Summary
La aplicación de alta frecuencia energética bajo estimulación puede aliviar los síntomas de dismotilidad gástrica. En esta investigación, se presenta un dispositivo miniatura, endoscópicamente implantable y recargable sin cables que se implanta en un bolsillo submucosal. Éxito tanto-vías de comunicación y control del estímulo se lograron durante un experimento en el cerdo vivo.
Abstract
Dismotilidad gástrica puede ser un signo de enfermedades comunes como diabetes mellitus desde hace mucho tiempo. Es conocido que la aplicación de estimulación baja energética de alta frecuencia puede ayudar a con eficacia moderada y aliviar los síntomas de dismotilidad gástrica. El objetivo de la investigación fue el desarrollo de una miniatura, dispositivo implantable endoscópicamente un bolsillo submucosal. Dispositivo implantable es un paquete electrónico totalmente personalizado que fue diseñado específicamente para fines de experimentación en la submucosa. El dispositivo está equipado con una batería de iones de litio que puede recargarse sin cables por recibir un incidente campo magnético de la bobina de carga/transmisión. La comunicación de enlace ascendente se logra en una banda de MedRadio a 432 MHz. El dispositivo fue insertado endoscópicamente en el bolsillo submucosal del cerdo doméstico vivo usado como un modelo en vivo , específicamente en el antrum de estómago. El experimento confirmó que el dispositivo diseñado puede ser implantado en la submucosa y es capaz de comunicación bidireccional. El dispositivo puede realizar la estimulación bipolar del tejido muscular.
Introduction
Dismotilidad gástrica puede ser un signo de varias enfermedades relativamente comunes como gastroparesia, que generalmente se caracteriza por una evolución crónica e impone algo graves consecuencias sobre la situación social, laboral y física del paciente. Mayoría de los casos de gastroparesia suelen ser de origen idiopático o diabético y a menudo es resistente a la medicación disponible1. Pacientes afligidos con esta condición comúnmente presentan náuseas y repitieron vómitos. Basado en investigaciones anteriores, se sabe que la aplicación de estimulación eléctrica baja energética de alta frecuencia puede ayudar a moderar eficazmente y aliviar los síntomas de dismotilidad gástrica1,2.
Basado en estudios previos, se ha demostrado que la estimulación eléctrica gástrica alta frecuencia puede mejorar significativamente los síntomas y el vaciado gástrico3. También se ha demostrado que la terapia de neuroestimulador de esfínter esofágico inferior es seguro y efectivo para el tratamiento de la enfermedad por reflujo gastroesofágico (ERGE), reducir la exposición ácida y eliminar diariamente uso inhibidor (PPI) en la bomba de protones sin estímulo relacionado con efectos adversos4. Antes de los ensayos en humanos, se realizaron los primeros estudios en modelos animales (caninos modelos5). Basado en estos estudios, la estimulación eléctrica del esfínter esofágico inferior (LES, 20 Hz, ancho de pulso de 3 ms) causó una contracción prolongada de los LES5. Efectos similares de alto (20 Hz, ancho de pulso de 200 μs) y frecuencias bajas (6 ciclos/min, ancho de pulso de 375 ms) se investigaron la estimulación eléctrica en LES en los pacientes GERD. Alta y baja frecuencia estimulación eran eficaz6. Sin embargo, actualmente, hay solamente dos dispositivos de neuroestimulación para la estimulación gástrica o esofágica disponibles en el mercado7,8. En esos dispositivos, los electrodos se pueden implantar quirúrgicamente, laparoscópica o robótica. El dispositivo se implanta por vía subcutánea. Esto requiere anestesia general y tiene un dispositivo voluminoso instalado, utilizando catéteres intramusculares que permite la estimulación del tejido muscular gástrica o esofágica. Por lo tanto, la opción de usar un dispositivo sin cables de comunicación implantado en la capa submucosal gástrica representaría una ventaja definitiva y mejora en la comodidad del paciente. Como se indicó en la anterior investigación9,10, fue probado que es posible una implantación de un neuroestimulador miniatura en submucosa. Para la implantación endoscópica de la submucosa, utilizamos una técnica llamada endoscopic submucosal bolsillo (ESP), partiendo de la disección endoscópica submucosa túnel10. El objetivo de esta investigación es mejorar aún más este concepto de un neuroestimulador implantable, sobre todo en el ámbito de gestión de energía (específicamente la capacidad Recarga inalámbrica), de conformidad con las respectivas leyes y reglamentos para wireless enlaces de comunicación en dispositivos médicos implantables y posibilidad de neuroestimulación bipolar. A continuación, el microneurostimulator presentado es capaz de comunicación bidireccional y los parámetros de estimulación se pueden cambiar en tiempo real, incluso mientras el dispositivo se implanta.
Esta técnica es adecuada para los equipos con un endoscopista terapéutico experimentado en meter endoscópica o disecciones de túnel. A continuación, un hardware y software integrado de diseño con experimentan en la construcción de prototipos de hardware con microcontroladores y circuitos de radiofrecuencia utilizando tecnología de montaje superficial es necesaria. Para la construcción de los prototipos del hardware, es necesario un laboratorio equipado con una estación y equipo básico para mediciones eléctricas (al menos un multímetro digital, osciloscopio, analizador de espectro y PICkit3 programador) de soldadura por reflujo.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Todos los procedimientos endoscópicos incluyendo temas animal han sido aprobados en el Instituto de Fisiología Animal y genética, Academia de Ciencias Checa República (biomédica centro PIGMOD), Libechov, República Checa (experimentos del proyecto en la implantación de sin pilas y baterías en la submucosa del esófago y el estómago — estudio experimental). Todos los experimentos se realizan en cumplimiento de la legislación checa 246/1992 SB "sobre la protección de animales contra el maltrato, enmendada". Dispositivo transmisor no está obligado a ser esterilizado, ya que es un dispositivo externo que no está en contacto directo con el animal.
1. diseño de dispositivo implantable
- Preparar el PCB usando un PCB de terceros servicios de fabricación. El diseño de la placa de circuito impreso completa se proporciona en el archivo complementario de "gerber_implant.7z". El diagrama esquemático se proporciona en la figura 1.
- Colocar el PCB en una superficie plana (Figura 2a). Usar un dispensador de pasta de soldadura con aguja y 60 psi presión de 0,6 mm para distribuir manualmente la pasta en cada pad metálico en la placa. Comenzar con la parte superior de la placa (figura 2b). La cantidad total de pasta de soldadura en ambos lados del PCB no debe exceder 15 μL.
- Con un par de pinzas antiestáticas, coloque todos los componentes en la capa superior de la placa (figura 2e). Usar figura 3 posición de componentes y complementario archivo "bom_implantabledevice.csv" para la asignación de componentes a sus números.
- Usar una emisora de pistola de aire caliente de PCB a 260 ° C para soldar todos los componentes (figura 4a). Espere hasta que se derrita toda la pasta de soldadura, entonces guarde la pistola de aire caliente y deje que el fresco de la placa a temperatura ambiente.
- Voltee la placa y dispensar la pasta de soldadura en el otro lado. Use la misma aguja y la presión como se indica en 1.2 (Figura 2d).
- Como en el paso 1.3., coloque todos los componentes de la capa inferior de la PCB. Consulte la figura 3 para la posición del componente y el archivo complementario "bom_implantabledevice.csv" para la asignación de componentes a sus números.
- Repetir el calentamiento de la PCB con una pistola de aire caliente para soldar todos los componentes en la parte inferior. Utilice el mismo proceso como en el paso 1.4.
- Compruebe visualmente el PCB para cualquier corto circuito. Si se encuentra cualquier cortocircuito, elimínela con un soldador.
- Fabricación de la bobina de carga y comunicación inalámbrica. Uso 17 vueltas de cable AWG42. El tamaño de la bobina es 26 x 13,5 mm2 (figura 4 d). Tuerza los cables de dos salida.
- Diseño y fabricación del electrodo. El diseño de electrodo se suministra en el archivo complementario de "gerber_electrodes.7z". Utilice el mismo proceso de fabricación como en el paso 1.1. Este PCB es completado después de la fabricación, y no hay componentes se requieren para soldar sobre ella. La soldadura de dos alambres AWG42 los contactos rectangular pequeña (figura 4f)
- Preparar la antena con 7 cm de alambre esmaltado y raspar el esmalte de un extremo (Figura 4e) de 3 mm
- Conectar el programador PICkit 3 a la placa (Figura 4b-c)
- Conecte los pads 6 y 7, según la figura 5, a los pines 2 y 3 del programador PICkit, respectivamente.
- Conecte los pads TP1, TP2 y TP3 (véase figura 3) a los pines 1, 5 y 4 del programador PICkit, respectivamente
- Enchufe el programador PICkit 3 en el puerto USB de un ordenador con el software MPLAB IPE instalado.
- Ejecute el software de MPLAB IPE y programar el firmware en el microcontrolador.
- Ejecute la v3.61 MPLAB IPE. Seleccione "configuración | Modo avanzado"
- En el campo contraseña, introduzca la contraseña predeterminada es 'microchip'. Haga clic en "inicie sesión". Aparecerá una ficha con diferentes paneles de la izquierda.
- En la parte superior izquierda, haga clic en "Operar", luego en la parte media superior de la pantalla, haz clic en el "campo dispositivo" y escribe "PIC16LF1783". Haga clic en "Aplicar".
- Seleccione el panel de "Poder" de la izquierda (figura 6).
- Cambie el valor de la tensión VDD a 2.55. Este paso es vital.
PRECAUCIÓN: Este valor por encima de 2.8 V dañará el tablero (figura 7). - Haga clic en la casilla de verificación "Poder blanco circuito" de la "Herramienta" (figura 7).
- Haga clic en la pestaña "Operar" a la izquierda (figura 6).
- Haga clic en "Conectar".
- Descargar el archivo complementario "IMPLANTABLE_V2. X.Production.hex"y tenga en cuenta su ubicación en el disco duro. En el programa IPE, busque la línea de fuente y haga clic en el botón "Examinar" cerca de él (figura 8).
- Haga clic en el programa. Espere hasta que el software dice que el software se ha descargado con éxito al microcontrolador (figura 9).
- Desoldar los cables soldados a los topes de TP1, TP2 y TP3 (figura 3) así como de los cables soldados a los topes de 6 y 7 (figura 5).
- Conectar la PCB para todos los demás componentes eléctricos excepto la batería (figura 10a).
- La soldadura de la bobina de carga inalámbrica, comunicación a los topes de 2 y 3 según la figura 8. La polaridad no es importante.
- Conecte la antena para cojín 1 Figura5. Conecte los electrodos de PCB a pastillas Nº 4 y Nº 5 según figura 5. La polaridad no es importante.
- La soldadura de la batería CG-320 pastillas de 6 y 7 (figura 5). El terminal negativo de la batería se debe soldar en almohadilla de 7. Tenga cuidado al realizar los siguientes pasos. El dispositivo ahora se alimenta y es sensible a los cortocircuitos y el contacto con objetos metálicos.
- Para probar la funcionalidad de los circuitos de carga inalámbrica, deben ser completados todos los pasos en la parte 2. Después de eso, coloque el cargador/transmisor cerca del dispositivo. Utilice un multímetro para medir el voltaje de la batería. Si el voltaje de la batería está creciendo lentamente (varios mV / min), la función de carga está funcionando.
- La antena alrededor del dispositivo de viento en espiral (figura 10b)
- Corte un pedazo largo de 32 m m de una tubería termocontraíble con 9,5 mm de diámetro interior.
- Coloque la bobina en el PCB. Para la colocación correcta consulte la figura 7b .
- Poner la tubería termocontraíble sobre el dispositivo, la bobina y la antena. Solamente los electrodos deben sobresalir del tubo. Para la correcta colocación, consulte c Figura 7 .
- Calentar el tubo con una pistola de aire caliente a 150 ° C para reducir y luego dejar que se enfríe (figura 10D).
- Aplique pegamento de epoxy en el extremo izquierdo para sellar un lado de la tubería (figura 10e).
- El electrodo en la parte posterior del PCB con un tubo de pegamento. También pegue el otro extremo de la tubería. Consulte la figura 10f para su correcta colocación.
- Espere al menos 24 horas para el pegamento endurecer y curar completamente.
- Después de la terminación del dispositivo cargador/transmisor inalámbrico, prueba el dispositivo implantable para fugas de agua colocando en una columna alta de 30 cm de solución salina saturada durante 1 hora. Cualquier fuga principales puede ser identificado como una bajada brusca de la tensión de la batería o el mal funcionamiento del dispositivo causado por un cortocircuito de la electrónica de una solución salina. Después de la prueba, el dispositivo está totalmente preparado para ser implantado.
- Prueba de la función de estimulación del implante con un osciloscopio. Conecte dos electrodos de medición del osciloscopio a las lata metal plateado las almohadillas de contacto del electrodo en el dispositivo implantable. Observar el patrón de estimulación en la pantalla del osciloscopio. El patrón de la estimulación correcta se da en la figura 11.
2. cargador/transmisor diseño
- El diseño de PCB se encuentra en el archivo complementario "gerber_transmitter.7z". Utilice el mismo proceso de fabricación como para el dispositivo implantable. El diagrama esquemático se proporciona en la figura 12.
- Colocar el PCB en una superficie plana. Usar un dispensador de pasta de soldadura con aguja y 60 psi presión de 0,6 mm para distribuir manualmente la pasta en cada pad metálico en la placa. La cantidad total de pasta de soldadura dispensada en el PCB no debe exceder 50 μL.
- Con un par de pinzas antiestáticas, coloque todos los componentes en la capa superior de la PCB. Consulte la figura 13 para la posición del componente y el archivo complementario "bom_transmitterdevice.csv" para la asignación de componentes a sus números.
- Utilizar un PCB de aire caliente pistola de preselección de emisoras a 260 ° C para soldar todos los componentes. Espere hasta que se derrita toda la pasta de soldadura, guarde la pistola de aire caliente y permitir que la Junta se enfríe a temperatura ambiente.
- Repita los pasos 2.3-2.4 de la parte inferior del dispositivo. Seguir un procedimiento similar como durante la fabricación del dispositivo implantable.
- Crear una bobina con 3 vueltas de alambre AWG18 esmaltado (figura 14 c) y conectar a pastillas COIL1 y COIL2 (figura 13).
- Hacer un disipador de aluminio para los transistores de potencia (figura 13, Q1 y Q2). La forma exacta del disipador de calor no es importante. Una de las encarnaciones posibles se muestra en la figura 9 d. En este caso, el disipador de calor también forma un recinto para el dispositivo.
- Conecte el programador PICkit 3 PCB montado. Conecte los pads TP1 a TP5 (figura 13) con pernos de 1 a 5 del programador PICkit, respectivamente.
- Enchufe el programador PICkit 3 en el puerto USB de un ordenador con el software MPLAB IPE instalado.
-
Ejecute el software de MPLAB IPE y programar el firmware en el microcontrolador. El proceso es el mismo que el dispositivo implantable, excepto el voltaje VDD y el archivo subido.
- Ejecute la v3.61 MPLAB IPE. Seleccione "configuración | Modo avanzado".
- En el cuadro contraseña, introduzca la contraseña predeterminada es 'microchip'. Haga clic en "Iniciar sesión". Aparecerá una ficha con diferentes paneles de la izquierda.
- En la parte superior izquierda, haga clic en "Operar", luego en la parte media superior de la pantalla, haga clic en el "Dispositivo" y el tipo de "PIC16LF1783". Haga clic en "Aplicar".
- Panel de "Poder" a la izquierda
- Cambie el valor de la tensión VDD a 3.3.
- Haga clic en la casilla de verificación "Poder blanco circuito" de la "Herramienta".
- Haga clic en la pestaña "Operar" a la izquierda.
- Haga clic en "Conectar".
- Descargar el archivo complementario "IMPLANTABLE_V2_TRANSMITTER. X.Production.hex"y tenga en cuenta su ubicación en el disco duro. En el programa IPE, busque la línea de fuente y haga clic en el botón "Examinar" cerca de él.
- Haga clic en "Programa". Espere hasta que el software dice que el software fue descargado en el microcontrolador con éxito.
- Desoldar los cables soldados a los topes de TP1 a TP5
- Conecte una fuente de alimentación de 12 V a los botones V - y V + (figura 5). El terminal negativo debe ser conectada a la plataforma de V.
- Enchufe mini-USB para cable USB-A la X1 (figura 5) del conector y conectar a un ordenador con masilla software pre-instalado.
-
Abra el software PuTTY y configurarlo (figura 15).
- Abra el software PuTTY. Seleccione "Serial" como tipo de conexión.
- Escriba COMx como una línea Serial, donde x es el número del puerto COM del dispositivo. Si ningún otro dispositivo de puerto de COM se instaló, este número será 1.
- Escriba "38400" como velocidad. Haga clic en "Abrir". El dispositivo del cargador/transmisor está ahora listo para ser utilizado. H tecla de ayuda.
3. implantación endoscópica
-
Utilice un cerdo mini vivo como modelo en vivo , adulto (8-36 meses), 20-30 kg de peso.
- Que el cerdo rápido durante 24 h antes del procedimiento.
- Permiten líquidos claros ad libitum.
- Administrar tiletamina intramuscular (2 mg/kg), zolazepam (2 mg/kg) y ketamina (11 mg/kg) como una premedicación.
- Aplique tiopental intravenoso ad effectum (solución al 5%) y anestesia inhalatoria con isoflurano, N2O y la inyección de propofol. Anestesia adecuada es confirmada por reflejos y tono muscular, posición del ojo, reflejo palpebral y el reflejo pupilar. Continuamente se vigilan la circulación, oxigenación, ventilación y temperatura corporal.
- Para llevar a cabo la implantación y visualización, usar un endoscopio modelo animal dedicado. Insertar utilizando la forma estándar en el modelo en vivo .
- Sujete el dispositivo externamente con una trampa. Después de eso, introduzca en el estómago, luego suéltela.
- Extraer el endoscopio, equiparlo con un casquillo de disección (15,5 mm) y luego vuelva a insertarla hasta el estómago.
- Con el fin de implantar el dispositivo a la submucosa, aplique solución salina mezclada con azul de metileno en la capa submucosa usando un catéter de aguja de la terapia de inyección (25 G).
- Hacer una incisión horizontal para crear una abertura en la submucosa usando un cuchillo electrosurgical con una punta en forma de perilla.
- Con el tapón puesto, introduzca la tapa en el espacio recién creado y con el uso de un cuchillo electrosurgical, continuar interrumpiendo, dilatación y disección de la capa submucosa, creando un bolsillo lo suficientemente grande bastante para introducir el dispositivo de estimulación.
- Sujete el dispositivo que es mentira libremente dentro del estómago con bucles inserción y extracción y usando fórceps de agarre, navegar en el bolsillo submucosal. Coloque los electrodos de estimulación en contacto con la propria de los muscularis usando fórceps de agarre.
- Utilice un sobre el alcance del clip para asegurar el dispositivo en su lugar dentro de la submucosa del bolsillo y evitar cualquier migración o desalojo.
4. experimento: Después de la implantación
- Después de éxito de la implantación, coloque la bobina del cargador/transmisor en proximidad del dispositivo implantado.
- Conecte el dongle de RTL2832 en la PC.
-
Ejecute el software HDSDR y ajustar la frecuencia central a 432 MHz.
- Abra el software HDSDR (figura 15) para la correcta configuración y masilla (figura 16). En el software HDSDR, haga clic en "opciones | Seleccionar entrada | ExtIO".
- Seleccione ancho de banda — "960000". Seleccione la frecuencia LO que 431,95 MHz. Seleccione la frecuencia de sintonía a 432,00 MHz.
- Transmitir una secuencia codificada de Manchester del cargador/transmisor presionando la tecla R en el terminal de PuTTY y recibir la respuesta OOK modulada del implante por la observación de la ventana principal de HDSDR ( figura 17e-f).
5. eutanasia después del experimento
- Usar una sobredosis de anestésica para eutanasia (dosis letal de tiopental y KCl).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
La figura 17 muestra que una colocación endoscópica de neuroestimulador gástrico en un bolsillo en la submucosa, así como la colocación correcta de los electrodos a la capa muscular fue exitosa. Las dimensiones del aparato (figura 10) son 35 x 15 x 5 mm3 , mientras que el peso es de 2.15 g. figura 17 muestra el diagrama del circuito del dispositivo muestra que el dispositivo se compone de 6 módulos diferentes que están conectados juntos. La figura 3 muestra la colocación de PCB diseño y componentes en el dispositivo. Figura 18 muestra que para implantar el dispositivo en la capa submucosa, se utilizó una técnica llamada un bolsillo submucosal endoscópica9,10 (ESP). El estimulador fue unido cerca de la capa muscular (muscularis propria) donde es teóricamente la profundidad óptima estimulación. Crear el bolsillo submucosal e implantación de neuroestimulador gástrico endoscópicamente toman 20-30 min. Durante este procedimiento, no hay ninguna complicación durante tales como perforación o hemorragia severa. No se pudo determinar la migración del dispositivo en el estómago porque el experimento fue la no supervivencia. Después de la implantación, enlace de comunicación bidireccional con el dispositivo implantable se estableció con un dispositivo externo que se muestra en la figura 14. La distancia aproximada entre la bobina del cargador/programador y el implante era de 10 cm. La relación de (SNR) señal a ruido alcanzada con receptor de RTL2832 base-radio definida por software-(SDR) fue más de 40 dB.
Figura 1 : Diagrama esquemático del dispositivo implantable. La figura muestra cómo los diferentes componentes y piezas del circuito están conectadas en el dispositivo implantable. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2 : Fabricación de dispositivo implantable - Asamblea de PCB de. (un) PCB, vista superior. (b) soldadura de pasta aplicada a la capa superior. condensador (c) un ejemplo de colocación de la mano de 0402. (d) soldadura pasta aplicada a la capa inferior. (e) totalmente había poblada parte del PCB. (f) completamente poblada parte del PCB haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3 : Diseño de los dispositivos implantables. (una) capa superior de cobre del PCB. (b) nombres de componentes en la capa superior. (c) Cobre fondo capa del PCB. (d) nombres de componentes en la capa inferior. Foto de (e) compuesto de todas las capas PCB haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4 : Fabricación de dispositivo implantable : preparación de otras partes. (a) flujo de aire caliente de la parte inferior de la PCB. (b) programación de alambres soldados a la PCB. (c) PCB conectado al programador. bobina de carga (d) inalámbrico. (e) 432 MHz antena. (f) estimulación de electrodos con dos cables haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5 : Colocación conjunta soldadura recomendada para los componentes externos del dispositivo implantable. Muestra de la imagen donde se deben soldar la bobina, antena, batería y electrodos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6 : Establecer una conexión con el dispositivo implantable — ajustes importantes mencionadas en el texto están marcadas con flechas rojas. Esta foto es desde el software de MPLAB IPE, una pantalla que muestra cómo determinar que el microcontrolador dentro del dispositivo implantable está comunicando correctamente con el programador PICkit es proporcionada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7 : Configuración del software utilizado para la programación de la energía — ajustes importantes mencionadas en el texto están marcadas con flechas rojas. Se trata de imagen desde el software de MPLAB IPE. Muestra cómo alimentar correctamente el dispositivo implantable para la programación de haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8 : Elegir un archivo de programación correcto para el dispositivo implantable. La imagen muestra que botón pulsar para cargar el archivo .hex complementario correctamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 9 : Proceso de programar el firmware en el dispositivo implantable. La imagen muestra que botón pulsar para programar el software en el dispositivo implantable. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 10 : Fabricación de dispositivo implantable, montaje final. (un) inalámbrico carga bobina, electrodos de estimulación y antena soldada a la placa, junto con la batería. implante (b) apilados. tubo (c) transparente termocontraíble sobre el PCB. (d) que encoge de la tubería con aire caliente. (e) tubería totalmente shrinked y extremos pegados. (f) finalizado el dispositivo implantable haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 11 : Patrón de estimulación de salida típica del dispositivo como se muestra en el osciloscopio DSOX1102G. Después de la programación del dispositivo implantable, soldadura de los electrodos y la batería, patrón de la estimulación de salida similar a la mostrada en la figura debe aparecer en los electrodos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 12 : Diagrama esquemático del dispositivo cargador/transmisor inalámbrico. La figura es analógica a la figura 1. Se muestra aquí es el funcionamiento interno del dispositivo cargador/transmisor inalámbrico haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 13 : Diseño del dispositivo cargador/transmisor. (una) capa superior de cobre del PCB. (b) nombres de componentes en la capa superior. (c) Cobre fondo capa del PCB. (d) nombres de componentes en la capa inferior. Foto de (e) compuesto de todas las capas PCB haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 14 : Fabricación del dispositivo cargador transmisor. (un) PCB terminado, lado superior (b) completado parte del PCB (c) diseño mecánico de la encarnación posible una bobina (d) de transmisor/cargador inalámbrico del dispositivo transmisor cargador finalizado por favor, haga clic en aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 15 : Corregir la configuración del software HDSDR. El software HDSDR se utiliza junto con el RTL2832U basado USB dongle de recibir como un analizador de espectro para visualizar el espectro de radio. En este caso, se utiliza para recibir la respuesta del implante transmitido en aproximadamente 432 MHz. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 16 : Corregir la configuración del software PuTTY. El software masilla se utiliza para la comunicación con el dispositivo del cargador/transmisor. Debe estar correctamente configurado para mostrar la corrección de los datos al usuario. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 17 : Endoscopical implantación de dispositivo implantable y comprobar si funciona. (a) en vivo modelo en animal unidad endoscópica. manera (b) inserción del endoscopio por el estándar en el modelo en vivo . (c) implantables prototipo de dispositivo atrapado por una trampa. (d) proceso de establecimiento de enlace inalámbrico bidireccional con el dispositivo implantable. (e) HDSDR software. (f) detalle de OOK modulado datos transmitidos por el implante. (g) rayos x, control de posición del dispositivo. (h) radiografía exploración de la zona de implante, el dispositivo así como sobre el clip de alcance es claramente visible. () detallada vista de dispositivo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 18 : Vista de la implantación del dispositivo y la técnica endoscópica. (a) inyección submucosa con azul de metileno. (b) incisión Submucosal (una entrada para la formación de bolsillo submucoso). (c) Tunnelisation de bolsillo submucosal. (d-f) Interrumpir, dilatación y disección de la capa submucosal. (g, h) Implantación del dispositivo. () cerrar la entrada con sobre el clip de alcance. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
1 archivo complementario: gerber_implant.7z. Archivo zip con los archivos necesarios para la fabricación de la placa de circuito impreso del dispositivo implantable. Por favor haga clic aquí para descargar este archivo
2 archivo complementario: gerber_transmitter.7z. Archivo zip con los archivos necesarios para la fabricación de la placa de circuito impreso del dispositivo cargador/transmisor. Por favor haga clic aquí para descargar este archivo
3 archivo complementario: gerber_electrodes.7z. Archivo zip con los archivos necesarios para la fabricación de los electrodos. Por favor haga clic aquí para descargar este archivo
Archivo adicional 4: IMPLANTABLE_V2. X.Production.hex. Firmware para el dispositivo implantable. Por favor haga clic aquí para descargar este archivo
Archivo complementario 5: IMPLANTABLE_V2_TRANSMITTER. X.Production.hex. Firmware para el dispositivo del cargador/transmisor. Por favor haga clic aquí para descargar este archivo
6 archivo complementario: bom_implantabledevice.csv. Proyecto de ley del archivo del material (BOM) que describe la asignación de valores de los componentes a componentes específicos en la placa del dispositivo implantable. Por favor haga clic aquí para descargar este archivo
7 de archivo adicional: bom_transmitterdevice.csv. Archivo de lista de materiales que describe la asignación de valores de los componentes a componentes específicos en la placa del dispositivo cargador/transmisor. Por favor haga clic aquí para descargar este archivo
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
El diseño de los dispositivos implantables debe centrarse principalmente en el tamaño total del dispositivo, perfiles de estimulación puede lograr (voltaje máximo, corriente máxima entrega, duración de los pulsos y la frecuencia del pulso). La principal limitación desde el punto de vista de hardware es el tamaño y la disponibilidad de componentes adecuados. Para minimizar el tamaño, componentes superficiales del montaje son preferibles debido a su empaque compacto. La mejor solución sería integrar el chip desnudo muere en el substrato. Sin embargo, esto está limitado por tanto la disponibilidad de opción de empaquetado morir desnudo para los componentes y la accesibilidad del alambre la tecnología de la vinculación. Segundo parámetro importante es la batería. Las baterías de litio son preferibles debido a su alta densidad de energía. También, el voltaje nominal de 3.7 V es beneficioso. La mayor ventaja de la topología de hardware presentado es su pequeño tamaño y mínima invasión. En comparación con las actuales soluciones7,8, la solución presentada es una magnitud más pequeña y puede ser implantada directamente en la submucosa, sin necesidad de cables externos e implantación subcutánea del neuroestimulador.
Excepto el hardware sí mismo, en el futuro, más atención debe prestarse al recinto del dispositivo. El primer punto es la biocompatibilidad y hermeticidad11 para evitar el posible rechazo del implante. La otra es la fijación del dispositivo en la submucosa para evitar la migración no deseada del implante.
Los pasos más críticos durante la implantación endoscópica es la captura del dispositivo y su colocación en el bolsillo submucosal. La limitación es el tamaño de bolsillo, que debe ser, de las observaciones, aproximadamente por lo menos dos veces tan grande como el dispositivo que se implanta. Próxima edición es la orientación correcta del implante dentro del bolsillo. Con el respeto a la dificultad técnica del procedimiento endoscópico, este método está dedicado a expertos con experiencia con disección del túnel o la miotomía endoscópica peroral (poema).
La siguiente parte de la problemática es el cierre del bolsillo que es relativamente difícil usando el clip de alcance. Sin embargo, el uso de este tipo de clip impide la migración y el rechazo del aparato. Limitaciones de esta técnica desde el punto de vista de hardware incluyen el equipo de desarrollo de hardware para la soldadura con la exactitud requerida. El dispositivo está diseñado para soportar durante la cirugía y poco tiempo después. Así, con el actual recinto, no está diseñado para alojarte durante periodos prolongados de tiempo dentro del cuerpo. Además, el material de la caja no es biocompatible lo que representa un alto riesgo de rechazo del implante en el caso de un experimento de supervivencia. Esta técnica puede desarrollarse, especialmente en el desarrollo de recinto hermético y biocompatible que es esencial para los experimentos de modelo de supervivencia. A continuación, la funcionalidad de varios circuitos integrados puede concentrarse en un circuito integrado de aplicación específica. Del mismo modo, componentes de montaje superficial más pequeños pueden utilizarse para hacer que el dispositivo más compacto. La siguiente dirección posible de esta investigación puede conducir al desarrollo de nuevos métodos endoscopical para el tratamiento de otras enfermedades gastrointestinales como GERD, incontinencia o disfunción de esfínter12.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Este trabajo fue apoyado por el proyecto de investigación PROGRES-Q28 y otorgado por la Universidad de Charles en Praga. Los autores agradecen a culo. Centro Prof. Jan Martínek, pH.d. y PIGMOD.
Acknowledgments
Los autores declaran que no tienen intereses financieros que compiten.
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).
