Fleksibelt trådløst implantat giver håb for kroniske smerter

Fleksibelt trådløst implantat giver håb for kroniske smerter

Kroniske smerter er en invaliderende tilstand, som i høj grad påvirker livskvaliteten og ofte fører til opioidmedicin med deres alvorlige bivirkninger og risiko for afhængighed. Ifølge US Pain Foundation lever 51,6 millioner amerikanere med kroniske smerter. For over 17 millioner syge er deres kroniske smerter meget virkningsfulde - og begrænser ofte deres liv eller arbejdsaktiviteter.

Nuværende implanterbare elektriske stimulatorer tilbyder et alternativ ved at stimulere rygmarven til at blokere smertesignaler i at nå hjernen. Disse enheder har imidlertid ulemper såsom høje omkostninger, invasive operationer og behovet for hyppig batteriudskiftning. Nu har forskere fra Zhou Laboratory i USC Viterbi Alfred E. Mann Department of Biomedical Engineering i samarbejde med Jun Chen-gruppen ved UCLA udviklet en revolutionerende løsning: en fleksibel ultralydsinduceret trådløs implanterbar stimulator (UIWI) fastgjort på ryggen til personlig, selvadministrerende, kronisk smertebehandling.

Denne banebrydende enhed, detaljeret iNaturens elektronikrepræsenterer et væsentligt spring fremad inden for smertebehandling. Mens nuværende rygmarvsstimulatorer kan være voluminøse og er fastgjort til batterier, er den nye enhed designet til at bøje og vride med bevægelse og drives af en bærbar ultralydssender uden behov for et batteri. Den bruger også maskinlæringsalgoritmer til at tilpasse behandlingen til hver patient. Arbejdet blev ledet af Zohrab A. Kaprielian Fellow i Engineering Qifa Zhou, som også er professor i oftalmologi ved Keck School of Medicine i USC.

Smertelindring ved behov: Sådan virker den implanterbare stimulator

Kernen i denne innovation er trådløs strøm, der eliminerer behovet for voluminøse batterier og komplekse kabeloverflader, der ofte kræver gentagne operationer. UIWI-stimulatoren modtager sin energi fra en ekstern, bærbar ultralydssender (WUT). Ultralyd tilbyder en sikker, effektiv ikke-invasiv metode til dyb vævsgennemtrængning. Enheden konverterer mekaniske bølger til elektriske signaler gennem et fænomen kaldet den piezoelektriske effekt. Kernen i UIWI-stimulatoren er et miniaturiseret piezoelektrisk element lavet af blyzirkonattitanat (PZT), et yderst effektivt materiale til at omdanne den elektriske energi, der kræves til stimulering, til elektrisk strøm.

Det, der virkelig adskiller denne enhed, er dens trådløse, intelligente og selvfortalere for smertebehandling. Vi mener, at det har et stort potentiale til at erstatte farmakologiske systemer og konventionelle elektriske stimuleringstilgange og adressere det kliniske behov for smertereduktion. “

Qifa Zhou, professor i oftalmologi, Keck School of Medicine i USC

PhD Zhou laboratoriekandidat og hovedforfatter Yushun (Sean) Zeng sagde, at den trådløse smarte miniaturiserede stimulator har evnen til at generere tilstrækkelig elektrisk stimulationsintensitet ved at bruge ultralydsenergi, hvilket resulterer i personlig, målrettet og lokaliseret behandling.

"Denne energikonverterende type er afgørende for dyb stimulation, fordi ultralyd er en ikke-invasiv og stærkt gennemtrængende energi i kliniske og medicinske områder," sagde Zeng. "Ved at udnytte den trådløse ultralydsenergitransmitter og feedbacksystem med lukket sløjfe fjerner denne UIWI-stimulator behovet for omfangsrige implanterede batterier og muliggør præcis justerbar smertemodulering i realtid."

"Fra et klinisk perspektiv muliggør inkorporering af deep learning smertevurdering dynamisk fortolkning og respons på fluktuerende smertetilstande, hvilket er afgørende for justering af patientspecifik variabilitet." Zhou Lab, Ph.D. Kandidat Chen Gong, også senior skribent på papiret.

Enheden fungerer fra:

• 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.

Selve UIWI-stimulatoren er fleksibel, bøjelig og drejelig og giver mulighed for optimal placering på rygmarven. Den elektriske stimulation, den leverer til rygmarven, får de signaler, der overfører og hæmmer smerte, til at blive rebalanceret, hvilket effektivt undertrykker følelsen af ​​smerte.

Bevis på succes i laboratoriet

Zhou Lab-teamet testede UIWI-stimulatoren i gnavermodeller med resultater, der viser effektivitet til smertebehandling.

Forskere løste med succes kroniske neuropatiske smerter ved hjælp af mekaniske stimuli (såsom et pennestik) og akutte termiske stimuli (infrarød varme).

Laboratorieundersøgelser viste, at behandling med UIWI-stimulatoren førte til betydelige reduktioner i smerteindikatorer. I et eksperiment for at evaluere, om et dyr forbinder et miljø med smertelindring, viste gnavere en klar præference for det kammer, hvor smertebehandlingssystemet blev aktiveret, hvilket yderligere bekræftede enhedens effektivitet.

Fremtiden for personlig smertelindring

Den vellykkede udvikling og test af UIWI-stimulatoren markerer et afgørende øjeblik i søgen efter avanceret smertebehandling. Implantatets fleksible design og dets integration med sofistikerede AI-algoritmer giver en dynamisk og personlig behandlingstilgang, der kan tilpasse sig den svingende og meget individuelle karakter af kronisk smerte.

Når man ser på fremtiden, håber Zhou og hans kolleger at se endnu udvidede applikationer af enheden. Zhou sagde, at fremtidige designs kunne miniaturisere komponenterne yderligere og tillade mindre invasiv implantation af enheder - for eksempel med en sprøjte. Den bærbare ultralydssender kan også udvikle sig til en ubremset, miniaturiseret enhed eller endda en bærbar ultralyds-array-patch, der potentielt kombinerer billeddannelseskapaciteter med energilevering til realtidsovervågning og målrettet stimulering. Fremtidige iterationer kan også styres af smartphone-software, der tilbyder endnu mere robust personlig smertebehandling.

Zhou sagde, at enhedens mål er at transformere kronisk smertebehandling og gå ud over begrænsningerne for nuværende løsninger for at give en virkelig personlig, intelligent og effektiv måde at lindre smerte på.

"Vores resultater fremhæver potentialet af implanterbar ultralydselektronik i klinisk og translationel behandling af kronisk smerte," sagde Zeng.

Kilder: