Flexibel draadloos implantaat biedt hoop voor mensen met chronische pijn

Flexibel draadloos implantaat biedt hoop voor mensen met chronische pijn

Chronische pijn is een slopende aandoening die een grote invloed heeft op de kwaliteit van leven en vaak leidt tot het gebruik van opioïde medicijnen met hun ernstige bijwerkingen en risico's op verslaving. Volgens de US Pain Foundation leven 51,6 miljoen Amerikanen met chronische pijn. Voor meer dan 17 miljoen patiënten heeft hun chronische pijn een grote impact – en beperkt ze vaak hun levens- of werkactiviteiten.

De huidige implanteerbare elektrische stimulatoren bieden een alternatief door het ruggenmerg te stimuleren om te voorkomen dat pijnsignalen de hersenen bereiken. Deze apparaten hebben echter nadelen, zoals hoge kosten, invasieve operaties en de noodzaak om de batterij regelmatig te vervangen. Nu hebben onderzoekers van het Zhou Laboratory van het USC Viterbi Alfred E. Mann Department of Biomedical Engineering, in samenwerking met de Jun Chen-groep aan de UCLA, een revolutionaire oplossing ontwikkeld: een flexibele, door echografie geïnduceerde draadloze implanteerbare stimulator (UIWI) die aan de achterkant is bevestigd voor gepersonaliseerd, zelftoedienend, chronisch pijnbeheer.

Dit baanbrekende apparaat, gedetailleerd inNatuurelektronicavertegenwoordigt een aanzienlijke sprong voorwaarts in pijnbestrijding. Hoewel de huidige ruggenmergstimulatoren omvangrijk kunnen zijn en voorzien zijn van batterijen, is het nieuwe apparaat ontworpen om te buigen en te draaien bij beweging en wordt het aangedreven door een draagbare ultrasone zender zonder dat er een batterij nodig is. Het maakt ook gebruik van machine learning-algoritmen om de behandeling voor elke patiënt aan te passen. Het werk werd geleid door Zohrab A. Kaprielian Fellow in Engineering Qifa Zhou, die ook hoogleraar oogheelkunde is aan de Keck School of Medicine van USC.

Pijnverlichting wanneer dat nodig is: hoe de implanteerbare stimulator werkt

De kern van deze innovatie is draadloze stroomvoorziening, waardoor de noodzaak voor omvangrijke batterijen en complexe kabeloppervlakken, die vaak herhaalde handelingen vereisen, wordt geëlimineerd. De UIWI-stimulator ontvangt zijn energie van een externe, draagbare ultrasone zender (WUT). Echografie biedt een veilige, effectieve, niet-invasieve methode voor diepe weefselpenetratie. Het apparaat zet mechanische golven om in elektrische signalen via een fenomeen dat het piëzo-elektrische effect wordt genoemd. De kern van de UIWI-stimulator is een geminiaturiseerd piëzo-elektrisch element gemaakt van loodzirkonaattitanaat (PZT), een zeer efficiënt materiaal voor het omzetten van de elektrische energie die nodig is voor stimulatie in elektrische energie.

Wat dit apparaat echt onderscheidt, zijn de draadloze, intelligente en zelfbepleitende mogelijkheden voor pijnbeheersing. Wij geloven dat het een groot potentieel heeft om farmacologische systemen en conventionele elektrische stimulatiebenaderingen te vervangen en tegemoet te komen aan de klinische behoefte aan pijnvermindering. “

Qifa Zhou, hoogleraar oogheelkunde, Keck School of Medicine van USC

PhD Zhou-laboratoriumkandidaat en hoofdauteur Yushun (Sean) Zeng zei dat de draadloze slimme geminiaturiseerde stimulator het vermogen heeft om voldoende elektrische stimulatie-intensiteit te genereren door gebruik te maken van ultrasone energie, wat resulteert in een gepersonaliseerde, gerichte en gelokaliseerde behandeling.

"Dit energie-omzettende type is cruciaal voor diepe stimulatie, omdat echografie een niet-invasieve en zeer doordringende energie is op klinische en medische gebieden", aldus Zeng. “Door gebruik te maken van de draadloze ultrasone energiezender en het gesloten feedbacksysteem, maakt deze UIWI-stimulator de noodzaak van omvangrijke geïmplanteerde batterijen overbodig en maakt realtime, nauwkeurig instelbare pijnmodulatie mogelijk.”

“Vanuit een klinisch perspectief maakt het integreren van diepgaande pijnbeoordeling een dynamische interpretatie en reactie op fluctuerende pijntoestanden mogelijk, wat essentieel is voor het aanpassen van patiëntspecifieke variabiliteit.” Zhou Lab, Ph.D. Kandidaat Chen Gong, tevens senior schrijver op papier.

Het apparaat werkt vanuit:

• 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.

De UIWI-stimulator zelf is flexibel, buigbaar en draaibaar en zorgt voor een optimale plaatsing op het ruggenmerg. De elektrische stimulatie die het ruggenmerg afgeeft, zorgt ervoor dat de signalen die pijn overbrengen en remmen, opnieuw in evenwicht worden gebracht, waardoor het pijngevoel effectief wordt onderdrukt.

Bewijs van succes in het laboratorium

Het Zhou Lab-team testte de UIWI-stimulator in knaagdiermodellen, met resultaten die de effectiviteit voor pijnbehandeling aantoonden.

Onderzoekers hebben met succes chronische neuropathische pijn opgelost met behulp van mechanische stimuli (zoals een pennenprik) en acute thermische stimuli (infraroodwarmte).

Laboratoriumtests toonden aan dat behandeling met de UIWI-stimulator leidde tot een significante vermindering van de pijnindicatoren. In een experiment om te evalueren of een dier een omgeving associeert met pijnverlichting, toonden knaagdieren een duidelijke voorkeur voor de kamer waarin het pijnbeheersingssysteem werd geactiveerd, wat de effectiviteit van het apparaat verder bevestigde.

De toekomst van gepersonaliseerde pijnverlichting

De succesvolle ontwikkeling en het testen van de UIWI-stimulator markeert een cruciaal moment in de zoektocht naar geavanceerd pijnmanagement. Het flexibele ontwerp van het implantaat en de integratie ervan met geavanceerde AI-algoritmen zorgen voor een dynamische en gepersonaliseerde behandelaanpak die zich kan aanpassen aan de fluctuerende en zeer individuele aard van chronische pijn.

Kijkend naar de toekomst hopen Zhou en zijn collega's zelfs uitgebreide toepassingen van het apparaat te zien. Zhou zei dat toekomstige ontwerpen de componenten verder zouden kunnen miniaturiseren en minder invasieve implantatie van het apparaat mogelijk zouden maken, bijvoorbeeld met een injectiespuit. De draagbare ultrasone zender zou ook kunnen evolueren naar een ongeremd, geminiaturiseerd apparaat of zelfs een draagbare ultrasone array-patch, die mogelijk beeldvormingsmogelijkheden combineert met energieafgifte voor realtime monitoring en gerichte stimulatie. Toekomstige iteraties kunnen ook worden bestuurd door smartphonesoftware, waardoor een nog robuuster gepersonaliseerd pijnbeheer wordt geboden.

Zhou zei dat het doel van het apparaat is om de behandeling van chronische pijn te transformeren en verder te gaan dan de beperkingen van de huidige oplossingen om een ​​echt gepersonaliseerde, intelligente en effectieve manier te bieden om pijn te verlichten.

“Onze resultaten onderstrepen het potentieel van echografie-implanteerbare elektronica bij de klinische en translationele behandeling van chronische pijn”, aldus Zeng.

Bronnen: