Summary
L'applicazione di basso-energica stimolazione ad alta frequenza può alleviare i sintomi del dysmotility gastrico. In questa ricerca, viene presentato un dispositivo miniaturizzato, endoscopicamente impiantabile e in modalità wireless ricaricabile che viene impiantato in una tasca submucosal. Entrambe le vie comunicazione e controllo di stimolazione sono stati realizzati durante un esperimento il maiale dal vivo.
Abstract
Dysmotility gastrico può essere un segno di malattie comuni come il diabete mellito di vecchia data. È noto che l'applicazione di basso-energica stimolazione ad alta frequenza può aiutare efficacemente moderata e alleviare i sintomi del dysmotility gastrico. L'obiettivo della ricerca è stato lo sviluppo di una miniatura, dispositivo endoscopicamente impiantabile per una tasca submucosal. Il dispositivo impiantabile è un pacchetto elettronico completamente personalizzato che è stato appositamente progettato allo scopo di esperimenti nel submucosa. Il dispositivo è dotato di una batteria agli ioni di litio che può essere ricaricata in modalità wireless ricevendo un campo magnetico incidente dalla bobina di carica/trasmissione. La comunicazione di uplink è realizzata in una band MedRadio 432 MHz. Il dispositivo endoscopicamente è stato inserito nella tasca submucosal di un maiale domestico dal vivo usato come un modello in vivo , in particolare nel antrum dello stomaco. L'esperimento ha confermato che il dispositivo progettato può essere impiantato nel submucosa ed è capace di comunicazione bidirezionale. La periferica può eseguire la stimolazione bipolare del tessuto muscolare.
Introduction
Dysmotility gastrico può essere un segno di diverse malattie relativamente comuni come la gastroparesi, che solitamente è caratterizzata da una progressione cronica e impone piuttosto gravi conseguenze sullo stato sociale, lavorativo e fisico del paziente. Maggior parte dei casi di gastroparesi diabetica o idiopatica in origine di solito sono e sono spesso resistenti al farmaco disponibile1. Pazienti afflitti con questa circostanza più comunemente presenti con nausea e vomito ripetono. Basato su ricerche precedenti, è noto che l'applicazione di basso-energica stimolazione elettrica ad alta frequenza può aiutare efficacemente moderata e alleviare i sintomi di dysmotility gastrico1,2.
Sulla base di precedenti studi, è dimostrato che la stimolazione elettrica gastrica ad alta frequenza può migliorare significativamente i sintomi e svuotamento gastrico3. Esso ha anche dimostrato che la terapia di neurostimolatore sfintere esofageo inferiore è sicuro ed efficace per il trattamento della malattia da reflusso gastroesofageo (GERD), riducendo l'esposizione acida ed eliminando ogni giorno l'uso di inibitore (PPI) della protone-pompa senza stimolazione correlati effetti negativi4. Prima sperimentazione umana, primi studi sono stati effettuati in modelli animali (canino modelli5). Sulla base di questi studi, stimolazione elettrica dello sfintere esofageo inferiore (LES, 20 Hz, larghezza di impulso di 3 ms) ha causato una contrazione prolungata del LES5. Effetti simili di alta (20 Hz, larghezza di impulso di 200 μs) e bassa (6 cicli/min, larghezza di impulso di 375 ms) frequenza stimolazione elettrica su LES in pazienti di GERD sono stati studiati. Sia ad alta e bassa frequenza stimolazione erano efficace6. Tuttavia, attualmente, ci sono solo due dispositivi di neurostimolazione per stimolazione esofagea o gastrica disponibili sul mercato7,8. In questi dispositivi, gli elettrodi possono essere impiantati chirurgicamente, laparoscopia o robotizzato. Il dispositivo viene impiantato per via sottocutanea. Questo richiede l'anestesia generale e avere un dispositivo ingombrante montato, utilizzando cateteri intramuscolari che consentono la stimolazione del tessuto muscolare esofagea o gastrica. Così, la possibilità di utilizzare un dispositivo in modalità wireless comunicante impiantato nello strato submucosal gastrico rappresenterebbe un indubbio vantaggio e miglioramento nel comfort del paziente. Come affermato nella precedente ricerca9,10, è stato dimostrato che un impianto di un neurostimolatore in miniatura nel submucosa è possibile. Per l'impianto endoscopico submucosal, usiamo una tecnica chiamata intascando submucosal endoscopica (ESP), sulla base di dissezione endoscopica sottomucosa tunnel10. L'obiettivo di questa ricerca è quello di migliorare ulteriormente questo concetto di un neurostimolatore impiantabile, principalmente nell'ambito della gestione dell'alimentazione (in particolare la funzione di ricarica senza fili), conformità con le rispettive leggi e regolamenti per il wireless collegamenti di comunicazione nei dispositivi medicali impiantabili e possibilità di neurostimolazione bipolare. Successivamente, il microneurostimulator presentato è capace di comunicazione bidirezionale e i parametri di stimolazione possono essere modificati in tempo reale, anche quando il dispositivo viene impiantato.
Questa tecnica è adatta per le squadre con un endoscopista terapeutico sperimentato in intascando endoscopica o dissezioni di tunnel. Successivamente, un hardware e software embedded designer con esperienza nella costruzione di prototipi hardware con microcontrollori e circuiti di radio frequenza utilizzando la tecnologia di montaggio superficiale è necessaria. Per costruire i prototipi hardware, un laboratorio attrezzato con un riflusso di saldatura stazione e attrezzature di base per misure elettriche (almeno un multimetro digitale, un oscilloscopio, un analizzatore di spettro e PICkit3 programmatore) è richiesto.
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Protocol
Tutte le procedure endoscopiche, compresi animali soggetti sono state approvate presso l'Istituto di fisiologia animale e genetica dell'Accademia delle scienze Ceca Repubblica (Biomedical Center PIGMOD), Libechov, Repubblica Ceca (progetto esperimenti nell'impianto di batteria-di meno e dispositivi a batteria nel submucosa dell'esofago e dello stomaco — studio sperimentale). Tutti gli esperimenti sono fatti in conformità con la legge Ceca 246/1992 SB. "sulla protezione degli animali contro i maltrattamenti, modificato". Dispositivo trasmettitore non è richiesto per essere sterilizzati, perché è un dispositivo esterno che non è a diretto contatto con l'animale.
1. progettazione del dispositivo impiantabili
- Preparare il PCB mediante un PCB di terze parti servizio di produzione. Design della scheda di circuito stampato completo viene fornito nel file supplementare "gerber_implant.7z". Il diagramma schematico è fornito nella Figura 1.
- Posizionare i PCB su una superficie piana (Figura 2a). Utilizzare un erogatore di pasta saldante con 0,6 mm ago e 60 psi di pressione per dispensare manualmente la pasta saldante su ogni dischetto metallico sul PCB. Iniziare con il lato superiore del PCB (Figura 2b). La quantità totale di pasta saldante per entrambi i lati del circuito stampato non deve superare 15 μL.
- Con un paio di pinzette antistatiche, posizionare tutti i componenti sullo strato superiore del PCB (Figura 2e). Utilizzare Figura 3 per la posizione del componente e file supplementari "bom_implantabledevice.csv" per l'assegnazione dei componenti al loro numero.
- Utilizzare una stazione di pistola aria calda PCB a 260 ° C per saldare tutti i componenti (Figura 4a). Attendere fino a quando tutti la pasta saldante si scioglie, quindi metti via la pistola ad aria calda e lasciare raffreddare lo consiglio a temperatura ambiente.
- Capovolgere il PCB e dispensare pasta saldante sul lato opposto. Utilizzare lo stesso ago e pressione come indicato in 1.2 (figura 2d).
- Come descritto al punto 1.3., posizionare tutti i componenti dello strato inferiore del PCB. Riferirsi alla Figura 3 per la posizione del componente e il file supplementare "bom_implantabledevice.csv" per l'assegnazione dei componenti al loro numero.
- Ripetere il riscaldamento del PCB con una pistola ad aria calda a saldare tutti i componenti sul lato inferiore. Utilizzare lo stesso processo come descritto al punto 1.4.
- Controllare visivamente il PCB per i corto circuiti. Se viene trovata qualsiasi cortocircuito, rimuoverlo con un saldatore.
- Fabbricazione della bobina di carica/comunicazione wireless. Uso 17 giri di filo AWG42. La dimensione della bobina è di 26 x 13,5 mm2 (Figura 4D). Attorcigliare i fili di uscita dei due.
- Progettiamo e realizziamo l'elettrodo. Il design dell'elettrodo è fornito nel file supplementare "gerber_electrodes.7z". Utilizzare lo stesso processo di produzione come al punto 1.1. Questo circuito stampato è completato dopo la fabbricazione, e nessun componenti sono necessari per essere saldati su di esso. Saldare due AWG42 fili ai contatti rettangolari piccoli (Figura 4f)
- Preparare l'antenna utilizzando 7 cm di filo smaltato e raschiando 3 mm dello smalto da un'estremità (Figura 4e)
- Collegare il programmatore PICkit 3 al PCB (Figura 4b-c)
- Collegare i Pad 6 e 7, secondo Figura 5, al pin 2 e 3 del programmatore PICkit, rispettivamente.
- Collegare i pad TP1, TP2 e TP3 (vedere Figura 3) al pin 1, 5 e 4 del programmatore PICkit, rispettivamente
- Collegare il programmatore PICkit 3 alla porta USB di un computer con installato il software MPLAB IPE.
- Eseguire il software MPLAB IPE e programmare il firmware nel microcontrollore.
- Eseguire il MPLAB IPE v 3.61. Selezionare "impostazioni | Modalità avanzata"
- Nel campo Password, immettere la password di default che è 'microchip'. Fare clic su "Log on". Verrà visualizzata una scheda con diversi pannelli sulla sinistra.
- In alto a sinistra, fare clic su "Esegui", quindi nella parte centrale superiore dello schermo, fare clic su "Dispositivo campo" e digitare "PIC16LF1783". Fare clic su "Applica".
- Selezionare il pannello "Power" sulla sinistra (Figura 6).
- Modificare il valore di tensione VDD a 2,55. Questo passaggio è fondamentale.
Attenzione: L'impostazione di questo valore sopra 2.8 V danneggia la pensione (Figura 7). - Fare clic sulla casella "Circuito di Target di potenza" da "Strumento" (Figura 7).
- Fare clic sulla scheda "Operate" sulla sinistra (Figura 6).
- Cliccare su "Connetti".
- Scaricare il file supplementare "IMPLANTABLE_V2. X.Production.Hex"e annotarne la posizione sul disco rigido. Nel software IPE, trovare la riga di codice sorgente e fare clic sul pulsante "Sfoglia" vicino ad essa (Figura 8).
- Fare clic su programma. Aspetta che il software dice che il software è stato scaricato correttamente al microcontrollore (Figura 9).
- Dissaldare i fili saldati ai rilievi TP1, TP2 e TP3 (Figura 3) così come fili saldati ai Pad 6 e 7 (Figura 5).
- Collegare il PCB per tutti gli altri componenti elettrici tranne per la batteria (Figura 10a).
- Saldare la bobina di carica/comunicazione wireless Pad 2 e 3 secondo Figura 8. La polarità non è importante.
- Collegare l'antenna per pad 1 secondo Figura 5. Collegare gli elettrodi di PCB al numero di pastiglie 4 e 5 secondo la Figura 5. La polarità non è importante.
- Saldare la batteria CG-320 a Pad 6 e 7 (Figura 5). Il morsetto negativo della batteria dovrà essere saldato sul pad 7. Prestare attenzione durante la procedura successiva. Il dispositivo ora è alimentato ed è sensibile ai corto circuiti e il contatto con oggetti metallici.
- Per verificare la funzionalità dei circuiti di ricarica senza fili, devono essere completati tutti i passaggi nella parte 2. Dopo di che, è necessario posizionare il caricatore/trasmettitore wireless in prossimità del dispositivo. Utilizzare un multimetro per misurare la tensione della batteria. Se la tensione della batteria sale lentamente (diversi mV / min), la funzione di carica sta lavorando.
- Avvolgere l'antenna intorno al dispositivo in una spirale (Figura 10b)
- Tagliare un pezzo di una guaina termorestringente lungo 32 mm con un diametro interno di 9,5 mm.
- Posizionare la bobina sul PCB. Per il corretto posizionamento, fare riferimento alla Figura 7b .
- Mettere la guaina termorestringente sopra il dispositivo, la bobina e l'antenna. Solo gli elettrodi devono sporgere dal tubo. Vedere Figura 7 c per il corretto posizionamento.
- Riscaldare il tubo con una pistola ad aria calda a 150 ° C a restringersi e quindi farla raffreddare (Figura 10 d).
- Applicare la colla epossidica all'estremità sinistra per sigillare un lato del tubo (Figura 10e).
- Incollare l'elettrodo sul lato posteriore del PCB con la tubazione. Incollare anche l'altra estremità del tubo. Fare riferimento alla Figura 10f per il corretto posizionamento.
- Attendere almeno 24 ore per la colla per indurire e curare completamente.
- Dopo il completamento del dispositivo caricabatterie/trasmettitore wireless, è possibile testare il dispositivo impiantabile per perdite d'acqua inserendolo in una colonna alta 30 cm di soluzione salina satura per 1 h. Eventuali fughe principali possa essere individuati come un improvviso calo della tensione della batteria o il malfunzionamento del dispositivo causato da soluzione salina cortocircuitando l'elettronica. Dopo la prova, il dispositivo è pienamente in grado di essere impiantati.
- Verificare la funzione di stimolazione dell'impianto con un oscilloscopio. Collegare due elettrodi di misurazione dell'oscilloscopio per la latta metallo placcate pastiglie di contatto dell'elettrodo sul dispositivo impiantabile. Osservare il modello di stimolazione sullo schermo dell'oscilloscopio. Il pattern di stimolazione corretta è dato in Figura 11.
2. caricatore radiotrasmettitore Design
- Il disegno di PCB è fornito nel file supplementare "gerber_transmitter.7z". Utilizzare lo stesso processo di produzione per quanto riguarda il dispositivo impiantabile. Il diagramma schematico è fornito nella Figura 12.
- Posto i PCB su una superficie piana. Utilizzare un erogatore di pasta saldante con 0,6 mm ago e 60 psi di pressione per dispensare manualmente la pasta saldante su ogni dischetto metallico sul PCB. La quantità totale di pasta saldante erogata sul PCB non deve superare 50 μL.
- Con un paio di pinzette antistatiche, posizionare tutti i componenti sullo strato superiore del PCB. Per la posizione del componente e il file supplementare "bom_transmitterdevice.csv" per l'assegnazione dei componenti ai loro numeri, consultare Figura 13 .
- Utilizzare una stazione di pistola aria calda PCB preimpostata a 260 ° C a saldare tutti i componenti. Attendere fino a quando si scioglie tutti la pasta saldante, metti via la pistola ad aria calda e consentire al Consiglio raffreddare a temperatura ambiente.
- Ripetere i passaggi 2.3 – 2.4 per il lato inferiore del dispositivo. Seguire una procedura simile come durante la fabbricazione del dispositivo impiantabile.
- Creare una bobina con 3 giri di filo smaltato AWG18 (Figura 14C) e collegarlo ai rilievi COIL1 e COIL2 (Figura 13).
- Rendere un dissipatore in alluminio per i transistori di potenza (Figura 13, Q1 e Q2). La forma esatta del dissipatore di calore non è critica. Uno dei possibili incorporamenti è mostrato nella Figura 9 d. In questo caso, il dissipatore di calore costituisce anche un recinto per il dispositivo.
- Collegare il programmatore PICkit 3 al PCB assemblate. Collegare i pad TP1 al TP5 (Figura 13) con perni 1 a 5 del programmatore PICkit, rispettivamente.
- Collegare il programmatore PICkit 3 alla porta USB di un computer con installato il software MPLAB IPE.
-
Eseguire il software MPLAB IPE e programmare il firmware nel microcontrollore. Il processo è lo stesso per quanto riguarda il dispositivo impiantabile, fatta eccezione per la tensione VDD e il file caricato.
- Eseguire il MPLAB IPE v 3.61. Selezionare "impostazioni | Modalità avanzata".
- Nella casella password, immettere la password di default che è 'microchip'. Fare clic su "Accesso". Verrà visualizzata una scheda con diversi pannelli sulla sinistra.
- In alto a sinistra, fare clic su "Esegui", quindi nella parte centrale superiore dello schermo, scegliere il "Dispositivo" e digitare "PIC16LF1783". Fare clic su "Applica".
- Selezionare il pannello "Power" sulla sinistra
- Modificare il valore di tensione VDD a 3.3.
- Fare clic sulla casella "Circuito di Target di potenza" da "Strumento".
- Fare clic sulla scheda "Operate" sulla sinistra.
- Cliccare su "Connetti".
- Scaricare il file supplementare "IMPLANTABLE_V2_TRANSMITTER. X.Production.Hex"e annotarne la posizione sul disco rigido. Nel software IPE, trovare la riga di codice sorgente e fare clic sul pulsante "Sfoglia" vicino ad esso.
- Fare clic su "Programma". Aspetta che il software dice che il software è stato scaricato con successo al microcontrollore.
- Dissaldare i fili saldati ai rilievi TP1 per TP5
- Collegare un'alimentazione a 12 V per le pastiglie di V e V + (Figura 5). Il polo negativo deve essere collegato al V-pad.
- Plug-in un mini-USB per cavo USB per la X1 connettore (Figura 5) e connettersi a un computer con PuTTy software pre-installato.
-
Aprire il software PuTTY e configurarlo (Figura 15).
- Aprire il software PuTTY. Selezionare "Serial" come tipo di connessione.
- Immettere COMx come una linea seriale, dove x è il numero della porta COM del dispositivo. Se è stato installato nessun altro dispositivo di porta COM, è necessario che questo numero sarà 1.
- Immettere "38400" come velocità. Clicca su "Apri". Il dispositivo del caricatore/trasmettitore è ora pronto per essere utilizzato. Premere H per aiuto.
3. endoscopica
-
Utilizzare un mini live di maiale come un modello in vivo , adulto (8-36 mesi), 20-30 kg di peso.
- Lasciate che il maiale veloce per 24 h prima della procedura.
- Consentire di liquidi chiari ad libitum.
- Somministrare una premedicazione tiletamina intramuscolare (2 mg/kg), zolazepam (2 mg/kg) e ketamina (11 mg/kg).
- Applicare thiopental endovenoso ad effectum (soluzione al 5%) e l'inalazione anestesia con isoflurano e N2O iniezione di propofol. L'anestesia adeguata è confermata da riflessi e tono muscolare, posizione degli occhi, riflesso palpebrale e riflesso pupillare. Circolazione, l'ossigenazione, ventilazione e temperatura corporea sono continuamente monitorate.
- Al fine di eseguire l'impianto e la visualizzazione, utilizzare un modello animale dedicato endoscopio. Inserirla utilizzando il modo standard nel modello in vivo .
- Afferrare l'apparecchio esternamente con un laccio. Dopo di che, inserirlo nello stomaco, quindi rilasciarlo.
- Estrarre l'endoscopio, equipaggiarlo con un tappo di dissezione (15,5 mm) e quindi reinserire allo stomaco.
- Al fine di impiantare il dispositivo alla sottomucosa, applicare la soluzione salina mescolato con blu di metilene nello strato submucosal usando un catetere di ago di iniezione terapia (25 G).
- Fare un'incisione orizzontale per creare un'apertura nel submucosa usando un coltello elettrochirurgico con una punta a forma di manopola.
- Utilizzando il tappo apposto, inserire il tappo nello spazio appena creato e con l'uso di un coltello elettrochirurgico, continua a perturbare, dilatando e lo strato submucosal, creando una tasca sufficientemente grande abbastanza per inserire il dispositivo di stimolazione di dissezione.
- Afferrare il dispositivo che sta mentendo liberamente all'interno dello stomaco con cicli di inserimento e l'estrazione e, utilizzando la pinza di presa, navigare nella tasca submucosal. Posizionare gli elettrodi di stimolazione a contatto con la propria di muscularis utilizzando afferrare forcipe.
- Utilizzare un oltre l'ambito di clip per fissare il dispositivo in atto all'interno della sottomucosa della tasca e prevenire qualsiasi migrazione o sloggiare.
4. esperimento — Dopo l'impianto
- Dopo riuscito impianto, posizionare la bobina di carica/trasmettitore in prossimità del dispositivo impiantato.
- Collegare il dongle RTL2832 nel PC.
-
Eseguire il software HDSDR e impostare la frequenza di centro a 432 MHz.
- Aprire il software HDSDR (Figura 15) per le impostazioni corrette e stucco (Figura 16). Nel software HDSDR, fare clic su "opzioni | Selezionare Input | ExtIO".
- Seleziona larghezza di banda — "960000". Selezionare la frequenza LO a 431,95 MHz. Selezionare la frequenza di sintonia da 432,00 MHz.
- Trasmettere una sequenza codificata di Manchester dal caricabatterie/trasmettitore premendo il tasto R nel terminale PuTTY e ricevere la risposta OOK modulata dall'impianto tramite l'osservazione della finestra principale di HDSDR ( Figura 17e-f).
5. l'eutanasia dopo l'esperimento
- Utilizzare un'overdose di anestetica per l'eutanasia (dose letale di thiopental e KCl).
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Representative Results
Figura 17 Mostra che un posizionamento endoscopico di neurostimolatore gastrico in una tasca nel submucosa nonché il corretto posizionamento degli elettrodi per lo strato muscolare è stato completato. Le dimensioni del dispositivo (Figura 10) sono 35 x 15 x 5 mm3 , mentre il peso è 2.15 g. Figura 17 Mostra il diagramma di circuito del dispositivo mostrando che il dispositivo è composto da 6 diversi moduli che sono collegati tra loro. La figura 3 Mostra il posizionamento PCB layout e componente nel dispositivo. Figura 18 Mostra che al fine di impiantare il dispositivo nello strato sottomucoso, è stata utilizzata una tecnica chiamata un tasca submucosal endoscopica9,10 (ESP). Lo stimolatore è stato fissato nei pressi dello strato muscolare (propria di muscularis) dove teoricamente è la profondità di stimolazione ottimale. Creazione della tasca submucosal e l'impianto del neurostimolatore gastrico endoscopically ha preso 20 – 30 min. Durante questa procedura, non c'è nessuna complicazione intraprocedurale quali perforazione o spurgo severo. Migrazione del dispositivo nello stomaco non potrebbe essere determinato perché l'esperimento era non-sopravvivenza. Dopo l'impianto, il collegamento di comunicazione bidirezionale con il dispositivo impiantabile nasce con un dispositivo esterno, illustrato nella Figura 14. La distanza approssimativa tra la bobina di carica/programmatore e l'impianto era di 10cm. Il raggiunto rapporto di segnale-rumore (SNR) con ricevitore base software-defined-radio (SDR) RTL2832 era oltre 40 dB.
Figura 1 : Diagramma schematico del dispositivo impiantabile. La figura mostra come i diversi componenti e parti del circuito sono collegati nel dispositivo impiantabile. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2 : Fabbricazione del dispositivo impiantabile - Assemblaggio PCB. (un) PCB, vista dall'alto. (b) saldatura incolla applicato al livello superiore. condensatore (c), un esempio di posizionamento di mano di 0402. (d), saldatura incolla applicato al livello inferiore. (e) completamente popolato lato superiore del PCB. (f) completamente popolato lato inferiore del PCB Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3 : Progettazione del dispositivo impiantabile. (un) strato di rame superiore del PCB. (b) i nomi di componente sullo strato superiore. (c) rame inferiore strato del PCB. (d) i nomi del componente sullo strato inferiore. Foto di (e) composito di tutti i livelli di PCB Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4 : Fabbricazione del dispositivo impiantabile — preparazione di altre parti. (un) flusso di aria calda del lato inferiore del PCB. (b) programmazione fili saldati sul circuito stampato. (c) PCB collegato al programmatore. bobina di carica (d), senza fili. (e) 432 MHz antenna. (f), stimolazione elettrodi con due fili collegati Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5 : Consigliato saldare posizionamento congiunto per i componenti esterni del dispositivo impiantabile. L'immagine mostra dove la bobina, antenna, batteria e gli elettrodi devono essere saldati. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6 : Stabilire una connessione con il dispositivo impiantabile — impostazioni importanti citate nel testo sono contrassegnate con frecce rosse. Questa immagine è dal software MPLAB IPE, una schermata in cui viene illustrato come determinare che il microcontrollore all'interno del dispositivo impiantabile comunica correttamente con il programmatore PICkit è fornita. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7 : Impostazioni del software utilizzato per la programmazione dell'alimentazione — impostazioni importanti citate nel testo sono contrassegnate con frecce rosse. Si tratta di foto dal software MPLAB IPE. Viene illustrato come per alimentare correttamente il dispositivo impiantabile per la programmazione Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8 : Scegliendo un file di programmazione corretto per il dispositivo impiantabile. L'immagine mostra quale pulsante fare clic per caricare correttamente il file. Hex supplementari. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 9 : Processo di programmazione del firmware nel dispositivo impiantabile. L'immagine Mostra pulsante da premere per programmare il software nel dispositivo impiantabile. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 10 : Fabbricazione del dispositivo impiantabile — assemblaggio finale. (un) carica batteria, elettrodi di stimolazione e l'antenna senza fili saldati al PCB, insieme a batteria. dell'impianto (b) in pila. (c) trasparente termorestringente tubazione messa sopra il PCB. (d) Shrinking del tubo con aria calda. (e) della tubazione completamente shrinked e incollate le estremità. (f) finalizzato dispositivo impiantabile Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 11 : Modello di stimolazione di uscita tipica del dispositivo come visualizzato sull'oscilloscopio DSOX1102G. Dopo la programmazione del dispositivo impiantabile, saldatura di elettrodi e la batteria, modello di stimolazione uscita simile a quella visualizzata nella figura dovrebbe apparire agli elettrodi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 12 : Diagramma schematico del dispositivo caricabatterie/trasmettitore wireless. La figura è analogica alla Figura 1. Mostrato qui è il funzionamento interno del dispositivo caricabatterie/trasmettitore wireless Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 13 : Progettazione del dispositivo caricabatterie/trasmettitore. (un) strato di rame superiore del PCB. (b) i nomi di componente sullo strato superiore. (c) rame inferiore strato del PCB. (d) i nomi del componente sullo strato inferiore. Foto di (e) composito di tutti i livelli di PCB Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 14 : Fabbricazione del dispositivo caricabatterie/trasmettitore wireless. (un) completato PCB, lato superiore (b) completato sul lato inferiore del PCB (c), progettazione meccanica del trasmettitore/caricabatterie senza fili bobina (d) una possibile incarnazione del dispositivo finalizzato caricatore/trasmettitore cliccate qui per visualizzare la versione ingrandita di questa figura.
Figura 15 : Correggere le impostazioni del software HDSDR. Il software HDSDR è usato insieme con il RTL2832U base USB dongle di ricezione come un analizzatore di spettro per visualizzare lo spettro radio. In questo caso, esso è utilizzato per ricevere la risposta dall'impianto trasmesso a circa 432 MHz. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 16 : Correggere le impostazioni del software PuTTY. Il software PuTTY è utilizzato per la comunicazione con il dispositivo del caricatore/trasmettitore. Deve essere correttamente configurato per visualizzare dati corretti per l'utente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 17 : Endoscopical impianto del dispositivo impiantabile e controllando se funziona. (un) In vivo modello animale unità endoscopica. (b) inserimento dell'endoscopio dallo standard modo nel modello in vivo . prototipo di dispositivo (c) impiantabile afferrato con un laccio. (d) processo di stabilire il collegamento senza fili bidirezionale con il dispositivo impiantabile. software (e) HDSDR. (f) dettaglio di OOK modulata dati trasmessi dall'impianto. (g) x-ray — controllo di posizione del dispositivo. (h) raggi x scansione della zona dell'impianto, il dispositivo così come sopra la clip di ambito è chiaramente visibile. (io) Detailed vista periferica. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 18 : Vista l'impianto del dispositivo e tecnica endoscopica. (un) iniezione Submucosal con blu di metilene. (b) incisione Submucosal (un ingresso per la formazione di tasca submucosal). (c) Tunnelisation della tasca submucosal. (d-f) D'interruzione, dilatando e lo strato submucosal di dissezione. (g, h) Impianto del dispositivo. (io) chiudendo l'entrata con sopra il clip di ambito. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Complementare File 1: gerber_implant.7z. Archivio zip con i file necessari per la fabbricazione di scheda di circuito stampato del dispositivo impiantabile. Per favore clicca qui per scaricare questo file
Complementare File 2: gerber_transmitter.7z. Archivio zip con i file necessari per la fabbricazione di scheda di circuito stampato del dispositivo caricabatterie/trasmettitore. Per favore clicca qui per scaricare questo file
Complementare File 3: gerber_electrodes.7z. Archivio zip con i file necessari per la fabbricazione di elettrodi. Per favore clicca qui per scaricare questo file
File complementare 4: IMPLANTABLE_V2. X.Production.Hex. Firmware per il dispositivo impiantabile. Per favore clicca qui per scaricare questo file
File supplementari 5: IMPLANTABLE_V2_TRANSMITTER. X.Production.Hex. Firmware per il dispositivo del caricatore/trasmettitore. Per favore clicca qui per scaricare questo file
6 File supplementari: bom_implantabledevice.csv. Bill di file di materiali (BOM) che descrive l'assegnazione di valori di componente per specifici componenti sul PCB del dispositivo impiantabile. Per favore clicca qui per scaricare questo file
Complementare File 7: bom_transmitterdevice.csv. File BOM che descrive l'assegnazione di valori di componente per specifici componenti sul PCB del dispositivo caricabatterie/trasmettitore. Per favore clicca qui per scaricare questo file
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Discussion
Il design del dispositivo impiantabile dovrebbe concentrarsi principalmente sulla dimensione complessiva del dispositivo, profili realizzabili stimolazione (massima tensione, massima corrente deliverable, lunghezza di impulsi e frequenza di impulso). Principale limitazione dal punto di vista dell'hardware è la dimensione e la disponibilità di componenti adatti. Per ridurre al minimo le dimensioni complessive, componenti a montaggio superficiale sono preferiti a causa del loro imballaggio compatto. La soluzione migliore sarebbe integrare chip nudo muore sul substrato. Tuttavia, questo è limitato da entrambi la disponibilità dell'opzione di imballaggio die nuda per i componenti e l'accessibilità del filo tecnologia di incollaggio. Secondo parametro importante è la batteria. Batterie al litio sono preferite a causa della sua elevata densità di energia. Inoltre, la tensione nominale di 3,7 V è benefica. Il vantaggio principale della topologia hardware presentato è la sua piccola dimensione e minima invasività. Rispetto alle attuali soluzioni7,8, la soluzione presentata è un ordine di grandezza più piccoli e possa essere impiantata direttamente al submucosa, senza necessità di cavi esterni e l'impianto sottocutaneo del neurostimolatore.
Fatta eccezione per l'hardware in sé, in futuro, ulteriore attenzione deve essere dato per la custodia del dispositivo. Il primo punto è la biocompatibilità e l'ermeticità11 per evitare possibile rigetto dell'impianto. L'altra è la fissazione del dispositivo nel submucosa per evitare indesiderate migrazione dell'impianto.
Le fasi più critiche durante l'impianto endoscopico è l'acquisizione del dispositivo e la sua collocazione nella tasca submucosal. La limitazione è la dimensione della tasca, che deve essere, dalle osservazioni, circa almeno due volte grande quanto il dispositivo da impiantare. Prossimo numero è il corretto orientamento dell'impianto all'interno della tasca. Con il rispetto per le difficoltà tecniche della procedura endoscopica, questo metodo è dedicato a esperti con esperienza con dissezione del tunnel o perorale miotomia endoscopica (POEM).
La prossima parte problematica è la chiusura della tasca che è relativamente difficile utilizzando oltre la clip di ambito. Tuttavia, l'uso di questo tipo di clip impedisce la migrazione e il rifiuto del dispositivo. Limitazioni di questa tecnica dal punto di vista hardware includono le attrezzature di sviluppo hardware a saldare con precisione richiesta. Il dispositivo è progettato per resistere durante l'intervento chirurgico e un breve tempo in seguito. Così, con recinzione attuale, esso non è progettato per soggiornare per periodi prolungati di tempo all'interno del corpo. Inoltre, il materiale dell'involucro non è biocompatibile che rappresenta un elevato rischio di rigetto dell'impianto in caso di un esperimento di sopravvivenza. Questa tecnica può essere ulteriormente sviluppata, soprattutto in termini di sviluppo di recinzione biocompatibili ed ermetico che è essenziale per gli esperimenti di modello di sopravvivenza. Successivamente, la funzionalità di più circuiti integrati possa essere concentrata in un circuito integrato specifico di singola applicazione. Allo stesso modo, più piccoli componenti a montaggio superficiale possono essere utilizzati per rendere il dispositivo più compatto. La direzione possibile successiva di questa ricerca può condurre allo sviluppo di metodi innovativi esami endoscopici per il trattamento di altre malattie gastrointestinali come GERD, incontinenza o sfintere disfunzioni12.
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Disclosures
Questo lavoro è stato supportato da ricerca progetto PROGRES-Q28 ed assegnato da Charles University di Praga. Gli autori ringraziano per culo. Prof. ssa Jan Martínek, pH.d. e PIGMOD centro.
Acknowledgments
Gli autori dichiarano di non avere nessun concorrenti interessi finanziari.
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
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