L'impianto wireless flessibile offre speranza a chi soffre di dolore cronico

L'impianto wireless flessibile offre speranza a chi soffre di dolore cronico

Il dolore cronico è una condizione debilitante che incide notevolmente sulla qualità della vita e spesso porta all’uso di farmaci oppioidi con i loro gravi effetti collaterali e rischi di dipendenza. Secondo la US Pain Foundation, 51,6 milioni di americani convivono con dolore cronico. Per oltre 17 milioni di persone che ne soffrono, il dolore cronico ha un forte impatto e spesso limita la loro vita o le loro attività lavorative.

Gli attuali stimolatori elettrici impiantabili offrono un’alternativa stimolando il midollo spinale per impedire ai segnali del dolore di raggiungere il cervello. Tuttavia, questi dispositivi presentano svantaggi quali costi elevati, interventi chirurgici invasivi e la necessità di sostituire frequentemente la batteria. Ora, i ricercatori del Laboratorio Zhou del Dipartimento di Ingegneria Biomedica Alfred E. Mann dell’USC Viterbi, in collaborazione con il gruppo Jun Chen dell’UCLA, hanno sviluppato una soluzione rivoluzionaria: uno stimolatore impiantabile wireless indotto da ultrasuoni (UIWI) flessibile fissato alla schiena per una gestione personalizzata e autosomministrata del dolore cronico.

Questo dispositivo innovativo, dettagliato inElettronica della naturarappresenta un significativo passo avanti nella gestione del dolore. Mentre gli attuali stimolatori del midollo spinale possono essere ingombranti e sono cablati per le batterie, il nuovo dispositivo è progettato per piegarsi e torcersi con il movimento ed è alimentato da un trasmettitore a ultrasuoni portatile senza la necessità di una batteria. Utilizza inoltre algoritmi di apprendimento automatico per personalizzare il trattamento per ciascun paziente. Il lavoro è stato guidato da Zohrab A. Kaprielian Fellow in Engineering Qifa Zhou, che è anche professore di oftalmologia presso la Keck School of Medicine della USC.

Sollievo dal dolore quando necessario: come funziona lo stimolatore impiantabile

Al centro di questa innovazione c’è l’alimentazione wireless, che elimina la necessità di batterie ingombranti e superfici di cavi complesse che spesso richiedono operazioni ripetute. Lo stimolatore UIWI riceve la sua energia da un trasmettitore a ultrasuoni portatile esterno (WUT). Gli ultrasuoni offrono un metodo sicuro, efficace e non invasivo per la penetrazione dei tessuti profondi. Il dispositivo converte le onde meccaniche in segnali elettrici attraverso un fenomeno chiamato effetto piezoelettrico. Il nucleo dello stimolatore UIWI è un elemento piezoelettrico miniaturizzato realizzato in piombo zirconato titanato (PZT), un materiale altamente efficiente per convertire l'energia elettrica necessaria per la stimolazione in energia elettrica.

Ciò che distingue davvero questo dispositivo sono le sue capacità di gestione del dolore wireless, intelligenti e autoprotettive. Riteniamo che abbia un grande potenziale per sostituire i sistemi farmacologici e gli approcci convenzionali di stimolazione elettrica e rispondere alla necessità clinica di riduzione del dolore. “

Qifa Zhou, Professore di Oftalmologia, Keck School of Medicine della USC

Yushun (Sean) Zeng, candidato al laboratorio di PhD Zhou e autore principale, ha affermato che lo stimolatore miniaturizzato intelligente wireless ha la capacità di generare un'intensità di stimolazione elettrica sufficiente utilizzando l'energia degli ultrasuoni, con conseguente trattamento personalizzato, mirato e localizzato.

"Questo tipo di conversione dell'energia è fondamentale per la stimolazione profonda perché gli ultrasuoni sono un'energia non invasiva e altamente penetrante in campo clinico e medico", ha affermato Zeng. "Sfruttando il trasmettitore wireless di energia a ultrasuoni e il sistema di feedback a circuito chiuso, questo stimolatore UIWI elimina la necessità di ingombranti batterie impiantate e consente una modulazione del dolore in tempo reale e regolabile con precisione."

“Dal punto di vista clinico, l’integrazione della valutazione del dolore con l’apprendimento profondo consente l’interpretazione dinamica e la risposta agli stati di dolore fluttuanti, il che è essenziale per regolare la variabilità specifica del paziente”. Zhou Lab, Ph.D. Il candidato Chen Gong, anche lui scrittore senior del giornale.

Il dispositivo funziona da:

• 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.

Lo stesso stimolatore UIWI è flessibile, pieghevole e ruotabile e consente un posizionamento ottimale sul midollo spinale. La stimolazione elettrica che fornisce al midollo spinale riequilibra i segnali che trasmettono e inibiscono il dolore, sopprimendo efficacemente la sensazione di dolore.

Prova di successo in laboratorio

Il team del Zhou Lab ha testato lo stimolatore UIWI in modelli di roditori, con risultati che dimostrano l’efficacia nel trattamento del dolore.

I ricercatori hanno risolto con successo il dolore neuropatico cronico utilizzando stimoli meccanici (come la puntura di una penna) e stimoli termici acuti (calore a infrarossi).

Test di laboratorio hanno dimostrato che il trattamento con lo stimolatore UIWI ha portato a riduzioni significative degli indicatori del dolore. In un esperimento per valutare se un animale associa un ambiente al sollievo dal dolore, i roditori hanno mostrato una chiara preferenza per la camera in cui è stato attivato il sistema di gestione del dolore, confermando ulteriormente l’efficacia del dispositivo.

Il futuro del sollievo dal dolore personalizzato

Il successo dello sviluppo e dei test dello stimolatore UIWI segna un momento cruciale nella ricerca di una gestione avanzata del dolore. Il design flessibile dell'impianto e la sua integrazione con sofisticati algoritmi di intelligenza artificiale forniscono un approccio terapeutico dinamico e personalizzato in grado di adattarsi alla natura fluttuante e altamente individuale del dolore cronico.

Guardando al futuro, Zhou e i suoi colleghi sperano di vedere applicazioni ancora più estese del dispositivo. Zhou ha affermato che i progetti futuri potrebbero miniaturizzare ulteriormente i componenti e consentire l’impianto di dispositivi meno invasivi, ad esempio con una siringa. Il trasmettitore a ultrasuoni indossabile potrebbe anche evolversi in un dispositivo miniaturizzato non frenato o addirittura in un patch per array di ultrasuoni indossabile, combinando potenzialmente capacità di imaging con erogazione di energia per il monitoraggio in tempo reale e la stimolazione mirata. Le future iterazioni potrebbero anche essere controllate dal software dello smartphone, offrendo una gestione del dolore personalizzata ancora più solida.

Zhou ha affermato che l'obiettivo del dispositivo è trasformare la gestione del dolore cronico e andare oltre i limiti delle soluzioni attuali per fornire un modo veramente personalizzato, intelligente ed efficace per alleviare il dolore.

“I nostri risultati evidenziano il potenziale dell’elettronica impiantabile a ultrasuoni nel trattamento del dolore cronico clinico e traslazionale”, ha affermato Zeng.

Fonti: