Flexibilní bezdrátový implantát nabízí naději pro osoby trpící chronickou bolestí

Flexibilní bezdrátový implantát nabízí naději pro osoby trpící chronickou bolestí

Chronická bolest je vysilující stav, který výrazně ovlivňuje kvalitu života a často vede k užívání opioidních léků s jejich vážnými vedlejšími účinky a rizikem závislosti. Podle americké nadace Pain Foundation žije 51,6 milionů Američanů s chronickou bolestí. Pro více než 17 milionů pacientů má chronická bolest velký dopad – a často omezuje jejich život nebo pracovní aktivity.

Současné implantovatelné elektrické stimulátory nabízejí alternativu tím, že stimulují míchu, aby blokovaly signály bolesti, aby se dostaly do mozku. Tato zařízení však mají nevýhody, jako je vysoká cena, invazivní operace a potřeba časté výměny baterie. Nyní výzkumníci z Zhou Laboratory v USC Viterbi Alfred E. Mann Department of Biomedical Engineering, ve spolupráci se skupinou Jun Chen na UCLA, vyvinuli revoluční řešení: flexibilní ultrazvukem indukovaný bezdrátový implantabilní stimulátor (UIWI) zajištěný na zádech pro personalizovanou, samoadministrativní léčbu chronické bolesti.

Toto průlomové zařízení, podrobně popsané vPřírodní elektronikapředstavuje významný skok vpřed v léčbě bolesti. Zatímco současné míšní stimulátory mohou být objemné a jsou pevně připojeny k bateriím, nové zařízení je navrženo tak, aby se ohýbalo a kroutilo pohybem a je napájeno přenosným ultrazvukovým vysílačem bez potřeby baterie. Používá také algoritmy strojového učení k přizpůsobení léčby pro každého pacienta. Práci vedl Zohrab A. Kaprielian Fellow in Engineering Qifa Zhou, který je také profesorem oftalmologie na Keck School of Medicine v USC.

Úleva od bolesti v případě potřeby: Jak funguje implantabilní stimulátor

Jádrem této inovace je bezdrátové napájení, které eliminuje potřebu objemných baterií a složitých kabelových povrchů, které často vyžadují opakované operace. Stimulátor UIWI přijímá energii z externího přenosného ultrazvukového vysílače (WUT). Ultrazvuk nabízí bezpečnou, účinnou neinvazivní metodu hlubokého pronikání tkání. Zařízení převádí mechanické vlny na elektrické signály prostřednictvím jevu zvaného piezoelektrický jev. Jádrem stimulátoru UIWI je miniaturizovaný piezoelektrický prvek vyrobený z titaničitanu zirkoničitého (PZT), vysoce účinného materiálu pro přeměnu elektrické energie potřebné pro stimulaci na elektrickou energii.

To, co skutečně odlišuje toto zařízení, jsou jeho bezdrátové, inteligentní a samoobslužné schopnosti zvládání bolesti. Věříme, že má velký potenciál nahradit farmakologické systémy a konvenční přístupy elektrické stimulace a řešit klinickou potřebu snížení bolesti. “

Qifa Zhou, profesor oftalmologie, Keck School of Medicine of USC

Kandidát na laboratoř PhD Zhou a hlavní autor Yushun (Sean) Zeng řekl, že bezdrátový inteligentní miniaturizovaný stimulátor má schopnost generovat dostatečnou intenzitu elektrické stimulace pomocí ultrazvukové energie, což vede k personalizované, cílené a lokalizované léčbě.

"Tento typ přeměny energie je rozhodující pro hlubokou stimulaci, protože ultrazvuk je neinvazivní a vysoce pronikavá energie v klinických a lékařských oborech," řekl Zeng. "Využitím bezdrátového vysílače ultrazvukové energie a systému zpětné vazby s uzavřenou smyčkou tento stimulátor UIWI odstraňuje potřebu objemných implantovaných baterií a umožňuje přesně nastavitelnou modulaci bolesti v reálném čase."

"Z klinického hlediska umožňuje zahrnutí hodnocení bolesti hlubokého učení dynamickou interpretaci a reakci na kolísající bolestivé stavy, což je nezbytné pro úpravu variability specifické pro pacienta." Zhou Lab, Ph.D. Kandidát Chen Gong, také hlavní spisovatel v novinách.

Zařízení funguje od:

• 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.

Samotný stimulátor UIWI je flexibilní, ohebný a otočný a umožňuje optimální umístění na míchu. Elektrická stimulace, kterou dodává do míchy, způsobuje, že signály, které přenášejí a inhibují bolest, jsou znovu vyváženy a účinně potlačuje pocit bolesti.

Důkaz úspěchu v laboratoři

Tým Zhou Lab testoval stimulátor UIWI na modelech hlodavců s výsledky prokazujícími účinnost při léčbě bolesti.

Výzkumníci úspěšně vyřešili chronickou neuropatickou bolest pomocí mechanických stimulů (jako je píchnutí perem) a akutních tepelných stimulů (infračervené teplo).

Laboratorní testy ukázaly, že léčba stimulátorem UIWI vedla k významnému snížení ukazatelů bolesti. V experimentu, který měl vyhodnotit, zda si zvíře spojuje prostředí s úlevou od bolesti, hlodavci jasně upřednostňovali komoru, ve které byl aktivován systém zvládání bolesti, což dále potvrdilo účinnost zařízení.

Budoucnost personalizované úlevy od bolesti

Úspěšný vývoj a testování stimulátoru UIWI představuje klíčový moment ve snaze o pokročilou léčbu bolesti. Flexibilní design implantátu a jeho integrace se sofistikovanými algoritmy AI poskytuje dynamický a personalizovaný léčebný přístup, který se dokáže přizpůsobit kolísavé a vysoce individuální povaze chronické bolesti.

Při pohledu do budoucnosti Zhou a jeho kolegové doufají, že uvidí ještě rozšířené aplikace zařízení. Zhou řekl, že budoucí návrhy by mohly dále miniaturizovat součásti a umožnit méně invazivní implantaci zařízení - například pomocí injekční stříkačky. Nositelný ultrazvukový vysílač by se také mohl vyvinout v nebrzděné miniaturizované zařízení nebo dokonce nositelnou náplast s ultrazvukovým polem, které by potenciálně kombinovalo zobrazovací schopnosti s dodáním energie pro monitorování v reálném čase a cílenou stimulaci. Budoucí iterace by také mohly být řízeny softwarem smartphonu, který nabízí ještě robustnější personalizovanou správu bolesti.

Zhou řekl, že cílem zařízení je transformovat zvládání chronické bolesti a jít nad rámec omezení současných řešení, aby poskytlo skutečně personalizovaný, inteligentní a účinný způsob úlevy od bolesti.

"Naše výsledky zdůrazňují potenciál ultrazvukem implantovatelné elektroniky v klinické a translační léčbě chronické bolesti," řekl Zeng.

Zdroje: