Summary

Autonoma och laddningsbara Microneurostimulator endoskopiskt implanterbara i Submucosa

Published: September 27, 2018
doi:

Summary

Tillämpningen av högfrekventa låg-energisk stimulering kan lindra symptomen av gastric dysmotilitet. I denna forskning presenteras en miniatyr, endoskopiskt implanterbara och trådlöst laddningsbart enhet som är inopererad i en submukosala ficka. Framgångsrik dubbelriktad kommunikation och stimulering kontroll uppnåddes under ett experiment på levande gris.

Abstract

Gastric dysmotilitet kan vara ett tecken på vanliga sjukdomar såsom långvariga diabetes mellitus. Det är känt att tillämpningen av högfrekventa låg-energisk stimulering kan bidra till att effektivt dämpa och lindra symptomen av gastric dysmotilitet. Målet med forskningen var utvecklingen av en miniatyr, endoskopiskt implanterbara anordningen till en submukosala ficka. Den implanterbara anordningen är en helt skräddarsydd elektroniska paket som var speciellt utformad för försök i submucosa. Enheten är utrustad med ett litium-jon-batteri som kan laddas trådlöst genom att ta emot en incident magnetfältet från spolen laddning/överföring. Uplink meddelande uppnås i ett MedRadio band på 432 MHz. Enheten infogades endoskopiskt i submukosala fickan på en levande tamsvin som används som en in-vivo modell, speciellt i den magen antrum. Experimentet bekräftat att designade enheten kan implanteras i submucosa och klarar av dubbelriktad kommunikation. Enheten kan utföra bipolär stimulering av muskelvävnad.

Introduction

Gastric dysmotilitet kan vara ett tecken på flera relativt vanliga sjukdomar såsom gastropares, som kännetecknas vanligtvis av en kronisk progression och ställer ganska allvarliga konsekvenser på sociala, arbetsrelaterade och fysisk status för patienten. De flesta fall av gastropares är vanligtvis diabetiker eller idiopatiskt ursprung och är ofta resistenta mot tillgängliga medicinering1. Patienter som lider av detta villkor oftast presenterar med illamående och upprepade kräkningar. Utifrån tidigare forskning, är det känt att tillämpningen av högfrekventa låg-energisk elektrisk stimulering kan bidra till att effektivt dämpa och lindra symptomen av gastric dysmotilitet1,2.

Utifrån tidigare studier, är det bevisat att högfrekventa gastric elektrisk stimulering kan avsevärt förbättra symtomen och gastric tömma3. Det har också visat att lägre esofagus ringmuskel neurostimulator terapi är säker och effektiv för behandling av gastroesofageal refluxsjukdom (GERD), minska sura exponeringen och eliminerar dagligen proton-pump inhibitor (PPI) behandling utan stimulering relaterade biverkningar4. Innan försök på människa utfördes första studier i djurmodeller (canine modeller5). Baserat på dessa studier, orsakade elektrisk stimulering av den nedre matstrupen sphincter (LES, 20 Hz, pulsbredd av 3 ms) en långvarig sammandragning av LES5. Liknande effekter av hög (20 Hz, pulsbredd 200 μs) och lågfrekventa (6 cykler/min, pulsbredd 375 ms) elektrisk stimulering på LES GERD patienter undersöktes. Både hög- och lågfrekvent stimulering var effektiv6. Dock för närvarande, finns det bara två neurostimulering enheter för magsäcken eller matstrupen stimulering på marknaden7,8. I dessa enheter, kan elektroderna implanteras kirurgiskt, laparoscopically eller robotically. Själva enheten är implanteras subkutant. Detta kräver allmän anestesi och har en skrymmande enhet monterad, med hjälp av intramuskulär katetrar som möjliggör stimulering av magsäcken eller matstrupen muskelvävnad. Så, alternativet för att använda ett trådlöst kommunicerande enhet implanteras i det gastric submukösa lagret skulle innebära en definitiv fördel och förbättring av patientens komfort. Som nämnts i tidigare forskning9,10, bevisades det att en implantation av en miniatyr neurostimulator i submucosa är möjligt. För endoskopisk submukosala implantation, vi använder en teknik som kallas endoskopisk submukosala fickfräsning (ESP), baserat på endoskopisk submukosala tunnel dissektion10. Målet med denna forskning är att ytterligare förbättra detta begrepp av en implanterbar neurostimulator, främst i tillämpningsområdet för energisparfunktioner (särskilt den trådlös laddning kapaciteten), överensstämmelse med respektive lagar och förordningar för trådlösa kommunikationslänkar implanterbara medicintekniska och möjligheten att bipolär neurostimulering. Nästa, den presenterade microneurostimulator klarar av dubbelriktad kommunikation och stimulering parametrarna kan ändras i realtid, även när enheten är implanterad.

Denna teknik är lämplig för lag med en terapeutisk endoscopist upplevt i endoskopisk kasserar eller tunnel dissektioner. Nästa, en maskinvara och inbyggd programvara formgivare med erfarenhet av bygga maskinvara prototyper med mikrokontroller och radiofrekvens kretsar med ytmontering teknik behövs. För att bygga maskinvara prototyper, krävs ett labb utrustat med en reflow lödning station och grundläggande utrustning för elektriska mätningar (minst en digital multimeter, ett oscilloskop, spektrumanalysator och PICkit3 programmerare).

Protocol

Alla endoskopisk förfaranden inklusive animaliska ämnen har godkänts vid Institutet för djurs fysiologi och genetik, akademin av vetenskap Tjeckien (biomedicinska Center PIGMOD), Libechov, Tjeckien (projektet experiment i implantation av batteri-mindre och batteri enheter i submucosa i matstrupe och magsäck-experimentell studie). Alla experiment görs i enlighet med tjeckiska lag 246/1992 Sb. ”om skydd av djur mot misshandel, ändrat”. Sändare enhet krävs inte steriliseras, eftersom det är en extern enhet so…

Representative Results

Figur 17 visar att en endoskopisk placering av den gastric neurostimulator i en ficka i submucosa samt lämplig placering av elektroderna till den muskulösa lagret var framgångsrik. Måtten på enheten (figur 10) är 35 x 15 x 5 mm3 medan vikten är 2.15 g. figur 17 visar kopplingsschemat för den enhet som visar att den består av 6 olika moduler som är sammankopplade. <strong clas…

Discussion

Utformningen av den implanterbara anordningen bör främst inriktas på den totala storleken på enheten, uppnåbara stimulering profiler (maximal spänning, maximal slutprodukt ström, längd av pulser och puls frekvens). Största begränsningen hårdvara perspektiv är storlek och tillgången på lämpliga komponenter. För att minimera den totala storleken, är ytmontering komponenter att föredra på grund av deras kompakta förpackningar. Den bästa lösningen skulle vara att integrera nakna chip dör på substratet…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Författarna förklarar att de har inga konkurrerande finansiella intressen.

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