Summary

Autonome og genopladeligt Microneurostimulator endoskopisk Implantable ind i Submucosa

Published: September 27, 2018
doi:

Summary

Anvendelsen af højfrekvens lav-energisk stimulering kan lindre symptomerne på gastrisk dysmotility. I denne forskning præsenteres en miniature, endoskopisk implantable og trådløst genopladeligt enhed, der er implanteret i en submukøse lomme. Vellykket både-vejs kommunikation og stimulation kontrol blev opnået under et eksperiment på levende svin.

Abstract

Gastrisk dysmotility kan være et tegn på fælles sygdomme som langvarige diabetes mellitus. Det er kendt, at anvendelsen af højfrekvens lav-energisk stimulering kan bidrage til at effektivt moderat og lindre symptomerne på gastrisk dysmotility. Målet med forskningen var udviklingen af en miniature, endoskopisk implantabel anordning til en submukøse lomme. De implantable enhed er en fuldt tilpassede elektroniske pakke, som var specielt designet til forsøg i submucosa. Enheden er udstyret med et lithium-ion batteri, som oplades trådløst ved at modtage en hændelse magnetfelt fra opladning/fremsendende spolen. Uplink kommunikation er opnået i et MedRadio band på 432 MHz. Enheden blev endoskopisk indsat i en levende indenlandsk gris bruges som en i vivo model, specielt i maven antrum submukøse lommen. Eksperimentet bekræftet, at designet enheden kan implanteres i submucosa og er i stand til at tovejs kommunikation. Enheden kan udføre bipolar stimulation af muskelvæv.

Introduction

Gastrisk dysmotility kan være et tegn på flere relativt almindelige sygdomme som gastroparese, som er normalt karakteriseret ved en kronisk progression og pålægger temmelig alvorlige konsekvenser på det sociale, arbejdsmæssige og fysiske status af patienten. De fleste tilfælde af gastroparese er normalt diabetiker eller idiopatisk oprindelse og er ofte resistente til rådighed medicin1. Patienter rammes af denne betingelse oftest præsentere med kvalme og gentagne opkastninger. Baseret på tidligere forskning, er det kendt, at anvendelsen af højfrekvens lav-energiske elektrisk stimulation kan hjælpe effektivt moderat og lindre symptomerne på gastrisk dysmotility1,2.

Baseret på tidligere undersøgelser, er det bevist, at højfrekvente gastrisk elektrisk stimulation kan forbedre symptomer og gastrisk tømning3. Det har også vist sig at lavere esophageal sphincter neurostimulator terapi er sikker og effektiv til behandling af gastroøsofageal reflukssygdom (GERD), reducere den syre eksponering og eliminerer dagligt proton pumpe hæmmer (PPI) skik uden stimulation relaterede bivirkninger4. Før forsøg på mennesker, blev første undersøgelser udført i dyremodeller (canine modeller5). Baseret på disse studier, forårsaget elektrisk stimulation af den lavere esophageal sphincter (LES, 20 Hz, pulse bredde 3 MS) en forlænget kontraktion af LES5. Lignende effekter af høj (20 Hz, pulse bredde af 200 μs) og lav (6 cyklusser/min., pulse bredde på 375 ms) frekvens elektrisk stimulation på LES i GERD patienter blev undersøgt. Både høj og lav frekvens stimulation blev effektiv6. I øjeblikket, dog der kun to neurostimulation enheder for gastrisk eller esophageal stimulation tilgængelige på markedet7,8. I disse enheder, kan elektroderne implanteret kirurgisk, laparoscopically eller robot. Selve enheden er implanteret subkutant. Dette kræver generel anæstesi og har en omfangsrig anordning, ved hjælp af intramuskulær katetre, som giver mulighed for stimulering af gastrisk eller esophageal muskelvæv. Så ville mulighed for at bruge en trådløs kommunikation enhed implanteret i laget gastrisk submukøse repræsentere en klar fordel og forbedring i patientens komfort. Som anført i den tidligere forskning9,10, var det bevist, at en implantering af en miniature neurostimulator i submucosa er muligt. For den endoskopiske submukøse implantation, bruger vi en teknik kaldet endoskopisk submukøse lommetyveri (ESP), baseret på endoskopisk submukøse tunnel dissektion10. Målet med denne forskning er at yderligere forbedre dette koncept af en implantable neurostimulator, primært i anvendelsesområdet for strømstyring (specifikt den trådløs genopladning kapacitet), overensstemmelse med respektive love og forskrifter til trådløs kommunikationsforbindelser i medicinsk implantabelt udstyr og muligheden for bipolar neurostimulation. Dernæst præsenteres microneurostimulator er habil i torettet kommunikation og stimulation parametre kan ændres i realtid, selv mens enheden er implanteret.

Denne teknik er egnet til hold med et terapeutisk endoscopist oplevet i endoskopisk lommetyveri eller tunnel dissektioner. Næste, en hardware og indlejret software designer med erfaring i opbygning af hardware prototyper med microcontrollers og radiofrekvens kredsløb ved hjælp af overflade mount teknologi er nødvendig. For at opbygge hardware prototyper, er et laboratorium, der er udstyret med en reflow lodning station og grundlæggende udstyr til elektriske målinger (mindst et digital multimeter, et oscilloskop, en spectrum analyzer og PICkit3 programmør) påkrævet.

Protocol

Alle endoskopiske procedurer herunder animalske emner er blevet godkendt på Institute for Animal fysiologi og genetik, akademi for videnskab Tjekkiske Republik (Biomedicinsk Center PIGMOD), Libechov, Tjekkiet (projekt eksperimenter i implantation af akkumulator-færre og batteri enheder ind i submucosa af spiserør og mavesæk-eksperimentel undersøgelse). Alle forsøg udføres i overensstemmelse med tjekkisk lovgivning 246/1992 vejledende “om beskyttelse af dyr mod mishandling, som ændret”. Sender enheden er ikke for…

Representative Results

Figur 17 viser at en endoskopisk placering af gastrisk neurostimulator ind i en lomme i submucosa og korrekt placering af elektroder til muskuløs lag var vellykket. Dimensioner af enheden (figur 10) er 35 x 15 x 5 mm3 , mens vægten er 2.15 g. Figur 17 viser Ledningsdiagram af enheden viser at enheden består af 6 forskellige moduler, der er forbundet med hinanden. <strong class="xfig…

Discussion

Udformningen af det implantérbare udstyr bør primært fokusere på den samlede størrelse af enheden, opnåelige stimulation profiler (maksimal spænding, maksimale leverance strøm, længden af pulser og puls frekvens). Vigtigste begrænsning fra hardware perspektiv er størrelsen og tilgængeligheden af egnede komponenter. For at minimere den samlede størrelse, foretrækkes overflade mount komponenter på grund af deres kompakte emballage. Den bedste løsning ville være at integrere nøgne chip dør på underlaget….

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne erklærer, at de har ingen konkurrerende finansielle 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

Riferimenti

  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/it/57268?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
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