Гъвкавият безжичен имплант предлага надежда на страдащите от хронична болка

Гъвкавият безжичен имплант предлага надежда на страдащите от хронична болка

Хроничната болка е изтощително състояние, което значително влияе върху качеството на живот и често води до опиоидни лекарства с техните сериозни странични ефекти и рискове от пристрастяване. Според Американската фондация за болка 51,6 милиона американци живеят с хронична болка. За над 17 милиона страдащи хроничната им болка е силно въздействаща – и често ограничава живота или работата им.

Съвременните имплантируеми електрически стимулатори предлагат алтернатива, като стимулират гръбначния мозък да блокира достигането на сигнали за болка до мозъка. Тези устройства обаче имат недостатъци като висока цена, инвазивни операции и необходимостта от честа смяна на батерията. Сега изследователи от лабораторията Zhou в Катедрата по биомедицинско инженерство на USC Viterbi Alfred E. Mann, в сътрудничество с групата Jun Chen в UCLA, разработиха революционно решение: гъвкав ултразвуково индуциран безжичен имплантируем стимулатор (UIWI), закрепен към гърба за персонализирано, самоадминистриращо се управление на хронична болка.

Това новаторско устройство, описано подробно вПриродна електроникапредставлява значителен скок напред в управлението на болката. Докато настоящите стимулатори на гръбначния мозък могат да бъдат обемисти и са свързани с батерии, новото устройство е проектирано да се огъва и усуква с движение и се захранва от преносим ултразвуков предавател без нужда от батерия. Той също така използва алгоритми за машинно обучение, за да персонализира лечението за всеки пациент. Работата беше ръководена от Zohrab A. Kaprielian сътрудник по инженерство Qifa Zhou, който също е професор по офталмология в Keck School of Medicine на USC.

Облекчаване на болката, когато е необходимо: Как работи имплантируемият стимулатор

В основата на тази иновация е безжичното захранване, което елиминира необходимостта от обемисти батерии и сложни кабелни повърхности, които често изискват повтарящи се операции. Стимулаторът UIWI получава енергията си от външен преносим ултразвуков предавател (WUT). Ултразвукът предлага безопасен, ефективен неинвазивен метод за дълбоко проникване в тъканите. Устройството преобразува механичните вълни в електрически сигнали чрез феномен, наречен пиезоелектричен ефект. Ядрото на стимулатора UIWI е миниатюризиран пиезоелектричен елемент, изработен от оловен цирконат титанат (PZT), високоефективен материал за преобразуване на електрическата енергия, необходима за стимулация, в електрическа енергия.

Това, което наистина отличава това устройство, са неговите безжични, интелигентни и самостоятелни възможности за управление на болката. Вярваме, че има голям потенциал да замени фармакологичните системи и конвенционалните подходи за електрическа стимулация и да отговори на клиничната нужда от намаляване на болката. “

Qifa Zhou, професор по офталмология, Keck School of Medicine of USC

Кандидатът за докторска лаборатория Zhou и водещ автор Yushun (Sean) Zeng каза, че безжичният интелигентен миниатюризиран стимулатор има способността да генерира достатъчен интензитет на електрическа стимулация чрез използване на ултразвукова енергия, което води до персонализирано, насочено и локализирано лечение.

„Този ​​вид преобразуване на енергия е от решаващо значение за дълбока стимулация, тъй като ултразвукът е неинвазивна и силно проникваща енергия в клиничните и медицинските области“, каза Зенг. „Чрез използване на безжичния ултразвуков предавател на енергия и системата за обратна връзка със затворен контур, този UIWI стимулатор премахва необходимостта от обемисти имплантирани батерии и позволява прецизно регулируема модулация на болката в реално време.“

„От клинична гледна точка, включването на дълбоко обучение за оценка на болката дава възможност за динамична интерпретация и отговор на променливи състояния на болка, което е от съществено значение за коригиране на специфичната за пациента променливост.“ Zhou Lab, Ph.D. Кандидат Чен Гонг, също старши автор на вестника.

Устройството работи от:

• 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.

Самият стимулатор UIWI е гъвкав, огъващ се и усукващ се и позволява оптимално поставяне върху гръбначния мозък. Електрическата стимулация, която доставя на гръбначния мозък, кара сигналите, които предават и потискат болката, да бъдат балансирани, като ефективно потискат чувството за болка.

Доказателство за успех в лабораторията

Екипът на Zhou Lab тества стимулатора UIWI в модели на гризачи, като резултатите демонстрират ефективност за лечение на болка.

Изследователите успешно разрешиха хроничната невропатична болка, използвайки механични стимули (като убождане с писалка) и остри термични стимули (инфрачервена топлина).

Лабораторните тестове показват, че лечението със стимулатора UIWI води до значително намаляване на показателите за болка. В експеримент за оценка дали дадено животно свързва околната среда с облекчаване на болката, гризачите показаха ясно предпочитание към камерата, в която беше активирана системата за управление на болката, което допълнително потвърждава ефективността на устройството.

Бъдещето на персонализираното облекчаване на болката

Успешното разработване и тестване на стимулатора UIWI бележи ключов момент в търсенето на усъвършенствано управление на болката. Гъвкавият дизайн на импланта и неговата интеграция със сложни AI алгоритми осигурява динамичен и персонализиран подход на лечение, който може да се адаптира към променливия и силно индивидуален характер на хроничната болка.

Гледайки към бъдещето, Джоу и колегите му се надяват да видят дори разширени приложения на устройството. Джоу каза, че бъдещите дизайни могат допълнително да миниатюризират компонентите и да позволят по-малко инвазивно имплантиране на устройство - например със спринцовка. Ултразвуковият предавател, който може да се носи, може също така да се развие в миниатюризирано устройство без спирачки или дори в пластир за ултразвукова матрица, потенциално комбиниращ възможности за изображения с доставка на енергия за наблюдение в реално време и целенасочена стимулация. Бъдещите итерации също могат да бъдат контролирани от софтуер на смартфон, предлагайки още по-стабилно персонализирано управление на болката.

Джоу каза, че целта на устройството е да трансформира управлението на хроничната болка и да надхвърли ограниченията на настоящите решения, за да осигури наистина персонализиран, интелигентен и ефективен начин за облекчаване на болката.

„Нашите резултати подчертават потенциала на ултразвуковата имплантируема електроника при клинично и транслационно лечение на хронична болка“, каза Зенг.

източници: