Flexibler drahtloses Implantat bietet Hoffnung auf chronische Schmerzkranke

Chronische Schmerzen sind eine schwächende Erkrankung, die die Lebensqualität stark beeinflusst und häufig zu Opioidmedikamenten mit ihren schwerwiegenden Nebenwirkungen und Suchtrisiken führt. Laut der US Pain Foundation leben 51,6 Millionen Amerikaner mit chronischen Schmerzen. Für über 17 Millionen Betroffene sind ihre chronischen Schmerzen hochwirksam-und begrenzt häufig ihre Lebens- oder Arbeitsaktivitäten.

Aktuelle implantierbare elektrische Stimulatoren bieten eine Alternative, indem das Rückenmark stimuliert, um Schmerzsignale daran zu hindern, das Gehirn zu erreichen. Diese Geräte sind jedoch mit Nachteilen wie hohen Kosten, invasive Operationen und dem Bedarf an häufigen Batterieersatz ausgestattet. Jetzt haben Forscher aus dem Zhou Labor in der USC Viterbi Alfred E. Mann Department of Biomedical Engineering in Zusammenarbeit mit der Jun-Chen-Gruppe an der UCLA eine revolutionäre Lösung entwickelt: einen flexiblen Ultraschall-induzierten drahtlosen implantierbaren Stimulator (UIWI), der an der Rückens gesichert und für personalisiertes, selbstverdauliches, chronikales Schmerzverwaltung gesichert ist.

Dieses bahnbrechende Gerät, detailliert in Naturelektronikstellt einen signifikanten Sprung nach vorne in der Schmerztherapie dar. Während die aktuellen Rückenmarksstimulatoren unhandlich sein können und für Batterien fest verdrahtet sind, ist das neue Gerät so ausgelegt, dass sie sich mit Bewegung beugen und verdrehen und von einem tragbaren Ultraschallsender angetrieben werden, ohne dass eine Batterie erforderlich ist. Es nutzt auch Algorithmen für maschinelles Lernen, um die Behandlung für jeden Patienten anzupassen. Die Arbeit wurde von Zohrab A. Kaprielian Fellow in Engineering Qifa Zhou geleitet, der auch Professor für Augenheilkunde an der Keck School of Medicine of USC ist.

Schmerzlinderung bei Bedarf: Wie der implantierbare Stimulator funktioniert

Im Zentrum dieser Innovation steht die drahtlose Stromversorgung, die die Notwendigkeit sperriger Batterien und komplexer Kabeloberflächen beseitigt, die häufig wiederholte Operationen erfordern. Der UIWI -Stimulator erhält seine Energie von einem externen, tragbaren Ultraschall -Sender (WUT). Ultraschall bietet eine sichere, effektive nicht-invasive Methode für die Tiefgewebedurchdringung. Das Gerät wandelt mechanische Wellen durch ein Phänomen, das als piezoelektrischer Effekt bezeichnet wird, in elektrische Signale um. Der Kern des UIWI -Stimulators ist ein miniaturisiertes piezoelektrisches Element aus Bleizirkonat -Titanat (PZT), einem hocheffizienten Material zur Umwandlung der für die Stimulation erforderlichen elektrischen Energie in die elektrische Leistung.

Was dieses Gerät wirklich auszeichnet, ist seine drahtlose, intelligente und selbstvertretende Fähigkeit zur Schmerzbehandlung. Wir glauben, dass es ein großes Potenzial bietet, pharmakologische Systeme und konventionelle elektrische Stimulationsansätze zu ersetzen und sich auf den klinischen Bedarf an Schmerzminderung auszurichten. „

Qifa Zhou, Professor für Augenheilkunde, Keck School of Medicine of USC

Ph.D. Der Kandidat im Zhou -Labor und des führenden Autors Yushun (Sean) Zeng sagte, der drahtlose Smart Miniaturisierte Stimulator habe die Fähigkeit, durch Nutzung von Ultraschallenergie eine ausreichende elektrische Stimulationsintensität zu erzeugen, was zu einer personalisierten, zielgerichteten und lokalisierten Behandlung führte.

„Dieser energiekonvertierende Typ ist für eine tiefe Stimulation von entscheidender Bedeutung, da Ultraschall in klinischen und medizinischen Bereichen eine nicht-invasive und hoch durchdringende Energie ist“, sagte Zeng. „Durch die Nutzung des drahtlosen Ultraschall-Energieübertragers und des Feedback-Systems mit geschlossenem Regelkreis entfernt dieser UIWI-Stimulator die Notwendigkeit von sperrigen implantierten Batterien und ermöglicht eine in Echtzeit, präzise einstellbare Schmerzmodulation.“

„Aus klinischer Sicht ermöglicht die Einbeziehung von Schmerzbewertung von Deep Learning, die dynamische Interpretation und Reaktion auf schwankende Schmerzzustände, was für die Anpassung der patientenspezifischen Variabilität von wesentlicher Bedeutung ist.“ Zhou Lab, Ph.D. Kandidat Chen Gong, ebenfalls leitender Autor auf dem Papier.

Das Gerät funktioniert von:

• Schmerzen nachweisen: Das System überwacht die Gehirnaufzeichnungen kontinuierlich, insbesondere Elektroenzephalogramm -Signale (EEG), die die Schmerzniveaus eines Patienten widerspiegeln.
• Nutzung von KI zur Beurteilung von Schmerzniveaus: Ein ausgefeiltes maschinelles Lernmodell, das auf einem neuronalen Netzwerk namens Resnet-18 basiert, analysiert diese Gehirnsignale und klassifiziert Schmerzen in drei unterschiedliche Ebenen: leichte Schmerzen, mäßige Schmerzen und extreme Schmerzen. Dieses KI -Modell hat eine Gesamtgenauigkeit von 94,8% bei der Unterscheidung zwischen diesen Schmerzzuständen.
• Anpassungsbehandlung nach Bedarf: Sobald ein Schmerzniveau identifiziert ist, passt der tragbare Ultraschall -Sender automatisch die überträgende akustische Energie ein. Der UIWI -Stimulator kann dann die vermehrte Energie erfassen und sie in elektrische Intensität umwandeln und das Rückenmark stimulieren. Dies schafft ein System mit geschlossenem Kreislauf, das eine echtzeit personalisierte Schmerzbehandlung bietet.

Der UIWI -Stimulator selbst ist flexibel, biegbar und verdreht und ermöglicht eine optimale Platzierung am Rückenmark. Die elektrische Stimulation, die sie dem Rückenmark liefert, bewirkt, dass die Signale, die die Schmerzen übertragen und hemmen, neu ausbalanciert und das Gefühl von Schmerzen wirksam unterdrückt.

Nachweis Erfolg im Labor

Das Zhou -Labor -Team testete den UIWI -Stimulator in Nagetiermodellen, wobei die Ergebnisse der Effektivität für die Schmerzbehandlung demonstrieren.

Die Forscher lösten chronische neuropathische Schmerzen erfolgreich durch mechanische Stimuli (wie ein Stiftstich) und akute thermische Stimuli (Infrarotwärme).

Labortests zeigten, dass die Behandlung des UIWI -Stimulators zu signifikanten Verringerung der Schmerzindikatoren führte. In einem Experiment, um zu bewerten, ob ein Tier eine Umgebung mit Schmerzlinderung in Verbindung bringt, zeigten Nagetiere eine klare Präferenz für die Kammer, in der das Schmerzbehandlungssystem aktiviert wurde, was die Wirksamkeit des Geräts weiter bestätigte.

Die Zukunft der personalisierten Schmerzlinderung

Die erfolgreiche Entwicklung und Prüfung des UIWI -Stimulators markiert einen entscheidenden Moment in der Suche nach fortgeschrittenem Schmerzmanagement. Das flexible Design des Implantats und seine Integration in ausgefeilte KI -Algorithmen bietet einen dynamischen und personalisierten Behandlungsansatz, der sich an die schwankende und sehr individuelle Natur chronischer Schmerzen anpassen kann.

Mit Blick auf die Zukunft hoffen Zhou und seine Mitarbeiter auf noch erweiterte Anwendungen des Geräts. Zhou sagte, dass zukünftige Entwürfe die Komponenten weiter miniaturisieren könnten und eine weniger invasive Geräteimplantation ermöglichen könnten – zum Beispiel mit einer Spritze. Der tragbare Ultraschall-Sender könnte sich auch zu einem ungebremsten, miniaturisierten Gerät oder sogar einem tragbaren Ultraschall-Array-Patch entwickeln und potenziell Bildgebungsfunktionen mit der Energieabgabe für die Echtzeitüberwachung und die gezielte Stimulation kombinieren. Zukünftige Iterationen könnten auch von Smartphone -Software gesteuert werden, was noch ein robusteres personalisiertes Schmerzmanagement bietet.

Zhou sagte, das Ziel des Geräts sei es, das chronische Schmerzmanagement zu transformieren und über die Grenzen der aktuellen Lösungen hinauszugehen, um einen wirklich personalisierten, intelligenten und effektiven Weg zur Schmerzlinderung zu bieten.

„Unsere Ergebnisse unterstreichen das Potenzial von ultraschallplaschallplantierbaren Elektronik in der klinischen und translationalen chronischen Schmerzbehandlung“, sagte Zeng.

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