Summary

Autonome en oplaadbare Microneurostimulator Endoscopically implanteerbare in de Submucosa

Published: September 27, 2018
doi:

Summary

De toepassing van hoge-frequentie laag-energetische stimulatie kan verlichten de symptomen van maagzuur dysmotility. In dit onderzoek, wordt een miniatuur, endoscopically implanteerbare en draadloos oplaadbaar apparaat die is geïmplanteerd in een submucosal zak gepresenteerd. Succesvolle zowel-weg communicatie en stimulatie controle werden bereikt tijdens een experiment op levende varken.

Abstract

Maag dysmotility kan een teken van voorkomende ziekten zoals langdurige diabetes mellitus. Het is bekend dat de toepassing van hoge-frequentie laag-energetische stimulatie helpen kan om effectief te matigen en verlichten de symptomen van maagzuur dysmotility. Het doel van het onderzoek was de ontwikkeling van een miniatuur, endoscopically implanteerbaar hulpmiddel aan een submucosal zak. Het implanteerbare hulpmiddel is een volledig aangepaste elektronische pakket dat specifiek met het oog op experimenten in de submucosa ontworpen werd. Het apparaat is uitgerust met een lithium-ion-batterij die kan draadloos worden opgeladen door het ontvangen van een incident magneetveld van de spoel opladen/verzenden. De mededeling van de uplink is bereikt in een MedRadio band op 432 MHz. Het apparaat was endoscopically in de submucosal zak van een levende varken gebruikt als een in vivo model, specifiek in de maag antrum ingevoegd. Het experiment bevestigd dat de designproduct kan worden geïmplanteerd in de submucosa en staat bidirectionele communicatie is. Het apparaat kan het uitvoeren van bipolaire stimulatie van spierweefsel.

Introduction

Maag dysmotility kan een teken van verschillende relatief voorkomende ziekten zoals gastroparese, die meestal wordt gekenmerkt door een chronische progressie en legt nogal ernstige gevolgen voor de sociale, werkgerelateerde en fysieke status van de patiënt. Meeste gevallen van gastroparese zijn meestal diabetische of idiopathisch oorsprong en zijn vaak resistent tegen beschikbaar medicatie1. Patiënten kampen met deze aandoening meestal presenteren met misselijkheid en herhaald braken. Op basis van eerder onderzoek, is het bekend dat de toepassing van hoge-frequentie laag-energetische elektrische stimulatie helpen kan om effectief te matigen en verlichten de symptomen van maagzuur dysmotility1,2.

Gebaseerd op eerdere studies, is het bewezen dat hoogfrequente maag elektrische stimulatie kan aanzienlijke verbetering van de symptomen en de maag leeg3. Het heeft ook aangetoond dat de lagere esophageal sfincter neurostimulator therapie is veilig en effectief voor de behandeling van gastroesophageal terugvloeiingsziekte (GERD), de blootstelling van het zuur te verminderen en te elimineren dagelijks protonpomp remmers (PPI) gebruik zonder stimulatie gerelateerde bijwerkingen4. Vóór menselijke proeven, werden eerste studies uitgevoerd in diermodellen (canine modellen5). Op basis van deze studies, veroorzaakt elektrische stimulatie van de onderste oesofageale sluitspier (20 Hz, LES, pulsbreedte van 3 ms) een langdurige samentrekking van de LES5. Soortgelijke effecten van de hoge (20 Hz, pulsbreedte van 200 µs) en (6 cycli/min, pulsbreedte van 375 ms) laagfrequente elektrische stimulatie op LES bij GERD patiënten werden onderzocht. Zowel de hoge en de lage frequentie stimulatie waren effectief6. Nochtans, momenteel zijn er slechts twee neurostimulatie apparaten voor stimulatie van de maag of slokdarm beschikbaar op de markt7,8. In deze apparaten, kunnen de elektroden worden geïmplanteerd operatief, laparoscopically of robot. Het apparaat zelf is subcutaan geïmplanteerd. Dit vereist van de narcose en een omvangrijk inrichting, met behulp van intramusculaire katheters waardoor voor de stimulatie van de maag of slokdarm spierweefsel hebben. Dus, de optie van het gebruik van een draadloos communiceren apparaat geïmplanteerd in de maag submucosal laag zou betekenen, een duidelijk voordeel en de verbetering van het comfort van de patiënt. Zoals in het vorige onderzoek9,10, werd het bewezen dat een innesteling van een neurostimulator miniatuur in submucosa mogelijk is. Voor de Endoscopische submucosal implantatie, gebruiken we een techniek genaamd Endoscopische submucosal pocketing (ESP), op basis van Endoscopische submucosal tunnel dissectie10. Het doel van dit onderzoek is het verder verbeteren van dit concept van een implanteerbare neurostimulator, voornamelijk in het kader van energiebeheer (specifiek de draadloze opladen vermogen), in overeenstemming met de respectieve wet- en regelgeving voor draadloze communicatieverbindingen in medische implanteerbare hulpmiddelen en de mogelijkheid van bipolaire neurostimulatie. Vervolgens de gepresenteerde microneurostimulator is geschikt voor bidirectionele communicatie en de parameters van de stimulatie kunnen worden gewijzigd in real-time, zelfs terwijl het apparaat is geïmplanteerd.

Deze techniek is geschikt voor teams met een therapeutische endoscopist in Endoscopische pocketing of tunnel dissecties ervaren. Vervolgens een hardware en embedded software designer met ervaring in het bouwen van hardware prototypes met microcontrollers en radiofrequentie schakelingen met behulp van surface mount technologie nodig is. Voor het bouwen van de prototypen van de hardware, is een laboratorium dat uitgerust met een reflow soldering station en basisuitrusting voor elektrische metingen (ten minste een digitale multimeter een oscilloscoop, spectrum-analyzer en een PICkit3 programmeur) vereist.

Protocol

Alle Endoscopische procedures, met inbegrip van dierlijke onderwerpen zijn goedgekeurd bij het Instituut van de Fysiologie van de dieren en de genetica, Academie van Science Tsjechië (Biomedical Center PIGMOD), Libechov, Tsjechië (project experimenten in het implanteren van accu-loze en batterij apparaten in de submucosa van de slokdarm en de maag — experimentele studie). Alle experimenten worden uitgevoerd met inachtneming van de Tsjechische wet 246/1992 Sb. “inzake de bescherming van dieren tegen mishandeling, zoal…

Representative Results

Figuur 17 laat zien dat een Endoscopische plaatsing van de maag neurostimulator in een zak in de submucosa evenals goede plaatsing van de elektroden naar de gespierde laag succesvol was. De afmetingen van het apparaat (Figuur 10) zijn 35 x 15 x 5 mm3 , terwijl het gewicht 2.15 is g. Figuur 17 toont het circuit diagram van het apparaat waaruit blijkt dat het apparaat bestaat uit 6 versc…

Discussion

Het ontwerp van het implanteerbare hulpmiddel zich voornamelijk richten op de totale grootte van het apparaat, haalbare stimulatie profielen (maximale spanning, product maximumstroming, duur van de pulsen en pulse frequentie). Belangrijkste beperking vanuit het perspectief van de hardware is de grootte en de beschikbaarheid van geschikte componenten. Om te minimaliseren van de totale grootte, hebben surface mount componenten de voorkeur vanwege hun compacte verpakking. De beste oplossing zou zijn om te integreren kale ch…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.

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