Un implant flexible sans fil offre de l'espoir aux personnes souffrant de douleurs chroniques

Un implant flexible sans fil offre de l'espoir aux personnes souffrant de douleurs chroniques

La douleur chronique est une maladie débilitante qui a un impact considérable sur la qualité de vie et conduit souvent à l’utilisation de médicaments opioïdes avec leurs effets secondaires graves et leurs risques de dépendance. Selon la US Pain Foundation, 51,6 millions d’Américains vivent avec des douleurs chroniques. Pour plus de 17 millions de personnes, la douleur chronique a un impact considérable et limite souvent leur vie ou leurs activités professionnelles.

Les stimulateurs électriques implantables actuels offrent une alternative en stimulant la moelle épinière pour empêcher les signaux de douleur d'atteindre le cerveau. Cependant, ces appareils présentent des inconvénients tels qu’un coût élevé, des chirurgies invasives et la nécessité de remplacer fréquemment les piles. Maintenant, des chercheurs du laboratoire Zhou du département de génie biomédical de l'USC Viterbi Alfred E. Mann, en collaboration avec le groupe Jun Chen de l'UCLA, ont développé une solution révolutionnaire : un stimulateur implantable sans fil induit par ultrasons (UIWI) flexible qui est fixé au dos et pour une gestion personnalisée, auto-digestive et chronique de la douleur.

Cet appareil révolutionnaire, détaillé dansElectronique naturellereprésente un progrès significatif dans la gestion de la douleur. Alors que les stimulateurs de moelle épinière actuels peuvent être volumineux et sont câblés pour des piles, le nouvel appareil est conçu pour se plier et se tordre avec le mouvement et est alimenté par un émetteur d'ultrasons portable sans avoir besoin d'une batterie. Il utilise également des algorithmes d’apprentissage automatique pour personnaliser le traitement de chaque patient. Les travaux ont été dirigés par Zohrab A. Kaprielian Fellow en ingénierie Qifa Zhou, qui est également professeur d'ophtalmologie à la Keck School of Medicine de l'USC.

Soulagement de la douleur en cas de besoin : comment fonctionne le stimulateur implantable

Au cœur de cette innovation se trouve l’alimentation sans fil, éliminant le besoin de batteries encombrantes et de surfaces de câbles complexes qui nécessitent souvent des opérations répétées. Le stimulateur UIWI reçoit son énergie d'un émetteur d'ultrasons externe et portable (WUT). L'échographie offre une méthode non invasive sûre et efficace pour la pénétration des tissus profonds. L'appareil convertit les ondes mécaniques en signaux électriques grâce à un phénomène appelé effet piézoélectrique. Le cœur du stimulateur UIWI est un élément piézoélectrique miniaturisé en titanate de zirconate de plomb (PZT), un matériau très efficace pour convertir l'énergie électrique nécessaire à la stimulation en énergie électrique.

Ce qui distingue vraiment cet appareil, ce sont ses capacités de gestion de la douleur sans fil, intelligentes et autonomes. Nous pensons qu'il a un grand potentiel pour remplacer les systèmes pharmacologiques et les approches conventionnelles de stimulation électrique et répondre au besoin clinique de réduction de la douleur. "

Qifa Zhou, professeur d'ophtalmologie, Keck School of Medicine de l'USC

Le candidat au doctorat Zhou et auteur principal, Yushun (Sean) Zeng, a déclaré que le stimulateur miniaturisé intelligent sans fil a la capacité de générer une intensité de stimulation électrique suffisante en utilisant l'énergie ultrasonore, ce qui permet un traitement personnalisé, ciblé et localisé.

"Ce type de conversion d'énergie est crucial pour la stimulation profonde car les ultrasons sont une énergie non invasive et hautement pénétrante dans les domaines cliniques et médicaux", a déclaré Zeng. "En tirant parti de l'émetteur d'énergie ultrasonique sans fil et du système de rétroaction en boucle fermée, ce stimulateur UIWI supprime le besoin de batteries implantées volumineuses et permet une modulation de la douleur en temps réel et réglable avec précision."

« D’un point de vue clinique, l’intégration d’une évaluation de la douleur par apprentissage profond permet une interprétation et une réponse dynamiques aux états de douleur fluctuants, ce qui est essentiel pour ajuster la variabilité spécifique au patient. » Laboratoire Zhou, Ph.D. Le candidat Chen Gong, également rédacteur principal du journal.

L'appareil fonctionne à partir de :

• 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.

Le stimulateur UIWI lui-même est flexible, pliable et rotatif et permet un placement optimal sur la moelle épinière. La stimulation électrique qu'il délivre à la moelle épinière provoque le rééquilibrage des signaux qui transmettent et inhibent la douleur, supprimant ainsi efficacement la sensation de douleur.

Preuve de réussite en laboratoire

L'équipe du Zhou Lab a testé le stimulateur UIWI sur des modèles de rongeurs, avec des résultats démontrant son efficacité dans le traitement de la douleur.

Les chercheurs ont réussi à résoudre la douleur neuropathique chronique à l’aide de stimuli mécaniques (comme une piqûre de stylo) et de stimuli thermiques aigus (chaleur infrarouge).

Des tests de laboratoire ont montré que le traitement avec le stimulateur UIWI entraînait une réduction significative des indicateurs de douleur. Dans une expérience visant à évaluer si un animal associe un environnement au soulagement de la douleur, les rongeurs ont montré une nette préférence pour la chambre dans laquelle le système de gestion de la douleur était activé, confirmant ainsi l'efficacité du dispositif.

L’avenir du soulagement personnalisé de la douleur

Le développement et les tests réussis du stimulateur UIWI marquent un moment charnière dans la quête d’une gestion avancée de la douleur. La conception flexible de l'implant et son intégration avec des algorithmes d'IA sophistiqués offrent une approche thérapeutique dynamique et personnalisée qui peut s'adapter à la nature fluctuante et hautement individuelle de la douleur chronique.

En regardant vers l’avenir, Zhou et ses collègues espèrent voir des applications encore plus étendues de l’appareil. Zhou a déclaré que les conceptions futures pourraient miniaturiser davantage les composants et permettre une implantation de dispositif moins invasive – par exemple avec une seringue. L'émetteur d'ultrasons portable pourrait également évoluer vers un dispositif miniaturisé non freiné ou même un patch portable à ultrasons, combinant potentiellement des capacités d'imagerie avec la fourniture d'énergie pour une surveillance en temps réel et une stimulation ciblée. Les futures itérations pourraient également être contrôlées par un logiciel pour smartphone, offrant ainsi une gestion personnalisée de la douleur encore plus robuste.

Zhou a déclaré que l'objectif de l'appareil est de transformer la gestion de la douleur chronique et d'aller au-delà des limites des solutions actuelles pour fournir une manière véritablement personnalisée, intelligente et efficace de soulager la douleur.

"Nos résultats mettent en valeur le potentiel de l'électronique implantable par ultrasons dans le traitement clinique et translationnel de la douleur chronique", a déclaré Zeng.

Sources :