Summary
Anvendelsen av høyfrekvente lav-energiske stimulering kan lindre symptomene på mage dysmotility. I denne forskningen vises en miniatyr, vanndampsteri implanterbare og trådløst oppladbare enhet som er implantert i en submucosal lomme. Vellykket toveis kommunikasjon og stimulering kontroll ble oppnådd under et eksperiment på live gris.
Abstract
Mage dysmotility kan være et tegn på vanlige sykdommer som langvarig diabetes mellitus. Det er kjent at anvendelsen av høyfrekvente lav-energiske stimulering kan bidra effektivt moderat og lindre symptomene på mage dysmotility. Målet med forskningen var utviklingen av en miniatyr, vanndampsteri implanterbare enheten til en submucosal lomme. Implanterbare enheten er en fullt tilpasset elektronisk pakke som ble laget spesielt for eksperimenter i submucosa. Enheten er utstyrt med et litium-ion-batteri som kan lades trådløst ved å motta en hendelse magnetfelt fra lading/overføring spolen. Uplink kommunikasjon oppnås i MedRadio band på 432 MHz. Enheten ble vanndampsteri satt inn i en live innenlandske gris som en i vivo modell, spesielt i mage antrum submucosal lommen. Eksperimentet bekreftet at designet enheten kan bli implantert i submucosa og er i stand til toveis kommunikasjon. Enheten kan utføre bipolar stimulering av muskelvev.
Introduction
Mage dysmotility kan være et tegn på flere relativt vanlige sykdommer som Gastroparese, som er vanligvis preget av en kronisk progresjon og pålegger heller alvorlige konsekvenser på sosiale, arbeidsrelaterte og fysiske status for pasienten. De fleste tilfeller av Gastroparese er vanligvis diabetiker eller idiopatisk opprinnelse og er ofte resistente mot tilgjengelig medisiner1. Pasienter plaget med denne tilstanden vanligvis presenterer med kvalme og gjentatt oppkast. Basert på tidligere forskning, er det kjent at anvendelsen av høyfrekvente lav-energiske elektrisk stimulering kan bidra effektivt moderat og lindre symptomene på mage dysmotility1,2.
Basert på tidligere studier, er det bevist at høyfrekvente mage elektrisk stimulering kan betydelig forbedre symptomer og mage tømmer3. Det har også vist at lavere esophageal sphincter neurostimulator terapi er sikre og effektive for behandling av gastroesophageal reflukssykdom (GERD), reduserer acid eksponering og eliminere daglig proton pumpe hemmere (PPT) behandling uten stimulering relatert bivirkninger4. Før menneskelige prøvelser, ble første studier utført i dyremodeller (hjørnetann modeller5). Basert på disse studiene, forårsaket elektrisk stimulering av lavere esophageal sphincter (LES, 20 Hz, pulsbredde på 3 ms) en langvarig sammentrekning av LES5. Tilsvarende effekter av høy (20 Hz, pulsbredde av 200 μs) og lavfrekvente (6 sykluser/min, pulsbredde på 375 ms) elektrisk stimulering på LES i GERD pasientene ble undersøkt. Både høy og lav frekvens stimulering var effektiv6. Men foreløpig, er det bare to neurostimulation enheter for mage eller esophageal stimulering tilgjengelig på markedet7,8. I disse enhetene, kan elektrodene bli implantert kirurgisk, laparoscopically eller robotically. Selve enheten er implantert subcutaneously. Dette krever generell anestesi og har en omfangsrik enhet montert, bruker intramuskulær katetre som tillater stimulering av mage eller esophageal muskelvev. Så, bruke en trådløs kommunikasjon enhet implantert i mage submucosal laget representere en klar fordel og forbedring i pasientens komfort. Som nevnt i tidligere forskning9,10, ble det bevist at en implantering av en miniatyr neurostimulator i submucosa er mulig. Endoskopisk submucosal implantation, bruker vi en teknikk som kalles endoskopisk submucosal senke (ESP), basert på endoskopisk submucosal tunnelen disseksjon10. Målet med denne forskningen er å forbedre dette begrepet en implanterbare neurostimulator, hovedsakelig i omfanget av strømstyring (spesielt trådløs opplading funksjonalitet), samsvar med aktuelle lover og forskrifter for trådløse kommunikasjonskoblinger i medisinsk implanterbare enheter og muligheten for bipolar neurostimulation. Deretter presentert microneurostimulator er dugelig av toveis kommunikasjon og stimulasjonsparameteret kan endres i sanntid, selv mens enheten er implantert.
Denne teknikken er egnet for grupper med en terapeutisk endoscopist opplevde i endoskopisk senke eller tunnel disseksjoner. Deretter en maskinvare og innebygd programvare designer med erfaring i bygge maskinvare prototyper med microcontrollers og radiofrekvens kretser med overflate mount teknologi er nødvendig. For å bygge prototypene maskinvare, kreves en lab utstyrt med en reflow lodding stasjon og grunnleggende utstyr for elektriske målinger (minst en digital multimeter, et oscilloskop, Spektralanalysator og PICkit3 programmerer).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle endoskopisk prosedyrer inkludert dyr fag er godkjent ved Institutt for dyr fysiologi og genetikk, akademiet av vitenskap Tsjekkia (biomedisinsk Center PIGMOD), Libechov, Tsjekkia (prosjekt eksperimenter i implantering av batteri-mindre og batterienheter i submucosa av esophagus og magen-eksperimentelle studier). Alle eksperimenter utføres i samsvar med tsjekkiske loven 246/1992 Sb. "på beskyttelse av dyr mot mishandling, endret". Senderen enhet er ikke nødvendig å være sterilitet, fordi det er en ekstern enhet som ikke er i direkte kontakt med dyr.
1. implanterbare konstruksjon
- Forberede PCB bruker en tredjeparts PCB produksjon service. Komplett kretskort styret design finnes i supplerende filen "gerber_implant.7z". Skjematisk diagram finnes i figur 1.
- Plass PCB på en flat overflate (figur 2a). Bruk en loddetråd lim dispenser med 0.6 mm nål og 60 psi press til å manuelt dispensere lodding lim på hver metallisk pad på Kretskortet. Begynne med oversiden av PCB (figur 2b). Den totale mengden lodding paste for begge sider av PCB bør ikke overstige 15 μL.
- Med et par antistatiske pinsett, plassere alle komponentene på det øverste laget av PCB (figur 2e). Bruk Figur 3 for komponenten posisjon og supplerende filen "bom_implantabledevice.csv" for tildelingen av komponenter til sine tall.
- Bruk en PCB varmluft pistol stasjon på 260 ° C for å lodde alle komponenter (figur 4a). Vent til alle loddepasta smelter, deretter plassere varmluft pistol og tillate styret avkjøles til romtemperatur.
- Snu PCB og dispensere loddepasta på den andre siden. Bruk den samme nål og press som nevnt i 1.2 (figur 2d).
- Som i trinn 1.3., plassere alle komponentene i det nederste laget av PCB. Se Figur 3 for komponenten posisjon og supplerende filen "bom_implantabledevice.csv" for tildelingen av komponenter til sine tall.
- Gjenta oppvarming av PCB med en varmluft pistol å lodde alle komponentene på undersiden. Bruk samme fremgangsmåte som i trinn 1.4.
- Sjekk PCB for noen kortslutninger visuelt. Hvis en kortslutning, fjerne den med en loddebolt.
- Produsere trådløs lading/kommunikasjon spolen. Bruk 17 viser AWG42 wire. Spolen er 26 x 13,5 mm2 (Figur 4 d). Tvinn to ut ledningene.
- Designe og produsere elektroden. Elektroden design finnes i supplerende filen "gerber_electrodes.7z". Bruk samme produksjonsprosessen som i trinn 1.1. Denne PCB er fullført etter produksjon, og ingen komponenter kreves soldered på den. Lodde to AWG42 ledninger til liten rektangulær kontakter (figur 4f)
- Forberede antennen ved hjelp av 7 cm emaljert wire og skrape av 3 mm av emalje fra den ene enden (figur 4e)
- Koble PICkit 3 programmerer til PCB (figur 4b-c)
- Koble pads 6 og 7, ifølge figur 5, til pinne 2 og 3 av PICkit programmerer, henholdsvis.
- Koble pads TP1, TP2 og TP3 (se Figur 3) til pinnene 1, 5 og 4 av PICkit programmerer, henholdsvis
- Koble PICkit 3 programmerer til USB-porten på en datamaskin med MPLAB IPE programvare installert.
- Kjør MPLAB IPE programvare og programmere fastvaren til microcontroller.
- Kjør MPLAB IPE v3.61. Velg "innstillinger | Avansert modus"
- Inn standardpassordet som er 'mikrobrikke' på passord-feltet. Klikk "Logg på". En fane med ulike paneler til venstre vises.
- Øverst til venstre, klikk "Opererer" og deretter i øvre midtre del av skjermen, "Enheten feltet" og skriv inn "PIC16LF1783". Klikk på "Apply".
- Velg panelet "Makt" til venstre (figur 6).
- Endre VDD spenning verdien til 2.55. Dette trinnet er viktig.
Forsiktig: Angir denne verdien over 2.8 V vil skade styret (figur 7). - Klikk i avmerkingsboksen "Målet strømkrets" fra "Verktøyet" (figur 7).
- Klikk kategorien "Opererer" til venstre (figur 6).
- Klikk "Koble".
- Last ned filen supplerende "IMPLANTABLE_V2. X.Production.hex"og Merk plasseringen på harddisken. I IPE programvaren, Finn kildelinjen og klikk på "Browse" knappen nær det (Figur 8).
- Klikk Program. Vent til programvaren sier at programvaren har blitt lastet til microcontroller (figur 9).
- DESOLDER ledninger som er loddet til pads TP1, TP2 og TP3 (Figur 3) og ledninger som er loddet til pads 6 og 7 (figur 5).
- Koble PCB til alle andre elektriske komponenter bortsett fra batteriet (figur 10a).
- Lodding trådløs lading/kommunikasjon spolen til pads 2 og 3 etter Figur 8. Polaritet er ikke viktig.
- Koble antennen for å bygge 1 ifølge figur 5. Koble til PCB elektrodene til pads nummer 4 og 5 i henhold til figur 5. Polaritet er ikke viktig.
- Lodding CG-320 batteriet til pads 6 og 7 (figur 5). Den negative terminalen på batteriet må soldered på pute 7. Vær forsiktig når du utfører neste trinn. Enheten er nå drevet og er følsom for kortslutninger og kontakt med metalldeler.
- For å teste funksjonaliteten til trådløs lading krets, må alle trinnene i del 2 fullføres. Etter det, plassere trådløse lader/senderen i nærheten av enheten. Bruke et multimeter for å måle spenningen til batteriet. Hvis batterispenning sakte stiger (flere mV per min), fungerer funksjonen lading.
- Vind antennen rundt enheten i en spiral (figur 10b)
- Skjær en 32 mm lang stykke en varmesøkende shrinkable rør med en indre diameter på 9,5 mm.
- Plass spolen på Kretskortet. Se figur 7b for riktig plassering.
- Sette varmesøkende shrinkable rør enhet, coil og antenne. Bare elektrodene bør stikker fra slangen. Se figur 7 c for riktig plassering.
- Varme rør med en varmluft pistol til 150 ° C til å krympe og la den avkjøles (Figur 10 d).
- Bruk epoxy limet på den venstre enden å forsegle en side av slangen (figur 10e).
- Fest elektroden til baksiden av PCB med rør. Også fest den andre enden av slangen. Se figur 10f for riktig plassering.
- Vent minst 24 timer for limet å stivne og fullt cure.
- Etter ferdigstillelse av trådløs lader/sender enheten, teste implanterbare enheten vannlekkasje ved å plassere den i en 30 cm høy kolonne mettet saltvann 1t. Noen store lekkasjen kan bli sett som et plutselig fall på batterispenning eller feilfunksjon i enheten forårsaket av saltvann shorting elektronikk. Etter testen er enheten fullt forberedt på å bli implantert.
- Teste funksjonen stimulering av implant bruker et oscilloskop. Koble to måling elektrodene på oscilloskop til de tinn metall belagt kontakt pads på elektroden på implanterbare enheten. Observere stimulering mønster på skjermbildet oscilloskop. Riktig stimulering mønsteret er gitt i Figur 11.
2. trådløs lader/sender Design
- PCB design finnes i supplerende filen "gerber_transmitter.7z". Bruk samme produksjonsprosessen for implanterbare enheten. Skjematisk diagram finnes i Figur 12.
- Sted PCB på en flat overflate. Bruk en loddetråd lim dispenser med 0.6 mm nål og 60 psi press til å manuelt dispensere lodding lim på hver metallisk pad på Kretskortet. Den totale mengden loddepasta utlevert på Kretskortet bør ikke overstige 50 μL.
- Med et par antistatiske pinsett, plassere alle komponentene på det øverste laget av PCB. Se figur 13 for komponenten posisjonen og supplerende filen "bom_transmitterdevice.csv" for tildelingen av komponenter til sine tall.
- Bruk en PCB varmluft pistol stasjon forhåndsinnstilt til 260 ° C for å lodde alle komponenter. Vent til alle loddepasta smelter, plassert varmluft pistol og at styret skal avkjøles til romtemperatur.
- Gjenta trinnene 2.3-2,4 for undersiden av enheten. Følg omtrent som under produksjonen av implanterbare enheten.
- Opprette en coil med 3 viser AWG18 emaljerte wire (figur 14 c) og koble den til pads COIL1 og COIL2 (figur 13).
- Gjøre en aluminium heatsink for kraften transistorer (figur 13, Q1 og Q2). Den eksakte formen av heatsink er ikke kritisk. En av de mulige inkarnasjoner er vist i figur 9 d. I dette tilfellet danner heatsink også et skap for enheten.
- Koble PICkit 3 programmerer til den monterte PCB. Koble pads TP1 til TP5 (figur 13) med pinnene 1 til 5 av PICkit programmerer, henholdsvis.
- Koble PICkit 3 programmerer til USB-porten på en datamaskin med MPLAB IPE programvare installert.
-
Kjør MPLAB IPE programvare og programmere fastvaren til microcontroller. Prosessen er den samme som for implanterbare enheten, unntatt VDD spenningen og filen lastet.
- Kjør MPLAB IPE v3.61. Velg "innstillinger | Avansert modus".
- Inn standardpassordet som er 'mikrobrikke' på passord-boksen. Klikk "Logg på". En fane med ulike paneler til venstre vises.
- Øverst til venstre, klikk "Opererer" og deretter i øvre midtre del av skjermen, det "Enhet" og type inne "PIC16LF1783". Klikk på "Apply".
- Velg panelet "Makt" til venstre
- Endre VDD spenning verdien til 3.3.
- Klikk i avmerkingsboksen "Målet strømkrets" fra "Verktøy".
- Klikk kategorien "Opererer" til venstre.
- Klikk "Koble".
- Last ned filen supplerende "IMPLANTABLE_V2_TRANSMITTER. X.Production.hex"og Merk plasseringen på harddisken. I IPE programvaren, Finn kildelinjen og klikk på "Browse" knappen nær den.
- Klikk "Program". Vent til programvaren sier at programvaren ble lastet ned til microcontroller vellykket.
- DESOLDER ledninger som er loddet til pads TP1 til TP5
- Koble en 12 V-strømforsyning til V- og V + pads (figur 5). Den negative terminalen må være koblet til V-pad.
- Koble en mini-USB til USB-A-kabel til X1 kobling (figur 5) og koble til en datamaskin med PuTTy-programvare forhåndsinstallert.
-
Åpne programmet PuTTY og konfigureres (Figur 15).
- Åpne PuTTY programvare. Velg "Føljetong" som tilkoblingstype.
- Angi COMx som en seriell linje, der x er antall COM-porten på enheten. Hvis ingen andre COM port enheten ble installert, vil dette tallet være 1.
- Angi "38400" som hastigheten. Klikk "Åpne". Lader/senderen enheten er nå klar til å brukes. Trykk H-tasten for å få hjelp.
3. endoskopisk implantasjon
-
Bruk en levende mini gris som i vivo modell, voksen (8-36 måneder), 20-30 kg vekt.
- La grisen raskt for 24 timer før prosedyren.
- Tillate klar væske ad libitum.
- Administrere intramuskulær tiletamine (2 mg/kg), zolazepam (2 mg/kg) og ketamin (11 mg/kg) som en premedication.
- Bruke intravenøs thiopental ad effectum (5% oppløsning) og innånding anestesi med isoflurane, N2O og propofol injeksjon. Riktig anestesi er bekreftet av reflekser og muskel tone, øyet posisjon, palpebral refleks og pupillary refleks. Sirkulasjon, oksygenering, ventilasjon og kroppstemperatur overvåkes kontinuerlig.
- For å utføre implantasjon og visualisering, bruke en dyremodell dedikert endoskop. Sett med standard måte i modellen i vivo .
- Forstå enheten eksternt med en snare. Etter det, sette det inn i magen, og slipp den.
- Ekstra endoskop, utstyre den med en disseksjon cap (15.5 mm), og deretter inn igjen på magen.
- Å implantatet enheten til submucosa, bruke saltvann blandet med methylene blåfarge i submucosal laget med en injeksjon terapi nål kateter (25 G).
- Gjøre en horisontal snitt til å opprette en åpning i submucosa bruke en elektrokirurgisk kniv med en knute-formet tupp.
- Bruker festet cap, sette inn lokket inn i det nyopprettede og med bruk av en elektrokirurgisk kniv, fortsette forstyrre strekke og dissekere submucosal laget, opprette en tilstrekkelig stor nok lomme sett stimulering enheten.
- Hold enheten som lyver fritt i magen med innsetting og uttak looper, og bruker fatte tang, navigere den i lommen submucosal. Plass stimulering elektrodene i kontakt med den muscularis propria ved hjelp av grep pinsett.
- Bruke en over omfanget hefte for å sikre enheten på plass inne det submucosal lomme og hindre enhver migrering eller dislodging.
4. eksperiment-Etter implantasjon
- Etter vellykkede implantasjon, plasserer du lader/senderen spolen i nærheten av en implantert enhet.
- Koble RTL2832 dongle på PCen.
-
Kjøre HDSDR programvare og angi at senterfrekvensen til 432 MHz.
- Åpne HDSDR programvare (Figur 15) for riktige innstillinger og kitt (Figur 16). HDSDR programvaren, velg "alternativer | Velg Input | ExtIO".
- Velg båndbredde-"960000". Velg hyppigheten LO 431.95 MHz. Merk Tune frekvensen til 432.00 MHz.
- Overføre en Manchester kodet sekvens fra laderen/senderen ved å trykke R på kitt terminalen og motta OOK modulert svar fra implantatet ved observasjon i HDSDR-vinduet ( figur 17e-f).
5. euthanasia etter eksperimentet
- Bruke en anesthetic overdose euthanasia (dødelig dose av thiopental og KCl).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 17 viser at en endoskopisk plassering med den mage neurostimulator i en lomme submucosa og riktig plassering av elektrodene på muskel laget var vellykket. Størrelsen på enheten (Figur 10) er 35 x 15 x 5 mm3 mens vekten er 2,15 g. Figur 17 viser koblingsskjemaet av enheten viser at enheten består av 6 forskjellige moduler som er koblet sammen. Figur 3 viser PCB layout og komponent plassering i enheten. Figur 18 viser at for å implantatet enheten inn i det submucosal laget, en teknikk som kalles en endoskopisk submucosal lomme9,10 (ESP) ble brukt. Stimulator var knyttet muskel laget (muscularis propria) der det er teoretisk optimale stimulering dybden. Opprette submucosal lommen og forankring av mage neurostimulator vanndampsteri tok 20-30 min. Under denne prosedyren er det ingen intraprocedural problemer som perforering eller alvorlige blødninger. Migrering av enheten i magen kan ikke fastslås fordi eksperimentet var ikke-overlevelse. Når implantation, ble toveis kommunikasjonskobling med implanterbare enheten opprettet med en ekstern enhet som vist i figur 14. Omtrentlig avstanden mellom lader/programmerer spolen og implantatet var 10 cm. Oppnådd signal-til-støy (SNR) forholdet med RTL2832 basert programvare-definert-(SDR) radiomottaker var over 40 dB.
Figur 1 : Skjematisk diagram implanterbare enheten. Figuren viser hvordan ulike komponenter og krets deler er koblet i implanterbare enheten. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2 : Fabrikasjon av implanterbare enheten - PCB-montering. (en) PCB, ovenfra. (b) loddetråd lim på øverste laget. (c) et eksempel på hånd plassering av 0402 kondensator. (d) loddetråd lim på nederste laget. (e) fullstendig oversiden av PCB. (f) fullstendig undersiden av PCB Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3 : Utformingen av implanterbare enheten. (en) øverste kobber laget av PCB. (b) Komponentnavn på det øverste laget. (c) bunnen kobber laget av PCB. (d) Komponentnavn på den nederste laget. (e) sammensatt bilde av alle PCB lag Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4 : Fabrikasjon av implanterbare enheten -utarbeidelse av andre deler. (en) varm luftstrøm på undersiden av PCB. (b) programmering ledninger loddet til Kretskortet. (c) PCB koblet til programmerer. (d) trådløs lading coil. (e) 432 MHz antenne. (f) stimulering elektroder med to ledninger festet Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5 : Anbefalt loddetinn felles plassering for eksterne komponenter av implanterbare enheten. Bildet viser hvor spolen, antenne, batteri og elektroder skal loddes. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6 : Opprette en forbindelse med implanterbare enheten-viktige innstillinger nevnt i teksten er merket med røde piler. Dette bildet er fra MPLAB IPE programvare, tilbys en skjerm som viser hvordan du fastslår at microcontroller inne implanterbare enheten riktig kommuniserer med PICkit programmerer. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 7 : Strøminnstillinger av programvaren som brukes for programmering-viktige innstillinger nevnt i teksten er merket med røde piler. Dette er bildet fra MPLAB IPE programvare. Den viser hvordan du riktig strøm implanterbare enheten for programmering Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8 : Å velge en riktig programmering fil for implanterbare enheten. Bildet viser hvilken knapp å klikke for å laste inn utfyllende hex-filen riktig. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 9 : Prosessen med programmering fastvaren inn i implanterbare enheten. Bildet viser hvilken knapp å trykke program programvaren i implanterbare enheten. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 10 : Fabrikasjon av implanterbare enheten-sluttmontering. (en) trådløs anklager coil, stimulering elektroder og antenne loddet til Kretskortet, sammen med batteri. (b) stablet implantatet. (c) gjennomsiktig varme shrinkable rør satt over PCB. (d) krymping av slangen med varm luft. (e) rør fullt krympet og ender limt. (f) ferdigstilt implanterbare enhet Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 11 : Typisk produksjon stimulering mønster av enheten som vist på DSOX1102G oscilloskop. Etter programmering implanterbare enheten, skal lodding elektrodene og batteriet, utgang stimulering mønster ligner vises i figuren vises på elektrodene. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 12 : Skjematisk diagram for trådløs lader/sender enheten. Figuren er analogisk Figur1. Vist her er innvendige av trådløs lader/sender enheten Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 13 : Utformingen av lader/senderen enheten. (en) øverste kobber laget av PCB. (b) Komponentnavn på det øverste laget. (c) bunnen kobber laget av PCB. (d) Komponentnavn på den nederste laget. (e) sammensatt bilde av alle PCB lag Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 14 : Fabrikasjon av trådløs lader/sender enheten. (en) fullført PCB, oversiden (b) fullført undersiden av PCB (c) mekanisk design av trådløse senderen/lader coil (d) en mulig legemliggjørelsen av den endelige lader/sender enheten Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 15 : Rette innstillingene i programmet HDSDR. HDSDR programvaren brukes sammen med RTL2832U basert USB mottar dongle som en Spektralanalysator for å vise radioen spekteret. I dette tilfellet den brukes til å motta svar fra implantatet overføres på ca 432 MHz. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 16 : Rette innstillingene på kitt programvaren. Kitt programvaren brukes for kommunikasjon med lader/senderen enheten. Det må være riktig konfigurert for å vise riktige dataene til brukeren. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 17 : Endoskopisk implantering av implanterbare enheten og sjekke om det fungerer. (en) i vivo modell i dyr endoskopisk enhet. (b) innsetting av endoskop av standard vei inn i vivo modellen. (c) Implantable enhet prototype grep med en felle. (d) prosessen med å opprette toveis trådløs forbindelse med implanterbare enheten. (e) HDSDR programvare. (f) detalj av OOK modulert data sendes av implantatet. (g) X-ray-enhet posisjon sjekk. (h) X-ray skanning av implantatet enheten samt over omfanget utklippet er klart synlig. (jeg) detaljert enheten visningen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 18 : Enheten implantasjon og endoskopisk teknikk. (en) Submucosal injeksjon med methylene blåfarge. (b) Submucosal snitt (inngang for submucosal lomme dannelsen). (c) Tunnelisation av submucosal lommen. (d-f) Forstyrre, strekke og dissekere submucosal laget. (g, h) Enheten implantasjon. (jeg) lukke oppføringen med over omfanget utklippet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Supplerende fil 1: gerber_implant.7z. Zip arkivet med filene som kreves for å produsere det trykte kretskortet implanterbare enheten. Klikk her for å laste ned denne filen
Supplerende fil 2: gerber_transmitter.7z. Zip arkivet med filene som kreves for å produsere det trykte kretskortet lader/senderen enheten. Klikk her for å laste ned denne filen
Supplerende filen 3: gerber_electrodes.7z. Zip arkivet med filene som kreves for å produsere elektrodene. Klikk her for å laste ned denne filen
Supplerende filen 4: IMPLANTABLE_V2. X.Production.hex. Firmware for implanterbare enheten. Klikk her for å laste ned denne filen
Supplerende fil 5: IMPLANTABLE_V2_TRANSMITTER. X.Production.hex. Firmware for lader/senderen enheten. Klikk her for å laste ned denne filen
Supplerende filen 6: bom_implantabledevice.csv. Stykkliste stykklisten fil som beskriver tilordningen av komponentverdier til bestemte komponenter på Kretskortet implanterbare enheten. Klikk her for å laste ned denne filen
Supplerende filen 7: bom_transmitterdevice.csv. BOM-fil som beskriver tilordningen av komponentverdier til bestemte komponenter på Kretskortet lader/senderen enheten. Klikk her for å laste ned denne filen
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Utformingen av implanterbare enheten bør primært fokusere på størrelsen på enheten, oppnåelig stimulering profiler (maksimal spenning, maksimal levering aktuell, belgfrukter og puls frekvens). Hovedbegrensningen fra maskinvare perspektivet er størrelsen og tilgjengeligheten av egnet komponenter. For å minimere størrelsen, er overflate mount komponentene foretrukket på grunn av deres kompakt innpakning. Den beste løsningen ville være å integrere nakne chip dør på underlaget. Men er dette begrenset av både tilgjengeligheten av nakne dø emballasje alternativ for komponenter og tilgjengelighet av wire bånd teknologi. Andre viktig parameter er batteriet. Litiumbatterier foretrekkes på grunn av dens høy energi-tetthet. Den nominelle spenningen på 3,7 V er også gunstig. Den store fordelen med presentert maskinvaretopologien er dens liten størrelse og minimum invasiveness. Sammenlignet med den gjeldende løsninger7,8, presentert løsningen er en størrelsesorden mindre og kan bli implantert direkte til submucosa, uten behov for eksterne fører og underhud implantering av neurostimulator.
Bortsett fra selve maskinvaren, i fremtiden, må ekstra oppmerksomhet gis til enheten skapet. Det første punktet er biocompatibility og hermeticity11 å unngå mulige avvisningen av implantatet. Den andre er fiksering av enheten i submucosa å unngå uønskede migrering av implantatet.
De viktigste trinnene under endoskopisk implantasjon er fange av enheten og plasseringen i submucosal lommen. Begrensningen er størrelsen på lommen, som må være, fra observasjoner, omtrent minst dobbelt så stor som enheten til å bli implantert. Neste er riktig retning av implant inne i lommen. Med hensyn til tekniske problemer med endoskopisk prosedyren, er denne metoden dedikert til eksperter med erfaring med tunnel disseksjon eller peroral endoskopisk myotomy (DIKT).
Neste problematisk del er nedleggelsen av lommen som er relativt vanskelig å bruke over klippet omfang. Men hindrer bruk av denne typen klipp overføring og avvisning av enheten. Begrensninger av denne teknikken fra maskinvare synspunkt inkluderer maskinvaren utviklingsutstyr å lodde med nødvendige nøyaktigheten. Enheten er beregnet på motstå under operasjonen og kort tid etterpå. Dermed, med gjeldende kabinett, er det ikke laget å bo lengre tid i kroppen. Materialet av skapet er heller ikke biokompatible som representerer en høy risiko for avvisning av implantatet ved en overlevelse eksperiment. Denne teknikken kan utvikles, spesielt når det gjelder utviklingen av biokompatible og hermetisk kabinett som er avgjørende for overlevelse modell eksperimenter. Deretter kan funksjonaliteten til flere integrerte kretser være konsentrert i en enkelt søknad spesifikk Integrert kretsløp. Tilsvarende kan mindre overflate mount komponentene brukes å gjøre den mer kompakt. Neste mulig retning av denne forskningen kan føre til utviklingen av romanen endoskopisk metoder for behandling av andre gastrointestinale sykdommer som GERD, inkontinens eller sphincter dysfunksjoner12.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Dette arbeidet ble støttet av Research Project PROGRES-Q28, og tildelt av Charles University i Praha. Forfatterne takker til Ass. Prof Jan Martínek, Ph.D. og PIGMOD sentrum.
Acknowledgments
Forfatterne erklærer at de har ingen konkurrerende økonomiske interesser.
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).
