应用高频低能量刺激可缓解胃动力障碍症状。本研究介绍了一种植入于黏膜下囊袋内、微型化、可经内镜植入且支持无线充电的装置。在活体猪的实验中，成功实现了双向通信与刺激控制。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
方法文章
可自主运行且可充电的微神经刺激器经内镜植入黏膜下层
* These authors contributed equally
本文内容
摘要
摘要
胃动力障碍可能是长期糖尿病等常见疾病的征兆。已知应用高频低能量刺激可有效调节和缓解胃动力障碍的症状。本研究的目标是开发一种微型、可通过内镜植入黏膜下层囊袋的装置。该植入式装置是一种完全定制的电子组件，专为在黏膜下层进行实验而设计。该装置配备有锂离子电池，可通过接收充电/发射线圈产生的交变磁场实现无线充电。上行通信在432 MHz的MedRadio频段实现。该装置通过内镜植入作为in vivo模型的活体家猪的黏膜下层囊袋中，具体位置为胃窦部。实验结果证实，所设计的装置可成功植入黏膜下层，并具备双向通信能力，且能够对肌肉组织进行双极刺激。
引言
胃动力障碍可能是多种相对常见疾病的征兆，例如胃轻瘫，该病通常表现为慢性进展过程，对患者的社会生活、工作能力及身体状况造成较为严重的影响。大多数胃轻瘫病例通常为糖尿病性或特发性，且常对现有药物治疗产生抵抗1。罹患此疾病的患者最常表现为恶心和反复呕吐。根据既往研究，已知应用高频低能量电刺激可有效调节并缓解胃动力障碍的症状1,2。
根据以往的研究，已证实高频胃电刺激可显著改善症状和胃排空3。研究还表明，下食管括约肌神经刺激疗法治疗胃食管反流病（GERD）安全有效，可减少酸暴露，无需使用每日质子泵抑制剂（PPI），且无刺激相关不良反应4。在开展人体试验之前，首先在动物模型（犬模型5）中进行了初步研究。这些研究表明，对下食管括约肌（LES）进行电刺激（20 Hz，脉宽3 ms）可引起LES的持续收缩5。在GERD患者中，也研究了高频（20 Hz，脉宽200 μs）和低频（6次/分钟，脉宽375 ms）电刺激对LES的类似作用。结果显示，高频和低频刺激均有效6。然而，目前市场上仅有的两种可....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
所有内窥镜操作（包括动物实验）均已获得捷克共和国利贝霍夫捷克科学院动物生理学与遗传学研究所（生物医学中心PIGMOD）的批准（项目名称：将无电池和有电池装置植入食管和胃黏膜下层的实验研究——实验性研究）。所有实验均符合捷克共和国第246/1992号法律"关于防止虐待动物的保护措施，经修订"。 发射装置无需灭菌，因为该装置为外部设备，不与动物直接接触。
1. 可植入设备设计
- 使用第三方PCB制造服务制备印刷电路板。完整的印刷电路板设计文件见补充文件 "gerber_implant.7z"。电路原理图见图1。
- 将PCB放置在平坦表面上（图2a）。使用带有0.6 mm针头和60 psi压力的焊膏分配器，手动将焊膏涂布到PCB的每个金属焊盘上。首先处理PCB的顶面（图2b）。PCB两面所用焊膏总量不应超过15 μL。
- 使用防静电镊子将所有元器件放置在PCB的顶层（图2e）。元器件位置请参考图3，元器件编号对应关系见补充文件 "bom_implantabledevice.csv&....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
图17 显示，胃神经刺激器通过内镜成功植入黏膜下层的囊袋中，且电极被正确放置于肌层。该装置的尺寸（图10）为 35 × 15 × 5 mm3，重量为 2.15 g。图17 还展示了装置的电路图，表明该装置由6个相互连接的不同模块组成。图3 展示了装置内部的印制电路板（PCB）布局及元器件排布。图18 显示，为将装置植入黏膜下层，采用了称为内镜下黏膜下囊袋（endoscopic submucosal pocket, ESP）9,10 的技术。刺激器被固定在靠近肌层（固有肌层）的位置，理论上这是最佳的刺激深度。创建黏膜下囊袋并通过内镜.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
植入式设备的设计应主要关注设备的整体尺寸、可实现的刺激参数（最大电压、最大输出电流、脉冲持续时间和脉冲频率）。从硬件角度来看，主要限制因素是元件的尺寸和可获得性。为了最小化整体尺寸，优先选用表面贴装元件，因其封装紧凑。最佳方案是将裸芯片直接集成在基板上。然而，这一方案受限于元件裸芯片封装选项的可获得性以及引线键合技术的可及性。第二个重要参数是电池。由于锂离子电池具有高能量密度，因此是首选。此外，其标称电压为3.7 V，具有优势。本方案硬件拓扑结构的主要优点是体积小、侵入性最小。与现有解决方案7,8相比，本方案体积显著减小，可直接植入黏膜下层，无需外部导线，也无需将神经刺激器植入皮下。
除了硬件本身外，未来还需特别关注设备外壳。第一点是生物相容性和密封性11，以避免植入物可能引起的排斥反应；第二点是将设备固定在黏膜下层，以防止植入物发生不必要的移位。
内镜下植入术中.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
本工作由布拉格查理大学资助的研究项目PROGRES-Q28支持。作者感谢助理教授Jan Martínek博士以及PIGMOD中心。
致谢
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 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 100 nF | TDK | CGA2B3X7R1H104K050BB | 7 件 |
| EIA 0402 陶瓷电容 100 pF | Murata Electronics | GRM1555C1H101JA01D | 1 个 |
| EIA 0402 厚膜电阻 10 kΩ | Vishay | CRCW040210K7FKED | 1 个 |
| EIA 0402 陶瓷电容 10 nF | 村田电子 | GRM155R71C103KA01D | 3 件 |
| EIA 0402 陶瓷电容器 10 pF | Murata Electronics | GJM1555C1H100JB01D | 3 件套 |
| EIA 0402 陶瓷电容 12 pF | 村田电子 | GJM1555C1H120JB01D | 2 件 |
| EIA 0402 陶瓷电容 18 pF | KEMET | C0402C180J3GACAUTO | 2 件 |
| EIA 0402 封装电阻 1 mΩΩ | Vishay | MCS04020C1004FE000 | 2 件 |
| EIA 0402 封装电阻 1 kΩΩ | Yageo | RC0402FR-071KL | 1 个 |
| EIA 0402 陶瓷电容 1 nF | 村田电子 | GRM1555C1H102JA01D | 3 件 |
| EIA 0603 陶瓷电容 2.2 uF | 村田电子 | GCM188R70J225KE22D | 2 件 |
| EIA 0402 电阻 220 kΩΩ | Vishay | CRCW0402220KJNED | 5 个 |
| 0805 22 μH 电感器 | TDK | MLZ2012N220LT000 | 1 个 |
| EIA 0402 电阻 330 kΩ | Vishay | CRCW0402330KFKED | 1 个 |
| EIA 0603 陶瓷电容器 4.7 μF | TDK | C1608X6S1C475K080AC | 1 个 |
| EIA 0402 封装电阻 470 Ω | Vishay | RCG0402470RJNED | 1 个 |
| EIA 0402 封装电阻 470 kΩΩ | Vishay | CRCW0402470KJNED | 1 个 |
| EIA 0603 电感器 470 nH | Murata Electronics | LQW18ANR47G00D | 1 个 |
| EIA 0402 封装电阻 47 kΩΩ | 村田电子 | CRCW040247K0JNED | 2 件 |
| 27.0000 MHz 晶体 5032 | AVX / 京瓷 | KC5032A27.0000CMGE00 | 1 个 |
| EIA 0402 电容 6.8 pF | 村田电子 | GJM1555C1H6R8CB01D | 1 个 |
| EIA 0402 电感器 82 nH | EPCOS / TDK | B82498F3471J | 1 个 |
| ABS05 32.768 kHz 晶体 | ABRACON | ABS05-32.768KHZ-T | 1 个 |
| CDBU00340-HF 肖特基二极管 | COMCHIP 技术 | CDBU00340-HF | 2 件 |
| CG-320S 锂离子 pinpoint 电池 | 松下 | CG-320S | 1 个 |
| HSMS282P 肖特基二极管整流器 | 博通 / 安华高 | HSMS-282P-TR1G | 1 个 |
| MAX8570 升压转换器 | Maxim Integrated | MAX8570EUT+T | 1 个 |
| MICRF113 射频发射器 | 微芯片技术 | MICRF113YM6-TR | 1 个 |
| 4.3 V 稳压二极管 | 安森美半导体 | MM3Z4V3ST1G | 1 个 |
| OPA237 运算放大器 | 德州仪器 | OPA237N | 1 个 |
| PIC16LF1783 8位微控制器 | 微芯片技术 | PIC16LF1783-I/ML | 1 个 |
| TPS70628 低压差稳压器 | 德州仪器 | TPS70628DBVT | 1 件 |
| EIA 1206 厚膜电阻 0 Ω | Yageo | RC1206JR-070RL | 2 件 |
| EIA 0603 厚膜电阻 0 Ω | Yageo | RC0603JR-070RL | 1 个 |
| EIA 0402 厚膜电阻 100 kΩ | Yageo | RC0402FR-07100KL | 1 个 |
| EIA 0603 厚膜电阻 100 kΩ | Yageo | RC0603FR-07100KL | 1 个 |
| EIA 0805 陶瓷电容 100 nF | KEMET | C0805C104K5RAC7210 | 2 件 |
| EIA 0402 厚膜电阻 10 kΩ | Yageo | RC0402JR-0710KL | 1 个 |
| EIA 1206 陶瓷电容 10 nF | 三星 | CL31B103KHFSW6E | 2 件 |
| EIA 0402 厚膜电阻 1 kΩ | Yageo | RC0402JR-071KL | 2 件 |
| EIA 0402 厚膜电阻 220 Ω | Yageo | RC0402JR-07220RL | 2 件 |
| EIA 0402 陶瓷电容 220 nF | TDK | C1005X5R1C224K050BB | 1 个 |
| EIA 1206 陶瓷电容 22 nF | TDK | C3216X7R2J223K130AA | 2 件 |
| SMC B型钽电容 22 μF | AVX | TPSB226K010T0700 | 1 个 |
| EIA 0402 厚膜电阻 27 Ω | Yageo | RC0402FR-0727RL | 2 件 |
| EIA 1206 厚膜电阻 3.3 Ω | Yageo | RC1206JR-073K3L | 3 件 |
| SOT23 3.3V 齐纳二极管 | 安森美半导体 | BZX84C3V3LT1G | 1 个 |
| SMC A型钽电容 4.7μF | KEMET | T491A475M016AT | 2 件 |
| EIA 0603 厚膜电阻 470 Ω | Yageo | RC0603JR-07470RL | 2 件 |
| EIA 1206 陶瓷电容 470 nF | KEMET | C1206C471J5GACTU | 3 件 |
| 电解电容 470 uF | Panasonic | EEE-1CA471UP | 3 件 |
| EIA 0402 陶瓷电容器 47 pF | AVX | 04025A470JAT2A | 2 件 |
| 0603 绿色发光二极管 | Lite-On Inc. | LTST-C191KGKT | 1 个 |
| 0603 红色发光二极管 | Lite-On Inc. | LTST-C191KRKT | 1 件 |
| 16 MHz CX3225 晶体 | EPSON | FA-238 16.0000MB-C3 | 1 个 |
| 0805 磁珠 | Wurth Electronics Inc. | 742792040 | 1 个 |
| IR2110SO 场效应管驱动器 | 英飞凌科技 | IR2110SPBF | 1 个 |
| FT230XS USB 转串口á升转换器 | FTDI Ltd. | FT230XS-R | 1 个 |
| Mini USB 接口 | EDAC 公司 | 690-005-299-043 | 1 件 |
| PIC16F1783 8位微控制器 | 微芯片技术 | PIC16F1783-I/ML | 1 件 |
| 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 | 意法半导体 | STPS3H100UF | 1 个 |
| SMB封装TVS二极管 | Littelfuse 公司 | 1KSMBJ6V8 | 1 个 |
| IRLZ44NPBF N沟道MOSFET | 英飞凌科技 | IRLZ44NPBF | 2 件 |
| RTL2832U 接收器加密狗 | EVOLVEO | 火星 | 1 个 |
| PICkit 3 | 微芯片技术 | PICkit 3 | 1 个 |
| Mini USB 转 USB A 数据线 | OEM | Mini USB 转 USB-A | 1 件 |
| 印刷电路板，植入式设备 | --- | 使用提供的补充文件进行制备 | 1 个 |
| 印刷电路板，发射器/接收器装置 | --- | 使用提供的补充文件进行制备 | 1 个 |
| 印刷电路板，可植入设备 | --- | 使用提供的补充文件进行制备 | 1 个 |
| AWG18导线 | Alpha Wire | 3055 BK001 | 2 m |
| AWG42 线缆 | Daburn Electronics | 2420/42 BK-100 | 1 m |
| Olympus GIFQ-160 | 奥林巴斯 | N/A（该部分已过时） | 1 个 |
| 一次性电外科刀，带 knob 形刀头及集成喷射功能 | Olympus | KD-655L | 1 个 |
| 一次性椭圆形电外科环切刀 | 奥林巴斯 | SD-210U-15 | 1 个 |
| 15.5 毫米遮光罩 | 富士胶片 | DH-28GR | 1 件 |
| 注射治疗用针式导管 | 波士顿科学公司 | 25G | 1 个 |
| 短吻鳄嘴式抓取钳 | 奥林巴斯 | FG-6L-1 | 1 个 |
| 5分钟快干环氧树脂混合胶 | Loctite | N/A | 1 个 |
| 热缩管，内径 9.5 mm | TE Connectivity | RNF-100-3/8-X-STK | 1 个 |
| ChipQuik 焊锡膏 | Chip Quik | SMD4300AX10 | 1 个 |
参考文献
- 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....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
