自主和可充电 Microneurostimulator 内窥镜植入黏膜下层

Jan Hajer; Marek Novák

doi:10.3791/57268

方法文章

自主和可充电 Microneurostimulator 内窥镜植入黏膜下层

DOI：

10.3791/57268

⸱

2018年9月27日

Jan Hajer^*¹^,² , Marek Novák^*³

¹2nd Department of Internal Medicine, Third Faculty of Medicine, Charles University, Prague, Czech Republic, ²2nd Department of Internal Medicine, University Hospital Královské Vinohrady, Prague, Czech Republic, ³Czech Technical University in Prague, Czech Republic

^* These authors contributed equally

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

高频低能量刺激的应用可以缓解胃动力障碍的症状。在这项研究中, 提出了一个微型, 内窥镜植入和无线可充电装置, 植入到黏膜下口袋里。成功的双向沟通和刺激控制是在生猪实验中取得的。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

胃动力障碍可能是常见疾病的标志, 如长期糖尿病。应用高频低能量刺激可有效缓解胃动力障碍的症状, 提高其效果。研究的目的是开发一个微型的, 内窥镜植入装置的黏膜下口袋。植入装置是一种完全定制的电子封装, 专门为黏膜下层的实验目的而设计。该装置装有锂离子电池, 可通过接收来自充电/发射线圈的入射磁场来无线充电。上行通信以 432 MHz 的 MedRadio 波段实现。该装置被内窥镜插入到一个活体猪的黏膜下袋中, 用作体内模型, 特别是胃窦。实验证实, 所设计的装置可植入黏膜下层, 具有双向通信能力。该装置可对肌肉组织进行双极刺激。

引言

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

胃动力障碍可以是一些比较常见的疾病, 如胃轻瘫的迹象, 这通常是慢性进展的特点, 并对患者的社会、工作和身体状况施加相当严重的后果。大多数的胃轻瘫病例通常是糖尿病或特发性的起源, 通常对现有药物有抗药性¹。患者患有这种情况最常见的是恶心和反复呕吐。在前人研究的基础上, 应用高频低能量电刺激可以有效缓解和减轻胃动力障碍¹^、²的症状。

在前人研究的基础上, 证明高频胃电刺激可显著改善胃排空障碍³。结果表明, 下食管括约肌神经刺激器治疗胃食管反流病 (食管逆流), 减少酸暴露, 消除每日质子泵抑制剂 (PPI) 的使用是安全有效的, 无需刺激相关不良反应⁴。在人类试验之前, 第一项研究是在动物模型 (犬模型⁵) 上进行的。根据这些研究, 电刺激下食管括约肌 (les, 20 赫兹, 脉宽3毫秒) 造成了长期收缩的 LES⁵。研究了胃食管反流病患者高 (20 赫兹、脉宽200微秒) 和低 (6 转/分、脉宽375毫秒) 电刺激对 LES 的相似效应。高、低频刺激均有效⁶。然而, 目前,....

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方案

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

所有内镜手术, 包括动物实验都已在捷克共和国 PIGMOD 动物生理学和遗传学研究所 (生物医学中心, Libechov, 捷克共和国) 批准 (在植入的项目实验无电池和电池设备进入黏膜下层的食管和胃实验研究)。所有的实验都是遵照捷克法律246/1992 某人 "关于保护动物免受虐待, 经修订"。发射机设备不需要被灭菌, 因为它是一个外部设备, 是不与动物直接接触。

1. 植入装置设计

使用第三方 pcb 制造服务准备 pcb。完整的印制电路板设计在补充文件 "gerber_implant 7 z" 中提供。图 1提供了原理图。
将 pcb 放在平坦的表面上 (图 2a)。使用带有0.6 毫米针和 60 psi 压力的焊锡膏分配器手动将焊锡膏放到 PCB 上的每个金属垫上。从 PCB 的顶部开始 (图 2b)。PCB 两侧焊锡膏的总用量不应超过 15 ul。
用一对抗静电镊子, 将所有组件放在 PCB 的顶层 (图 2e)。对于组件位置和辅助文件 "bom_implantabledevice", 请使用图 3将组件分配给其....

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结果

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

图 17显示, 内镜下放置胃神经刺激器到黏膜下层的口袋里, 以及正确放置电极到肌肉层是成功的。设备的尺寸 (图 10) 为 35 x 15 x 5 毫米³ , 而重量为 2.15 g.图 17显示了设备的电路图, 表明该设备包括6个不同模块, 它们连接在一起。图 3显示了设备中的 PCB 布局和组件放置。图 18显示, 为了将该设备植入黏膜下层, 采用了一种称为内镜黏膜下口袋⁹^,¹⁰ (ESP) 的技术。刺激器被附加在肌肉层附近 (肌固有), 在理论上它是最佳的刺激深度。创建黏膜下袋和植入胃神经刺激器内窥镜采取20–30分钟。在此过.......

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讨论

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

植入装置的设计应主要关注设备的整体尺寸、可实现的刺激外形 (最大电压、最大可交付电流、脉冲长度和脉冲频率)。从硬件角度来看, 主要的限制是适当组件的大小和可用性。为了最小化整体尺寸, 表面贴装组件是首选, 因为其紧凑的包装。最好的解决方案是将裸芯片模具集成到基板上。然而, 这是有限的可用的裸模具包装选项的组件和可访问性的电线粘合技术。第二个重要参数是电池。锂电池是首选, 因为它的高能量密度。另外, 标称电压为 3.7 V 是有益的。所提出的硬件拓扑的主要优点是其体积小、侵入性最小。与目前的解决方案⁷^,⁸, 提出的解决方案是一个规模较小, 可以直接植入黏膜下层, 不需要外部线索和皮下植入的神经刺激器。

除了硬件本身, 将来还需要对设备机箱进行额外的注意。第一个问题是生物相容性和雷达军¹¹ , 以避免可能的排斥植入物。另一种是在黏膜下层固定装置, 以避免植入物的不必要迁移。

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披露

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

这项工作得到了 PROGRES-Q28 研究项目的支持, 并获得了布拉格查尔斯大学的奖项。作者感谢驴子。教授 1月 Martínek, 博士和 PIGMOD 中心。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者声明他们没有竞争的财政利益。

....

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材料

本文使用的材料清单
姓名	公司	目录编号	评论
EIA 0402 陶瓷电容器 1.8 pF	AVX	04025U1R8BAT2A	1 个
EIA 0402 陶瓷电容器 100 nF	TDK	CGA2B3X7R1H104K050BB	7 个EIA
0402 陶瓷电容器 100 pF	村田电子	GRM1555C1H101JA01D	1 个
EIA 0402 厚膜电阻器 10 kΩ	Vishay	CRCW040210K7FKED	1 pc
EIA 0402 陶瓷电容器 10 nF	Murata Electronics	GRM155R71C103KA01D	3 pcs
EIA 0402 陶瓷电容器 10 pF	Murata Electronics	GJM1555C1H100JB01D	3 pc
EIA 0402 陶瓷电容器 12 pF	Murata Electronics	GJM1555C1H120JB01D	2 pcs
EIA 0402 陶瓷电容器 18 pF	KEMET	C0402C180J3GACAUTO	2 个
EIA 0402 电阻器 1 mΩ	Vishay	MCS04020C1004FE000	2 pcs
EIA 0402 电阻器 1 kΩ	Yageo	RC0402FR-071KL	1个
EIA 0402陶瓷电容器 1 nF	村田电子	GRM1555C1H102JA01D	3
EIA 0603陶瓷电容器 2.2 uF	村田电子	GCM188R70J225KE22D	2个
EIA 0402电阻器 220 kΩ	Vishay	CRCW0402220KJNED	5 pcs
0805 22 uH 电感	TDK	MLZ2012N220LT000	1 pc
EIA 0402 电阻器 330 kΩ	Vishay	CRCW0402330KFKED	1 个
EIA 0603 陶瓷电容器 4.7 uF	TDK	C1608X6S1C475K080AC	1 个
EIA 0402 电阻器 470 Ω	Vishay	RCG0402470RJNED	1 pc
EIA 0402 电阻器 470 kΩ	Vishay	CRCW0402470KJNED	1 pc
EIA 0603 电感器 470 nH	Murata Electronics	LQW18ANR47G00D	1 pc
EIA 0402 电阻器 47 kΩ	村田电子	CRCW040247K0JNED	2 件
27.0000 MHz 晶体 5032	AVX / 京瓷	KC5032A27.0000CMGE00	1 件
EIA 0402 电容器 6.8 pF	村田电子	GJM1555C1H6R8CB01D	1 件
EIA 0402 电感器 82 nH	EPCOS / TDK		1 件
ABS05 32.768 kHz 晶体	ABRACON ABS05-32.768KHZ-T		1 件
CDBU00340-HF 肖特基二极管	COMCHIP 技术	CDBU00340-HF	2 个
CG-320S 锂离子精确电池	Panasonic	CG-320S	1 个
HSMS282P肖特基二极管整流器	Broadcom / Avago	HSMS-282P-TR1G	1 个
MAX8570升压转换器	Maxim Integrated	MAX8570EUT+T	1 个
MICRF113射频发射器	Microchip Technology	MICRF113YM6-TR	1 个
4.3 V 齐纳二极管	ON Semiconductor	MM3Z4V3ST1G	1 个
OPA237 运算放大器	德州仪器	OPA237N	1 个
PIC16LF1783 8 位微控制器	Microchip Technology	PIC16LF1783-I/ML	1 个
TPS70628低压降稳压器	德州仪器	TPS70628DBVT	1 个
EIA 1206 厚膜电阻器 0 Ω	Yageo	RC1206JR-070RL	2 pcs
EIA 0603 厚膜电阻器 0 Ω	Yageo	RC0603JR-070RL	1 pc
EIA 0402 厚膜电阻器 100 kΩ	Yageo	RC0402FR-07100KL	1 pc
EIA 0603 厚膜电阻器 100 kΩ	Yageo	RC0603FR-07100KL	1 pc
EIA 0805 陶瓷电容器 100 nF	KEMET	C0805C104K5RAC7210	2 pcs
EIA 0402 厚膜电阻器 10 kΩ	Yageo	RC0402JR-0710KL	1 pc
EIA 1206 陶瓷电容器 10 nF	Samsung	CL31B103KHFSW6E	2 pcs
EIA 0402 厚膜电阻器 1 kΩ	Yageo	RC0402JR-071KL	2 个
EIA 0402 厚膜电阻器 220 Ω	Yageo	RC0402JR-07220RL	2 pcs
EIA 0402 陶瓷电容器 220 nF	TDK	C1005X5R1C224K050BB	1 pc
EIA 1206 陶瓷电容器 22 nF	TDK	C3216X7R2J223K130AA	2 pcs
SMC B 钽电容器 22 uF	AVX	TPSB226K010T0700	1 个
EIA 0402 厚膜电阻器 27 Ω	Yageo	RC0402FR-0727RL	2 pcs
EIA 1206 厚膜电阻器 3.3 Ω	Yageo	RC1206JR-073K3L	3 pcs
SOT23 3.3V zener diod	ON Semiconductor	BZX84C3V3LT1G	1 pc
SMC A 钽电容器 4.7uF	KEMET	T491A475M016AT	2 pcs
EIA 0603 厚膜电阻器 470 Ω	Yageo	RC0603JR-07470RL	2 件
EIA 1206 陶瓷电容器 470 nF	KEMET	C1206C471J5GACTU	3 件电解
电容器 470 uF	松下	EEE-1CA471UP	3 件
EIA 0402 陶瓷电容器 47 pF	AVX	04025A470JAT2A	2 件
0603 绿色 LED	Lite-On Inc.	LTST-C191KGKT	1 pc
0603 RED LED	Lite-On Inc.	LTST-C191KRKT	1 pc
16 MHz CX3225 晶体	EPSON	FA-238 16.0000MB-C3	1 pc
0805 铁氧体磁珠	Wurth Electronics Inc.	742792040	1 个
IR2110SO FET 驱动器	Infineon Technologies	IR2110SPBF	1 个
FT230XS USB 驱动器，用于存储;l 转换器	FTDI Ltd.	FT230XS-R	1 个
Mini USB 连接器	EDAC Inc.	690-005-299-043	1 个
PIC16F1783 8 位微控制器	Microchip Technology	PIC16F1783-I/ML	1 个
REG1117 3.3 V 稳压器 SOT223	德州仪器	REG1117-3.3/2K5	1 个
肖特基 SMB 二极管整流器	STMicroelectronics	STPS3H100UF	1 个
SMB 封装 TVS 二极管	Littelfuse Inc.	1KSMBJ6V8	1 个
IRLZ44NPBF N 沟道 MOSFET	英飞凌科技	IRLZ44NPBF	2 个
RTL2832U接收器加密狗	EVOLVEO	Mars	1 个
PICkit 3 个 Microchip	Technology	PICkit 3	1 个
迷你 USB 转 USB A 电缆	OEM	迷你 USB 转 USB-A	1 个
印刷电路板、植入式设备	---	使用提供的补充文件进行制造	1 个
印刷电路板、发射器/接收器设备	---	使用提供的补充文件进行制造	1 个
印刷电路板、植入式设备	---	使用提供的补充文件进行制造	1 个
AWG18 线	Alpha Wire	3055 BK001	2 m
AWG42 线	Daburn电子元件	2420/42 BK-100	1 m
奥林巴斯 GIFQ-160	奥林巴斯	N/A（部件已过时）	1 个
使用电刀，带旋钮形尖端和集成喷射功能	奥林巴斯	KD-655L	1 个
一次性使用椭圆形电外科圈套器	奥林巴斯	SD-210U-15	1 个
15.5 毫米镜头遮光罩	FujiFilm	DH-28GR	1 个
注射治疗针导管	波士顿科学	25G	1 个
鳄鱼法抓钳	奥林巴斯	FG-6L-1	1 个
即时混合 5 分钟环氧树脂	乐泰	N/A	1 个
热缩管，内径 9.5 毫米	TE Connectivity	RNF-100-3/8-X-STK	1 个
ChipQuik 焊膏	Chip Quik	SMD4300AX10	1 个

个器 B82498F3471J 一次性

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 elec....

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