Stimolazione del nervo vago utilizzando uno stimolatore miniaturizzato alimentato in modalità wireless nei suini

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8184 (2022) Citare questo articolo

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La neuromodulazione dei nervi periferici è stata utilizzata clinicamente per un’ampia gamma di indicazioni. Gli stimolatori wireless e senza batteria offrono funzionalità importanti come l'assenza di necessità di reintervento e una durata prolungata rispetto alle controparti cablate. Tuttavia, esistono compromessi impegnativi tra le dimensioni del dispositivo e il suo raggio d’azione, che possono limitarne l’utilizzo. Questo studio mirava a esaminare la funzionalità di impianti di nuova concezione alimentati e controllati in modalità wireless nella stimolazione del nervo vago per i suini. L'impianto utilizzava un accoppiamento induttivo a campo vicino alla banda industriale, scientifica e medica di 13,56 MHz per raccogliere energia da una bobina esterna. L'impianto circolare aveva un diametro di 13 mm e pesava 483 mg con gli elettrodi a cuffia. L'efficienza del collegamento induttivo e la robustezza alla distanza e al disallineamento sono state ottimizzate. Di conseguenza, il tasso di assorbimento specifico era di ordini di grandezza inferiore al limite di sicurezza e la stimolazione può essere eseguita utilizzando solo 0,1 W di potenza esterna. Per la prima volta è stato dimostrato nei suini un sistema VNS wireless e senza batteria con un raggio d'azione superiore a 5 cm. Un totale di 84 stimolazioni del nervo vago (10 secondi ciascuna) sono state eseguite in tre maiali adulti. In un confronto quantitativo dell’efficacia dei dispositivi VNS, l’efficienza dei sistemi nel ridurre la frequenza cardiaca era simile sia nei sistemi convenzionali (75%) che in quelli wireless (78,5%). L'ampiezza dell'impulso e la frequenza della stimolazione sono state analizzate su entrambi i sistemi ed è stata tracciata la risposta per i marcatori fisiologici. I risultati erano facilmente riproducibili e i metodi utilizzati in questo studio possono servire come base per futuri impianti alimentati in modalità wireless.

Negli ultimi dieci anni, i dispositivi medici impiantabili (IMD) si sono rivelati utili nei trattamenti clinici dell'ipertensione1, del dolore2, dei disturbi neurologici3 e dell'infiammazione4 attraverso la stimolazione elettrofisiologica. Alcuni esempi di dimostrazioni di successo di IMD includono optoelettronica wireless flessibile a campo vicino come impianti sottocutanei5, neurostimolazione elettrica wireless, senza batteria e completamente impiantabile in roditori che si muovono liberamente6,7 e sistema di stimolazione spinale wireless per l'attivazione ventrale del midollo spinale cervicale del ratto8. Gli sviluppi tecnici hanno portato a un crescente utilizzo della neuromodulazione nella gestione di vari disturbi utilizzando metodi meno invasivi di modulazione dei nervi periferici come la stimolazione del nervo vago (VNS) e la stimolazione del ganglio della radice dorsale9,10,11.

Esistono studi limitati che hanno esaminato la stimolazione wireless dei nervi periferici, compreso il nervo vago. La terapia VNS è stata approvata dalla FDA per l'uso nella riduzione della frequenza delle crisi epilettiche e nel trattamento della depressione12,13,14. Il nervo vago contiene fibre afferenti (80%) ed efferenti (20%)15. I corpi cellulari delle fibre nervose vagali afferenti sono alloggiati nel ganglio vagale inferiore, proiettandosi centralmente al sistema nervoso centrale, dove i loro processi terminano principalmente nel nucleo del tratto solitario (NTS)15,16. Dall'NTS, ci sono proiezioni afferenti dirette al locus coeruleus e ai nuclei del rafe che proiettano ampiamente a strutture tra cui talamo, cervelletto, ipotalamo, amigdala, insula, cingolato e aree corticali frontali. L'attivazione di questo percorso può spiegare i cambiamenti cognitivi e comportamentali indotti da VNS17. Le fibre efferenti discendenti dal nucleo ambiguo e dal nucleo dorsale nel tronco encefalico collegano gli organi viscerali, inclusi i polmoni, il cuore e il tratto gastrointestinale, con il sistema nervoso centrale18. L'aumento dell'attività efferente del nervo vago porta a un rallentamento della frequenza cardiaca attraverso l'inibizione del nodo senoatriale mediante il rilascio di acetilcolina, il principale neurotrasmettitore del nervo vago18. L'effetto del VNS sulla via discendente ci consente di monitorare la funzionalità del dispositivo e di confrontare quantitativamente le sue prestazioni con i sistemi convenzionali.

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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