Summary

Autonomo e ricaricabile Microneurostimulator endoscopicamente impiantabili nel Submucosa

Published: September 27, 2018
doi:

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.

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…

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 comp…

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…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Gli autori dichiarano di non avere nessun concorrenti interessi finanziari.

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

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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).

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