소형 무선 구동 자극기를 이용한 돼지의 미주신경 자극

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 8184(2022) 이 기사 인용

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말초 신경의 신경조절은 광범위한 적응증에 대해 임상적으로 사용되었습니다. 무선 및 배터리 없는 자극기는 재수술이 필요 없고 유선 자극기에 비해 수명이 연장되는 등 중요한 기능을 제공합니다. 그러나 장치 크기와 작동 범위 사이에는 어려운 상충 관계가 있어 사용이 제한될 수 있습니다. 이 연구의 목적은 돼지의 미주 신경 자극에 대해 새롭게 설계된 무선 전력 공급 및 제어 임플란트의 기능을 조사하는 것입니다. 임플란트는 13.56MHz 산업, 과학 및 의료 대역에서 근거리 유도 결합을 사용하여 외부 코일에서 전력을 수확했습니다. 원형 임플란트의 직경은 13mm이고 무게는 커프 전극 포함 시 483mg입니다. 유도 링크의 효율성과 거리 및 오정렬에 대한 견고성이 최적화되었습니다. 그 결과, 비흡수율은 안전 한계보다 몇 배나 낮았고, 0.1W의 외부 전력만으로 자극이 가능했다. 처음으로 작동 범위가 5cm 이상인 무선 및 배터리 없는 VNS가 돼지에서 시연되었습니다. 세 마리의 성체 돼지에서 총 84회의 미주 신경 자극(각각 10초)이 수행되었습니다. VNS 장치의 효율성을 정량적으로 비교한 결과, 심박수 감소에 대한 시스템의 효율성은 기존(75%) 시스템과 무선(78.5%) 시스템 모두에서 비슷했습니다. 자극의 펄스 폭과 빈도는 두 시스템 모두에서 스윕되었으며 생리학적 마커에 대한 반응이 그려졌습니다. 결과는 쉽게 재현 가능했으며, 이 연구에 사용된 방법은 미래의 무선 전력 임플란트의 기초가 될 수 있습니다.

지난 10년 동안 이식형 의료기기(IMD)는 전기생리학적 자극을 통해 고혈압1, 통증2, 신경 장애3 및 염증4의 임상 치료에 유용한 것으로 입증되었습니다. IMD의 성공적인 시연의 몇 가지 예로는 피하 임플란트5, 무선, 배터리 없는 무선 및 완전히 이식 가능한 전기 신경 자극과 같은 유연한 근거리 무선 광전자공학, 자유롭게 움직이는 설치류6,7 및 쥐 경추의 복부 활성화를 위한 무선 척추 자극 시스템이 있습니다8. 기술 개발로 인해 미주 신경 자극(VNS) 및 등근 신경절 자극과 같은 덜 침습적인 말초 신경 조절 방법을 사용하여 다양한 장애를 관리하는 데 신경 조절의 사용이 증가했습니다9,10,11.

미주 신경을 포함한 말초 신경의 무선 자극을 조사한 연구는 제한적입니다. VNS 치료법은 간질 환자의 발작 빈도를 줄이고 우울증 치료에 사용하도록 FDA 승인을 받았습니다12,13,14. 미주 신경에는 구심성(80%) 섬유와 원심성(20%) 섬유가 포함되어 있습니다15. 구심성 미주신경의 세포체는 하미주신경절에 위치하며 중추신경계로 중앙으로 돌출되어 있으며, 그곳에서 세포체의 과정은 주로 NTS(nucleus tractus solitarius)에서 끝난다15,16. NTS에서는 시상, 소뇌, 시상하부, 편도체, 뇌섬엽, 대상 및 전두엽 피질 영역을 포함한 구조에 광범위하게 투영되는 청반 및 솔기핵에 대한 직접적인 구심성 투영이 있습니다. 이 경로를 활성화하면 VNS17에 의해 유발된 인지 및 행동 변화를 설명할 수 있습니다. 뇌간의 모호핵과 등쪽핵에서 하강하는 원심성 섬유는 폐, 심장, 위장관을 포함한 내장 기관을 중추신경계와 연결합니다. 원심성 미주 신경 활동의 증가는 주요 미주 신경 신경 전달 물질인 아세틸콜린의 방출에 의한 동방 결절의 억제를 통해 심박수를 늦추게 됩니다18. 하강 경로에 대한 VNS의 효과를 통해 장치의 기능을 모니터링하고 기존 시스템과 성능을 정량적으로 비교할 수 있습니다.

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>

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