Summary

Autonome og oppladbar Microneurostimulator vanndampsteri innføres i Submucosa

Published: September 27, 2018
doi:

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).

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…

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</str…

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 …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne erklærer at de har ingen konkurrerende økonomiske interesser.

Materials

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

  1. Abell, T., et al. Gastric electrical stimulation for medically refractory gastroparesis. Gastroenterology. 125 (2), 421-428 (2003).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Medtronic Inc, . . Enterra Therapy 3116 – Gastric Electrical Stimulation System. , (2016).
  8. 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).
  9. Hajer, J., Novák, M. Development of an Autonomous Endoscopically Implantable Submucosal Microdevice Capable of Neurostimulation in the Gastrointestinal Tract. Gastroent Res Pract. , 8098067 (2017).
  10. 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).
  11. Jiang, G., Zhou, D. D. . Technology advances and challenges in hermetic packaging for implantable medical devices. , (2017).
  12. 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).
check_url/cn/57268?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Hajer, J., Novák, M. Autonomous and Rechargeable Microneurostimulator Endoscopically Implantable into the Submucosa. J. Vis. Exp. (139), e57268, doi:10.3791/57268 (2018).

View Video