Joustava langaton implantti tarjoaa toivoa kroonisista kivuista kärsiville

Joustava langaton implantti tarjoaa toivoa kroonisista kivuista kärsiville

Krooninen kipu on heikentävä sairaus, joka vaikuttaa suuresti elämänlaatuun ja johtaa usein opioidilääkkeisiin, joilla on vakavia sivuvaikutuksia ja riippuvuusriskejä. US Pain Foundationin mukaan 51,6 miljoonaa amerikkalaista kärsii kroonisesta kivusta. Yli 17 miljoonalle kärsivälle krooninen kipu on erittäin vaikuttavaa - ja usein se rajoittaa heidän elämäänsä tai työtoimintaansa.

Nykyiset implantoitavat sähköstimulaattorit tarjoavat vaihtoehdon stimuloimalla selkäydintä estämään kipusignaalien pääsyä aivoihin. Näillä laitteilla on kuitenkin haittoja, kuten korkea hinta, invasiiviset leikkaukset ja tarve vaihtaa akkua usein. Nyt USC Viterbi Alfred E. Mannin biolääketieteen laitoksen Zhou-laboratorion tutkijat ovat yhteistyössä UCLA:n Jun Chen -ryhmän kanssa kehittäneet vallankumouksellisen ratkaisun: joustavan ultraääni-indusoidun langattoman implantoitavan stimulaattorin (UIWI), joka on kiinnitetty selkään henkilökohtaista, itsehoitoa ja kroonisen kivun hallintaa varten.

Tämä uraauurtava laite, joka on kuvattu yksityiskohtaisestiLuonnon elektroniikkaedustaa merkittävää harppausta kivunhallinnassa. Vaikka nykyiset selkäydinstimulaattorit voivat olla tilaa vieviä ja ne on kytketty paristoille, uusi laite on suunniteltu taipumaan ja kiertymään liikkeen myötä, ja se saa virtansa kannettavasta ultraäänilähettimestä ilman paristoa. Se käyttää myös koneoppimisalgoritmeja räätälöidäkseen hoitoa kullekin potilaalle. Työtä johti Zohrab A. Kaprielian Engineering Fellow Qifa Zhou, joka on myös oftalmologian professori Keck School of Medicine of USC:ssä.

Kivunlievitys tarvittaessa: Kuinka implantoitava stimulaattori toimii

Tämän innovaation ytimessä on langaton teho, joka eliminoi isojen akkujen ja monimutkaisten kaapelipintojen tarpeen, jotka vaativat usein toistuvia toimintoja. UIWI-stimulaattori saa energiansa ulkoisesta, kannettavasta ultraäänilähettimestä (WUT). Ultraääni tarjoaa turvallisen ja tehokkaan ei-invasiivisen menetelmän syvälle kudosten tunkeutumiseen. Laite muuntaa mekaaniset aallot sähköisiksi signaaleiksi ilmiön kautta, jota kutsutaan pietsosähköiseksi efektiksi. UIWI-stimulaattorin ydin on miniatyrisoitu pietsosähköinen elementti, joka on valmistettu lyijysirkonaattititanaatista (PZT), joka on erittäin tehokas materiaali stimuloinnissa tarvittavan sähköenergian muuntamiseksi sähkövoimaksi.

Tämä laite todella erottaa muista sen langattomat, älykkäät ja itseään edistävät kivunhallintaominaisuudet. Uskomme, että sillä on suuret mahdollisuudet korvata farmakologiset järjestelmät ja perinteiset sähköstimulaatiomenetelmät ja vastata kliinisen kivun vähentämisen tarpeeseen. "

Qifa Zhou, oftalmologian professori, Keck School of Medicine of USC

PhD Zhou -laboratoriokandidaatti ja pääkirjailija Yushun (Sean) Zeng sanoi, että langattomalla älykkäällä ministimulaattorilla on kyky tuottaa riittävä sähköstimulaatiovoimakkuus käyttämällä ultraäänienergiaa, mikä johtaa yksilölliseen, kohdennettuun ja paikalliseen hoitoon.

"Tämä energiaa muuntava tyyppi on ratkaisevan tärkeä syvästimulaatiossa, koska ultraääni on ei-invasiivinen ja erittäin läpäisevä energia kliinisillä ja lääketieteellisillä aloilla", Zeng sanoi. "Hyödyntämällä langatonta ultraäänienergialähetintä ja suljetun silmukan palautejärjestelmää, tämä UIWI-stimulaattori poistaa isojen implantoitujen paristojen tarpeen ja mahdollistaa reaaliaikaisen, tarkasti säädettävän kivun modulaation."

"Kliinisestä näkökulmasta syvän oppimisen kivun arvioinnin sisällyttäminen mahdollistaa dynaamisen tulkinnan ja reagoinnin vaihteleviin kiputiloihin, mikä on välttämätöntä potilaskohtaisen vaihtelun säätämiseksi." Zhou Lab, Ph.D. Ehdokas Chen Gong, myös vanhempi kirjailija paperilla.

Laite toimii:

• 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.

Itse UIWI-stimulaattori on joustava, taivutettava ja kierrettävä ja mahdollistaa optimaalisen sijoittamisen selkäytimeen. Sen selkäytimeen antama sähköstimulaatio tasapainottaa kipua välittävät ja estävät signaalit, mikä vähentää tehokkaasti kivun tunnetta.

Todiste menestyksestä laboratoriossa

Zhou Lab -tiimi testasi UIWI-stimulaattoria jyrsijämalleissa, ja tulokset osoittivat tehokkuutta kivunhoidossa.

Tutkijat ratkaisivat onnistuneesti kroonisen neuropaattisen kivun käyttämällä mekaanisia ärsykkeitä (kuten kynänpistoja) ja akuutteja lämpöärsykkeitä (infrapunalämpö).

Laboratoriokokeet osoittivat, että hoito UIWI-stimulaattorilla johti merkittävästi kipu-indikaattoreiden vähenemiseen. Kokeessa, jossa arvioitiin, yhdistääkö eläin ympäristön kivunlievitykseen, jyrsijät osoittivat selvästi mieluummin kammiota, jossa kivunhallintajärjestelmä aktivoitiin, mikä vahvisti entisestään laitteen tehokkuutta.

Henkilökohtaisen kivunlievityksen tulevaisuus

UIWI-stimulaattorin onnistunut kehitys ja testaus merkitsee keskeistä hetkeä edistyneen kivunhallinnan etsimisessä. Implanttien joustava muotoilu ja sen integrointi kehittyneisiin tekoälyalgoritmeihin tarjoavat dynaamisen ja yksilöllisen hoitotavan, joka mukautuu kroonisen kivun vaihtelevaan ja erittäin yksilölliseen luonteeseen.

Tulevaisuuteen katsoen Zhou ja hänen kollegansa toivovat näkevänsä laitteen jopa laajennettuja sovelluksia. Zhou sanoi, että tulevat mallit voisivat pienentää komponentteja entisestään ja mahdollistaa vähemmän invasiivisen laitteen implantoinnin - esimerkiksi ruiskulla. Puettava ultraäänilähetin voisi myös kehittyä jarruttamattomaksi miniatyrisoiduksi laitteeksi tai jopa puettavaksi ultraääniryhmäksi, joka mahdollisesti yhdistää kuvantamisominaisuudet energiantoimitukseen reaaliaikaista seurantaa ja kohdennettua stimulaatiota varten. Tulevia iteraatioita voitaisiin ohjata myös älypuhelinohjelmistolla, mikä tarjoaa entistä tehokkaamman henkilökohtaisen kivunhallinnan.

Zhou sanoi, että laitteen tavoitteena on muuttaa kroonisen kivun hallintaa ja ylittää nykyisten ratkaisujen rajoitukset tarjotakseen todella henkilökohtaisen, älykkään ja tehokkaan tavan lievittää kipua.

"Tuloksemme korostavat ultraäänellä implantoitavan elektroniikan mahdollisuuksia kliinisen ja translatiivisen kroonisen kivun hoidossa", Zeng sanoi.

Lähteet: