICkit programmeraren, respektive
- Anslut PICkit 3 programmeraren till USB-porten på en dator med MPLAB IPE programvara installerad.
- Kör programvaran MPLAB IPE och programmet firmware till mikrokontroller.
- Kör den MPLAB IPE v3.61. Välj ”Inställningar | Avancerat läge ”
- I fältet lösenord anger du standardlösenordet ”mikrochip' som finns. Klicka på ”Logga in”. Visas en flik med olika paneler till vänster.
- Längst upp till vänster, klicka på ”Operate”, klicka i övre mellersta delen av skärmen, ”enhet fält” och skriv in ”PIC16LF1783”. Klicka på ”Apply”.
- Välj panelen ”Power” till vänster (figur 6).
- Ändra värdet VDD spänning till 2,55. Detta steg är kritisk.
Varning: Ange detta värde ovan 2,8 V kommer att skada styrelsen (figur 7). - Klicka i kryssrutan ”Target strömkrets” från ”verktyg” (figur 7).
- Klicka på fliken ”Operate” till vänster (figur 6).
- Klicka på ”Anslut”.
- Hämta den kompletterande filen ”IMPLANTABLE_V2. X.Production.hex ”och observera dess plats på hårddisken. IPE programvaran, hitta raden källa och klicka på ”Bläddra” knappen nära det (figur 8).
- Klicka på Program. Vänta tills programmet säger att programvaran har hämtats till mikrokontroller (figur 9).
- DESOLDER kablar lödas till kuddar TP1 och TP2, TP3 (figur 3) samt kablar lödas till pads 6 och 7 (figur 5).
- Anslut PCB till alla andra elektriska komponenter förutom batteriet (figur 10a).
- Löda trådlös laddning/kommunikation spolen till kuddar 2 och 3 enligt figur 8. Polaritet är inte viktigt.
- Anslut antennen för att pad 1 enligt figur 5. Anslut PCB elektroderna till kuddar nummer 4 och 5 enligt figur 5. Polaritet är inte viktigt.
- Löda CG-320 batteriet till kuddar 6 och 7 (figur 5). Den negativa terminalen av batteriet måste lödas på pad 7. Var försiktig när du utför nästa steg. Enheten drivs nu och är känsliga för kortslutningar och kontakt med metallföremål.
- För att testa funktionaliteten i trådlös laddning kretsarna, måste alla steg i del 2 slutföras. Efter det, placera den trådlösa laddare/sändaren i närheten av enheten. Använda en multimeter för att mäta spänningen på batteriet. Om batterispänningen är långsamt stiger (flera mV per minut), fungerar funktionen laddning.
- Vind antennen runt enheten i en spiral (figur 10b)
- Skär en 32 mm lång bit av en värme-shrinkable slangar med en innerdiameter på 9,5 mm.
- Placera spolen på PCB. Se figur 7b för korrekt placering.
- Sätta den värme-shrinkable slangen över enheten, spole och antenn. Endast elektroderna ska sticka ut från slangen. Se figur 7 c för korrekt placering.
- Hetta upp slangen med en varmluftspistol till 150 ° C att krympa och sedan låta det svalna (figur 10 d).
- Applicera epoxi lim till den vänstra änden att försegla ena slangen (figur 10e).
- Limma elektroden på baksidan av Kretskortet med slang. Även limma den andra änden av slangen. Se figur 10f för korrekt placering.
- Vänta minst 24 timmar för limmet härda och helt bota.
- Efter slutförandet av trådlös laddare/sändare enheten, testa den implanterbara anordningen för vattenläckage genom att placera det i en 30 cm hög kolumn med mättad saltlösning för 1 h. Några större läckage kan upptäckas som en plötslig nedgång av batterispänningen eller fel på enheten orsakade av saltlösning kortsluter elektroniken. Efter test är enheten fullt beredd att implanteras.
- Testa funktionen stimulering av implantatet med ett oscilloskop. Anslut två mätning elektroder av oscilloskopet till tin metall pläterad kontakt kuddar av elektroden på den implanterbara anordningen. Iaktta stimulering mönstret på skärmen oscilloskop. Mönstret rätt stimulering ges i figur 11.
2. trådlös laddare/sändare Design
- De PCB-designen finns i den kompletterande filen ”gerber_transmitter.7z”. Använd samma tillverkningsprocessen när det gäller den implanterbara anordningen. Det schematiskt diagrammet finns i figur 12.
- Placera PCB på en plan yta. Använd en solder paste dispenser med 0.6 mm nål och 60 psi tryck att avstå manuellt från lödning klistra på varje metallisk pad på Kretskortet. Den totala mängden lodpasta som doseras på Kretskortet bör inte överstiga 50 μL.
- Med en antistatisk pincett, placera alla komponenter på det översta lagret av PCB. Konsultera figur 13 komponent samt den kompletterande filen ”bom_transmitterdevice.csv” för tilldelningen av komponenter till sina siffror.
- Använda en PCB varm luft pistol station förinställd till 260 ° C för att löda alla komponenter. Vänta tills alla lodpasta smälter, lägga undan varmluftspistol och tillåta styrelsen att svalna till rumstemperatur.
- Upprepa steg 2,3 – 2.4 för undersidan av enheten. Följ ett liknande förfarande som under tillverkningen av den implanterbara anordningen.
- Skapa en spole med 3 varv av AWG18 emaljerad tråd (figur 14 c) och Anslut den till pads COIL1 och COIL2 (figur 13).
- Göra en aluminium kylfläns för drivatransistorerna (figur 13, Q1 och Q2). Den exakta formen på kylflänsen är inte kritisk. En av de möjliga utföringsformer visas i figur 9 d. I det här fallet bildar kylflänsen också en inhägnad för enheten.
- Anslut PICkit 3 programmeraren till monterade PCB. Anslut pads TP1 till TP5 (figur 13) med stift 1 till 5 av PICkit programmeraren, respektive.
- Anslut PICkit 3 programmeraren till USB-porten på en dator med MPLAB IPE programvara installerad.
-
Kör programvaran MPLAB IPE och programmet firmware till mikrokontroller. Processen är densamma som för den implanterbara anordningen, med undantag för VDD spänning och filer uppladdade.
- Kör den MPLAB IPE v3.61. Välj ”Inställningar | Avancerat läge ”.
- I lösenordsrutan, anger du standardlösenordet ”mikrochip' som finns. Klicka på ”logga in”. Visas en flik med olika paneler till vänster.
- Längst upp till vänster, klicka på ”Operate”, och sedan den övre mellersta delen av skärmen, klicka på ”Device” och skriv in ”PIC16LF1783”. Klicka på ”Apply”.
- Välj panelen ”Power” till vänster
- Ändra värdet VDD spänning till 3.3.
- Klicka i kryssrutan ”Target strömkrets” från ”verktyg”.
- Klicka på fliken ”Operate” till vänster.
- Klicka på ”Anslut”.
- Hämta den kompletterande filen ”IMPLANTABLE_V2_TRANSMITTER. X.Production.hex ”och observera dess plats på hårddisken. Hitta raden källa och klicka på ”Bläddra” knappen nära det i den IPE.
- Klicka på ”Program”. Vänta tills programmet säger att programvaran hämtades till mikrokontroller framgångsrikt.
- DESOLDER kablar lödas till kuddar TP1 att TP5
- Anslut en 12 V strömförsörjning till V- och V + kuddar (figur 5). Den negativa terminalen måste vara ansluten till V-pad.
- Koppla in en mini-USB till USB-A-kabel till X1 kontakten (figur 5) och ansluta till en dator med PuTTy programvara förinstallerad.
-
Öppna programvaran kitt och ställa upp (figur 15).
- Öppna PuTTY programvaran. Välj ”Serial” som anslutningstyp.
- Ange COMx som en seriell linje, där x är antalet COM-porten på enheten. Om ingen annan COM portenhet installerades, kommer detta nummer att 1.
- Ange ”38400” som hastighet. Klicka på ”öppna”. Laddare/sändare enheten är nu klar att användas. Tryck på H för hjälp.
3. endoskopisk Implantation
-
Använd en live mini gris som i vivo modell, vuxen (8-36 månader), 20-30 kg vikt.
- Låt grisen snabbt för 24 h före ingreppet.
- Ge klara vätskor ad libitum.
- Administrera intramuskulärt Tiletamin (2 mg/kg), zolazepam (2 mg/kg) och ketamin (11 mg/kg) som en premedicinering.
- Tillämpa intravenös tiopental ad effectum (5% lösning) och inandning anestesi med propofol injektion, isofluran, N2O. Ordentlig anestesi bekräftas av reflexer och muskeltonus, ögonläge, palpebrala reflex och pupill reflex. Cirkulation, syresättning, ventilation och kroppstemperatur övervakas kontinuerligt.
- För att utföra implantation och visualisering, Använd en djurmodell dedikerade endoskop. Infoga det med hjälp av det vanliga sättet in i in-vivo -modellen.
- Greppa enheten externt med en snara. Efter det, sätt in det i magen, och släpp den sedan.
- Extrahera endoskop, utrusta den med en dissektion cap (15.5 mm) och sedan Stick in den på magen.
- För att implantat enheten till submucosa, tillämpa saltlösning som blandas med metylenblått i den submukösa lager med en injektion terapi nål kateter (25 G).
- Gör ett horisontellt snitt för att skapa en öppning i submucosa använder en elektrokirurgiska kniv med en knopp-formad spets.
- Använda den ditsatta cap, infoga den gemensamma jordbrukspolitiken i nyskapade utrymmet och med användning av en elektrokirurgiska kniv, fortsätta störa, utvidga och dissekera den submukösa lager, skapa en tillräckligt stor nog ficka om du vill infoga stimulering enheten.
- Greppa enheten som ligger fritt inuti magen med införande och utvinning loopar och använder gripa pincett, navigera den i submukosala fickan. Placera de stimulering elektroderna i kontakt med den muscularis propria använder grepp tång.
- Använda en över omfattningen klipp för att säkra enheten på plats inuti den submukösa pocket och förhindra eventuella migration eller lossnar.
4. experiment — Efter Implantation
- Efter lyckad implantation, placera laddaren/sändare spolen i närheten av den implanterade enheten.
- Anslut RTL2832 dongeln i datorn.
-
Köra programvaran HDSDR och mittfrekvensen till 432 MHz.
- Öppna programmet HDSDR (figur 15) för rätt inställningar och kitt programvara (figur 16). Till HDSDR-programvaran, klicka på ”alternativ | Välj ingång | ExtIO ”.
- Välj bandbredd — ”960000”. Välj LO frekvensen 431.95 MHz. Markera Tune frekvensen 432.00 MHz.
- Överföra en Manchester kodade sekvens från laddaren/sändaren genom att trycka på R-knappen i PuTTY terminalen och få OOK moduleras svaret från implantatet genom observation av huvudfönstret i HDSDR ( figur 17e-f).
5. dödshjälp efter experimentet
- Använda en narkos överdos för dödshjälp (dödlig dos av tiopental och KCl).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 17 visar att en endoskopisk placering av den gastric neurostimulator i en ficka i submucosa samt lämplig placering av elektroderna till den muskulösa lagret var framgångsrik. Måtten på enheten (figur 10) är 35 x 15 x 5 mm3 medan vikten är 2.15 g. figur 17 visar kopplingsschemat för den enhet som visar att den består av 6 olika moduler som är sammankopplade. Figur 3 visar PCB layout och komponent placering i enheten. Figur 18 visar att för att implantatet enheten i det submukösa lagret, en teknik som kallas en endoskopisk submukosala ficka9,10 (ESP) användes. Stimulatorn fästes nära den muskulösa lagret (muscularis propria) där det är teoretiskt optimal stimulering djupet. Att skapa submukosala fickan och implantation av den gastric neurostimulator endoskopiskt tog 20-30 min. Under detta förfarande finns det ingen intraprocedural komplikation såsom perforation eller allvarlig blödning. Migrering av enheten i magen kunde inte fastställas eftersom experimentet var icke-överlevnad. Efter implantation etablerades dubbelriktad kommunikationslänk med implanterbara enheten med en extern enhet som visas i figur 14. Det ungefärliga avståndet mellan laddaren/programmerare spolen och implantatet var 10 cm. Uppnådda signal-brus (SNR) förhållandet med RTL2832 baserad programvara-definierade-radio (SDR) mottagare var över 40 dB.
Figur 1 : Schematisk bild av den implanterbara anordningen. Figuren visar hur olika komponenter och krets delar är anslutna i den implanterbara anordningen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 : Tillverkning av den implanterbara anordningen - PCB assembly. (en) PCB, ovanifrån. (b), Solder paste tillämpas på översta lagret. (c), ett exempel på hand placering av 0402 kondensator. (d), Solder paste tillämpas på bottenlagret. (e) befolkade fullt ovansidan av PCB. (f) fullt befolkat undersidan av PCB vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 3 : Design av den implanterbara anordningen. (en) koppar ytskikt av PCB. (b) komponentnamn på det översta lagret. (c), botten koppar lager av PCB. (d) komponentnamn på bottenlagret. (e), komposit bild av alla PCB lager vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 4 : Tillverkning av den implanterbara anordningen – beredning av andra delar. (en) varm luftflöde av undersidan av PCB. (b) programmering kablar lödas till PCB. (c) PCB ansluten till programmeraren. (d), trådlös laddning spole. (e) 432 MHz antenn. (f) stimulering elektroder med två trådar anslutna vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 5 : Rekommenderade löda gemensamma placering för externa komponenter av den implanterbara anordningen. Bilden visar där den spole, antenn, batteri och elektroder ska lödas. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6 : Att upprätta en anslutning med den implanterbara anordningen — viktiga inställningar som nämns i texten markeras med röda pilar. Denna bild är från programvaran MPLAB IPE, tillhandahålls en skärm som visar hur du avgör att mikrokontroller inuti den implanterbara anordningen kommunicerar korrekt med PICkit programmeraren. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7 : Power inställningar av den programvara som används för programmering — viktiga inställningar som nämns i texten markeras med röda pilar. Detta är bild från programvaran MPLAB IPE. Det visar hur korrekt makten den implanterbara anordningen för programmering vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 8 : Att välja en korrekt programmering fil för den implanterbara anordningen. Bilden visar vilken knapp Klicka för att läsa in kompletterande hex filen korrekt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9 : Processen för programmering firmware till den implanterbara anordningen. Bilden visar vilken knapp du ska trycka på att programmera programvaran till den implanterbara anordningen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 10 : Tillverkning av den implanterbara anordningen — slutmontering. (en) trådlös laddning spole, stimulering elektroder och antenn lödas till PCB, tillsammans med batteriet. (b), Staplad implantatet. (c), Transparent heat värmekrympbar slangar sätta över PCB. (d) Shrinking av slangen med varm luft. (e) slangar fullt krympt och ändarna limmas. (f) slutfört implanterbara anordningen vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 11 : Typiska produktion stimulans mönster av enheten som visas på DSOX1102G oscilloskopet. Efter programmering av den implanterbara anordningen, ska lödning av elektroderna och batteriet, produktion stimulans mönster liknande den som visas i figuren synas på elektroderna. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 12 : Schematisk bild av trådlös laddare/sändare enheten. Siffran är analogical till figur 1. Visas här är det interna arbetet i trådlös laddare/sändare enheten vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 13 : Design av laddare/sändare enheten. (en) koppar ytskikt av PCB. (b) komponentnamn på det översta lagret. (c), botten koppar lager av PCB. (d) komponentnamn på bottenlagret. (e), komposit bild av alla PCB lager vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 14 : Tillverkning av trådlösa laddare/sändare enheten. (en) avslutade PCB, ovansidan (b), slutförd undersidan av PCB (c), mekanisk konstruktion av trådlös sändare/laddare spole (d) ett möjligt förkroppsligandet av slutförda laddare/sändare enheten vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 15 : Korrigera inställningarna av programvaran HDSDR. HDSDR programvaran används tillsammans med RTL2832U baserat USB emot dongle som en spektrumanalysator för att Visa radiospektrum. I det här fallet, det brukade ta emot svaret från implantatet överförs vid ca 432 MHz. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 16 : Korrigera inställningarna av PuTTY programvaran. PuTTY programvaran används för kommunikation med laddare/sändare enheten. Det måste vara korrekt konfigurerad för att Visa korrekta data för användaren. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 17 : Endoskopi implantation av den implanterbara anordningen och kontrollera om det fungerar. (en) In vivo modell endoskopisk djurenhet. (b) införande av endoskopet av standarden långt in i in-vivo -modellen. (c), Implantable anordning prototyp förstått med en snara. (d) processen dubbelriktad trådlösa länken med den implanterbara anordningen. (e), HDSDR programvara. (f) detalj av OOK moduleras uppgifter överförs av implantatet. (g) röntgen — kontrollera din enhet position. (h) röntgen Skanna av området implantat, enheten samt över omfattning klippet syns tydligt. (jag) detaljerad enhet view. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 18 : Visa enhet implantation och endoskopisk teknik. (en) submukosala injektion med metylenblått. (b) submukosala snitt (en ingång för submukosala pocket bildandet). (c) Tunnelisation av submukösa fickan. (d-f) Störa, utvidga och dissekera det submukösa lagret. (g, h) Enhet implantation. (jag) utgående posten med över omfattning klipp. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Kompletterande fil 1: gerber_implant.7z. Zip-arkiv med filer som krävs för att tillverka kretskortet av den implanterbara anordningen. Vänligen klicka här för att hämta den här filen
Kompletterande fil 2: gerber_transmitter.7z. Zip-arkiv med filer som krävs för att tillverka kretskortet för laddare/sändare enheten. Vänligen klicka här för att hämta den här filen
Kompletterande fil 3: gerber_electrodes.7z. Zip-arkiv med filer som krävs för att tillverka elektroderna. Vänligen klicka här för att hämta den här filen
Kompletterande fil 4: IMPLANTABLE_V2. X.Production.hex. Firmware för den implanterbara anordningen. Vänligen klicka här för att hämta den här filen
Kompletterande fil 5: IMPLANTABLE_V2_TRANSMITTER. X.Production.hex. Firmware för laddare/sändare enheten. Vänligen klicka här för att hämta den här filen
Kompletterande fil 6: bom_implantabledevice.csv. Bill av material (BOM)-fil som beskriver uppgiften av komponent värden till specifika komponenter på Kretskortet av den implanterbara anordningen. Vänligen klicka här för att hämta den här filen
Kompletterande fil 7: bom_transmitterdevice.csv. BOM-fil som beskriver uppgiften av komponent värden till specifika komponenter på Kretskortet för laddare/sändare enheten. Vänligen klicka här för att hämta den här filen
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Utformningen av den implanterbara anordningen bör främst inriktas på den totala storleken på enheten, uppnåbara stimulering profiler (maximal spänning, maximal slutprodukt ström, längd av pulser och puls frekvens). Största begränsningen hårdvara perspektiv är storlek och tillgången på lämpliga komponenter. För att minimera den totala storleken, är ytmontering komponenter att föredra på grund av deras kompakta förpackningar. Den bästa lösningen skulle vara att integrera nakna chip dör på substratet. Detta begränsas dock av båda tillgången på bare dö förpackningar alternativ för komponenter och tillgängligheten av tråd bindning teknik. Andra viktiga parametern är batteriet. Litiumbatterier är att föredra på grund av dess höga energitäthet. En nominell spänning på 3,7 V är också fördelaktigt. Den största fördelen med den presenterade hårdvara topologin är dess liten storlek och minsta invasivitet. Jämfört med den nuvarande lösningar7,8, presenterade lösningen är en magnitud som är mindre och kan planteras direkt till submucosa, utan behov av yttre leder och subkutan implantation av en neurostimulator.
Förutom själva hårdvaran, i framtiden måste ytterligare uppmärksamhet ges till enheten inneslutningen. Den första punkten är biokompatibilitet och hermeticity11 att undvika möjligt förkastande av implantatet. Den andra är fixering av enheten i submucosa att undvika oönskade migration av implantatet.
De viktigaste stegen under endoskopisk implantation är det fånga av enheten och dess placering i submukosala fickan. Begränsningen är storleken på fickan, som måste vara, från observationer, ungefär minst dubbelt så stor som enheten att implanteras. Nästa fråga är rätt orientering av implantatet inuti fickan. Med respekt för den tekniska svårigheten av endoskopisk förfarandet, är denna metod tillägnad experter med erfarenhet med tunnel dissektion eller peroral endoskopisk myotomy (dikt).
Nästa problematisk del är stängningen av fickan som är relativt svår använder över omfattning klippet. Men förhindrar användningen av denna typ av klipp migration och förkastande av enheten. Begränsningar av denna teknik från hårdvara synvinkel är med hårdvaran utveckling att löda med erforderlig noggrannhet. Enheten är utformad för att tåla under operationen och en kort tid efteråt. Således, med nuvarande inhägnad avsikten är inte att stanna längre tid inne i kroppen. Även är materialet i inneslutningen inte biokompatibla som utgör en hög risk för avstötning av implantatet vid en överlevnad experiment. Denna teknik kan utvecklas ytterligare, särskilt när det gäller utvecklingen av biokompatibel och hermetiska inhägnad som är nödvändig för överlevnad modell experiment. Nästa, funktionaliteten hos flera integrerade kretsar kan koncentreras till en enda ansökan specifik integrerad krets. Likaså kan mindre ytmontering komponenter användas för att göra enheten mer kompakt. Nästa möjliga riktningen av denna forskning kan leda till utveckling av nya endoskopi metoder för behandling av andra gastrointestinala sjukdomar såsom GERD, inkontinens eller sphincter dysfunktioner12.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Detta arbete var stöds av forskning projektet PROGRES-F28 och tilldelas av Charles University i Prag. Författarna tackar till Ass. Prof. Jan Martínek, Ph.D. och PIGMOD centrum.
Acknowledgments
Författarna förklarar att de har inga konkurrerande finansiella intressen.
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).
