El implante inalámbrico flexible ofrece esperanza a quienes padecen dolor crónico

El implante inalámbrico flexible ofrece esperanza a quienes padecen dolor crónico

El dolor crónico es una condición debilitante que afecta en gran medida la calidad de vida y, a menudo, conduce a medicamentos opioides con sus graves efectos secundarios y riesgos de adicción. Según la US Pain Foundation, 51,6 millones de estadounidenses viven con dolor crónico. Para más de 17 millones de pacientes, su dolor crónico tiene un gran impacto y, a menudo, limita sus actividades vitales o laborales.

Los estimuladores eléctricos implantables actuales ofrecen una alternativa al estimular la médula espinal para impedir que las señales de dolor lleguen al cerebro. Sin embargo, estos dispositivos presentan inconvenientes como el alto costo, las cirugías invasivas y la necesidad de reemplazar la batería con frecuencia. Ahora, investigadores del Laboratorio Zhou del Departamento de Ingeniería Biomédica Alfred E. Mann de Viterbi de la USC, en colaboración con el grupo Jun Chen de la UCLA, han desarrollado una solución revolucionaria: un estimulador implantable inalámbrico (UIWI) inducido por ultrasonido flexible fijado a la espalda para un tratamiento personalizado y autoadministrable del dolor crónico.

Este innovador dispositivo, detallado enElectrónica de la naturalezarepresenta un importante avance en el tratamiento del dolor. Si bien los estimuladores de médula espinal actuales pueden ser voluminosos y están conectados a baterías, el nuevo dispositivo está diseñado para doblarse y girar con el movimiento y funciona con un transmisor de ultrasonido portátil sin necesidad de batería. También utiliza algoritmos de aprendizaje automático para personalizar el tratamiento para cada paciente. El trabajo fue dirigido por Zohrab A. Kaprielian Fellow en Ingeniería Qifa Zhou, quien también es profesor de oftalmología en la Facultad de Medicina Keck de la USC.

Alivio del dolor cuando sea necesario: cómo funciona el estimulador implantable

En el centro de esta innovación está la energía inalámbrica, que elimina la necesidad de baterías voluminosas y superficies de cables complejas que a menudo requieren operaciones repetidas. El estimulador UIWI recibe su energía de un transmisor de ultrasonido portátil externo (WUT). El ultrasonido ofrece un método no invasivo seguro y eficaz para la penetración profunda en los tejidos. El dispositivo convierte ondas mecánicas en señales eléctricas mediante un fenómeno llamado efecto piezoeléctrico. El núcleo del estimulador UIWI es un elemento piezoeléctrico miniaturizado hecho de titanato de circonato de plomo (PZT), un material altamente eficiente para convertir la energía eléctrica necesaria para la estimulación en energía eléctrica.

Lo que realmente distingue a este dispositivo son sus capacidades inalámbricas, inteligentes y de autogestión del dolor. Creemos que tiene un gran potencial para reemplazar los sistemas farmacológicos y los enfoques de estimulación eléctrica convencionales y abordar la necesidad clínica de reducción del dolor. “

Qifa Zhou, profesora de oftalmología, Facultad de Medicina Keck de la USC

El candidato del laboratorio PhD Zhou y autor principal, Yushun (Sean) Zeng, dijo que el estimulador miniaturizado inteligente inalámbrico tiene la capacidad de generar suficiente intensidad de estimulación eléctrica mediante el uso de energía de ultrasonido, lo que resulta en un tratamiento personalizado, específico y localizado.

"Este tipo de conversión de energía es crucial para la estimulación profunda porque el ultrasonido es una energía no invasiva y altamente penetrante en los campos clínico y médico", dijo Zeng. "Al aprovechar el transmisor inalámbrico de energía ultrasónica y el sistema de retroalimentación de circuito cerrado, este estimulador UIWI elimina la necesidad de voluminosas baterías implantadas y permite una modulación del dolor ajustable con precisión en tiempo real".

"Desde una perspectiva clínica, la incorporación de la evaluación del dolor mediante aprendizaje profundo permite una interpretación y respuesta dinámicas a estados de dolor fluctuantes, lo cual es esencial para ajustar la variabilidad específica del paciente". Laboratorio Zhou, Ph.D. El candidato Chen Gong, también redactor principal del artículo.

El dispositivo funciona desde:

• 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.

El estimulador UIWI en sí es flexible, se puede doblar y girar y permite una colocación óptima en la médula espinal. La estimulación eléctrica que proporciona a la médula espinal hace que se reequilibren las señales que transmiten e inhiben el dolor, suprimiendo eficazmente la sensación de dolor.

Prueba de éxito en el laboratorio

El equipo de Zhou Lab probó el estimulador UIWI en modelos de roedores y los resultados demostraron su eficacia para el tratamiento del dolor.

Los investigadores resolvieron con éxito el dolor neuropático crónico mediante estímulos mecánicos (como un pinchazo de bolígrafo) y estímulos térmicos agudos (calor infrarrojo).

Las pruebas de laboratorio mostraron que el tratamiento con el estimulador UIWI produjo reducciones significativas en los indicadores de dolor. En un experimento para evaluar si un animal asocia un entorno con el alivio del dolor, los roedores mostraron una clara preferencia por la cámara en la que se activaba el sistema de gestión del dolor, lo que confirma aún más la eficacia del dispositivo.

El futuro del alivio personalizado del dolor

El exitoso desarrollo y prueba del estimulador UIWI marca un momento crucial en la búsqueda de un manejo avanzado del dolor. El diseño flexible del implante y su integración con sofisticados algoritmos de IA proporcionan un enfoque de tratamiento dinámico y personalizado que puede adaptarse a la naturaleza fluctuante y altamente individual del dolor crónico.

De cara al futuro, Zhou y sus colegas esperan ver aplicaciones aún más amplias del dispositivo. Zhou dijo que los diseños futuros podrían miniaturizar aún más los componentes y permitir la implantación de dispositivos menos invasivos, por ejemplo, con una jeringa. El transmisor de ultrasonido portátil también podría evolucionar hasta convertirse en un dispositivo miniaturizado sin frenos o incluso en un parche de ultrasonido portátil, combinando potencialmente capacidades de obtención de imágenes con suministro de energía para monitoreo en tiempo real y estimulación específica. Las iteraciones futuras también podrían controlarse mediante software de teléfono inteligente, ofreciendo un manejo personalizado del dolor aún más sólido.

Zhou dijo que el objetivo del dispositivo es transformar el manejo del dolor crónico e ir más allá de las limitaciones de las soluciones actuales para proporcionar una forma verdaderamente personalizada, inteligente y eficaz de aliviar el dolor.

"Nuestros resultados resaltan el potencial de la electrónica implantable por ultrasonido en el tratamiento clínico y traslacional del dolor crónico", dijo Zeng.

Fuentes: