Стимуляция блуждающего нерва у свиней с помощью миниатюрного беспроводного стимулятора

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 8184 (2022) Цитировать эту статью

3520 Доступов

5 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Нейромодуляция периферических нервов клинически используется по широкому кругу показаний. Беспроводные и безбатарейные стимуляторы обладают важными возможностями, такими как отсутствие необходимости повторной эксплуатации и увеличенный срок службы по сравнению с их проводными аналогами. Однако существует сложный компромисс между размером устройства и его рабочим диапазоном, что может ограничить их использование. Это исследование было направлено на изучение функциональности недавно разработанных имплантатов с беспроводным питанием и управлением при стимуляции блуждающего нерва у свиней. В имплантате использовалась индуктивная связь ближнего поля на промышленном, научном и медицинском диапазоне 13,56 МГц для сбора энергии с внешней катушки. Круглый имплантат имел диаметр 13 мм и весил 483 мг вместе с манжеточными электродами. Были оптимизированы эффективность индуктивной связи и устойчивость к расстоянию и перекосам. В результате удельная скорость поглощения оказалась на порядки ниже предела безопасности, а стимуляцию можно провести, используя только 0,1 Вт внешней мощности. Впервые на свиньях была продемонстрирована беспроводная и безбатарейная ВНС с дальностью действия более 5 см. Всего у трех взрослых свиней было проведено 84 стимуляции блуждающего нерва (по 10 с каждая). При количественном сравнении эффективности устройств ВНС эффективность систем снижения частоты сердечных сокращений была одинаковой как в обычных (75%), так и в беспроводных (78,5%) системах. Ширина импульса и частота стимуляции измерялись в обеих системах и определялся ответ на физиологические маркеры. Результаты были легко воспроизводимы, а методы, использованные в этом исследовании, могут послужить основой для будущих имплантатов с беспроводным питанием.

За последнее десятилетие имплантируемые медицинские устройства (IMD) оказались полезными в клиническом лечении гипертонии1, боли2, неврологических расстройств3 и воспалений4 посредством электрофизиологической стимуляции. Некоторые примеры успешных демонстраций IMD включают гибкую беспроводную оптоэлектронику ближнего поля, такую как подкожные имплантаты5, беспроводную, безбатарейную и полностью имплантируемую электрическую нейростимуляцию у свободно движущихся грызунов6,7, а также беспроводную систему спинальной стимуляции для вентральной активации шейного отдела спинного мозга крыс8. Технические разработки привели к более широкому использованию нейромодуляции при лечении различных заболеваний с использованием менее инвазивных методов модуляции периферических нервов, таких как стимуляция блуждающего нерва (ВНС) и стимуляция дорсальных корешков ганглиев9,10,11.

Существует ограниченное количество исследований, в которых изучалась беспроводная стимуляция периферических нервов, включая блуждающий нерв. VNS-терапия была одобрена FDA для использования для снижения частоты припадков у больных эпилепсией и для лечения депрессии12,13,14. Блуждающий нерв содержит афферентные (80%) и эфферентные (20%) волокна15. Тела клеток афферентных нервных волокон блуждающего нерва расположены в нижнем блуждающем ганглии, проецируясь центрально в центральную нервную систему, где их отростки заканчиваются преимущественно в одиночном ядре (NTS)15,16. От NTS идут прямые афферентные проекции к голубому пятну и ядрам шва, которые широко проецируются на структуры, включая таламус, мозжечок, гипоталамус, миндалевидное тело, островковую оболочку, поясную извилину и лобные области коры. Активация этого пути может объяснить когнитивные и поведенческие изменения, вызванные VNS17. Нисходящие эфферентные волокна от ядра ambiguous и ядра dorsalis в стволе мозга соединяют висцеральные органы, включая легкие, сердце и желудочно-кишечный тракт, с центральной нервной системой18. Повышенная активность эфферентного блуждающего нерва приводит к замедлению сердечного ритма за счет ингибирования синоатриального узла за счет высвобождения ацетилхолина, основного нейромедиатора блуждающего нерва18. Влияние ВНС на нисходящий путь позволяет контролировать работоспособность устройства и количественно сравнивать его характеристики с традиционными системами.

1000\times \)). Biocompatible epoxy (EPO-TEK, MED301) is placed on the PCB for encapsulation and insulation from blood. Figure 2e represents a sample output voltage in response to 100 \(\upmu \)s stimulation at frequency of 20 Hz and 5 Hz. The PCB needs about 20 ms to balance the charge. By choosing a smaller filter capacitance, this time can be reduced however the penalty is less charge being delivered to the tissue. Figure 2f shows the 100 \(\upmu \)s pulses, and it should be considered that the stimulator was loaded with the equivalent circuitry measured from the EIS of the tissue. The chip activates the output whenever there is a notch in the incoming RF waves, as shown in Fig. 2f, and wirelessly transmitted notches are controlled by an external RF signal generator (E4428C, Hewlett Packard Inc.). The voltage of the stimulator is regulated between the 3.7 and 2.6 V by on-chip voltage limiter and control loop. The stimulator, including the protective epoxy, weighs only 483 mg and 81 mg with and without cuff electrodes. The light weight of the stimulator is mainly due to the elimination of the battery and incorporation of small SMD components. The cuff electrodes (PerenniaFLEX Model 304) and SMD components are assembled on the PCB using silver epoxy (EPO-TEK, H20E). All samples were put in phosphate-buffered saline (PBS) three days before the implantation to test for the leakage and isolation of the device./p>200\)) 47 pF capacitor. Unlike the transmitter coil, the inductance cannot be directly measured due to the high parasitic inductance of probes and the relatively small size of the receiver coil. Before matching the Tx coil, using a novel method, in a separate setup, the minimum power for LED to start blinking using an unmatched (wide-band) Tx coil was measured at different carrier frequencies. The unmatched Tx coil transmits pulses of 100 \(\upmu \)s every one second. At a fixed frequency, the power is increased slowly until the LED starts blinking. This indicates that at least 2.7 V is accumulated on the storage capacitor, and power of 80 \(\upmu \)W is delivered by the chip. The frequency at which minimum power is required to turn on the LED is the resonance frequency of the coil. The result is shown in Fig. 3a and verifies that a carrier frequency of 13.56 MHz requires the minimum power. To ensure maximum power delivery from the signal generator, the transmitter coil was matched to 50 \(\Omega \) at the same resonance frequency. The S11 measured using the VNS (PNA-L network analyzer) Model N5230C shows better than \(-\)38.4 dB matching, and therefore the terminal efficiency is higher than 99.99\(\%\). The measured \(S_{11}\) versus frequency is shown in Fig. 3b./p>

Блог

Стимуляция блуждающего нерва у свиней с помощью миниатюрного беспроводного стимулятора