Fleksibelt trådløst implantat gir håp for kroniske smerter

Fleksibelt trådløst implantat gir håp for kroniske smerter

Kronisk smerte er en svekkende tilstand som i stor grad påvirker livskvaliteten og ofte fører til opioidmedisiner med alvorlige bivirkninger og risiko for avhengighet. Ifølge US Pain Foundation lever 51,6 millioner amerikanere med kroniske smerter. For over 17 millioner lider er deres kroniske smerte svært virkningsfulle - og begrenser ofte deres liv eller arbeidsaktiviteter.

Gjeldende implanterbare elektriske stimulatorer tilbyr et alternativ ved å stimulere ryggmargen for å blokkere smertesignaler fra å nå hjernen. Imidlertid har disse enhetene ulemper som høye kostnader, invasive operasjoner og behovet for hyppig batteribytte. Nå har forskere fra Zhou Laboratory i USC Viterbi Alfred E. Mann Institutt for biomedisinsk ingeniørvitenskap, i samarbeid med Jun Chen-gruppen ved UCLA, utviklet en revolusjonerende løsning: en fleksibel ultralydindusert trådløs implanterbar stimulator (UIWI) festet på ryggen for personlig, selvadministrerende, kronisk smertebehandling.

Denne banebrytende enheten, detaljert iNaturelektronikkrepresenterer et betydelig sprang fremover innen smertebehandling. Mens nåværende ryggmargsstimulatorer kan være store og er kablet for batterier, er den nye enheten designet for å bøye og vri seg med bevegelse og drives av en bærbar ultralydsender uten behov for batteri. Den bruker også maskinlæringsalgoritmer for å tilpasse behandlingen for hver pasient. Arbeidet ble ledet av Zohrab A. Kaprielian Fellow in Engineering Qifa Zhou, som også er professor i oftalmologi ved Keck School of Medicine i USC.

Smertelindring ved behov: Hvordan den implanterbare stimulatoren fungerer

I hjertet av denne innovasjonen er trådløs strøm, som eliminerer behovet for store batterier og komplekse kabeloverflater som ofte krever gjentatte operasjoner. UIWI-stimulatoren mottar sin energi fra en ekstern, bærbar ultralydsender (WUT). Ultralyd tilbyr en sikker, effektiv ikke-invasiv metode for dypvevspenetrering. Enheten konverterer mekaniske bølger til elektriske signaler gjennom et fenomen som kalles den piezoelektriske effekten. Kjernen i UIWI-stimulatoren er et miniatyrisert piezoelektrisk element laget av blyzirkonattitanat (PZT), et svært effektivt materiale for å konvertere den elektriske energien som kreves for stimulering til elektrisk kraft.

Det som virkelig skiller denne enheten er dens trådløse, intelligente og selvforkjempende smertebehandlingsevner. Vi tror det har et stort potensiale til å erstatte farmakologiske systemer og konvensjonelle elektriske stimuleringsmetoder og adressere det kliniske behovet for smertereduksjon. "

Qifa Zhou, professor i oftalmologi, Keck School of Medicine ved USC

PhD Zhou labkandidat og hovedforfatter Yushun (Sean) Zeng sa at den trådløse smarte miniatyriserte stimulatoren har evnen til å generere tilstrekkelig elektrisk stimuleringsintensitet ved å bruke ultralydenergi, noe som resulterer i personlig, målrettet og lokalisert behandling.

"Denne energikonverterende typen er avgjørende for dyp stimulering fordi ultralyd er en ikke-invasiv og svært penetrerende energi i kliniske og medisinske felt," sa Zeng. "Ved å utnytte den trådløse ultralydenergisenderen og tilbakemeldingssystemet med lukket sløyfe, fjerner denne UIWI-stimulatoren behovet for store implanterte batterier og muliggjør sanntids, nøyaktig justerbar smertemodulering."

"Fra et klinisk perspektiv, muliggjør inkorporering av dyp læring smertevurdering dynamisk tolkning og respons på svingende smertetilstander, noe som er avgjørende for å justere pasientspesifikk variasjon." Zhou Lab, Ph.D. Kandidat Chen Gong, også seniorskribent på avisen.

Enheten fungerer fra:

• 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.

Selve UIWI-stimulatoren er fleksibel, bøybar og vridbar og gir optimal plassering på ryggmargen. Den elektriske stimuleringen den leverer til ryggmargen fører til at signalene som overfører og hemmer smerte blir rebalansert, og effektivt undertrykker smertefølelsen.

Bevis på suksess i laboratoriet

Zhou Lab-teamet testet UIWI-stimulatoren i gnagermodeller, med resultater som viser effektivitet for smertebehandling.

Forskere klarte å løse kroniske nevropatiske smerter ved hjelp av mekaniske stimuli (som et pennestikk) og akutte termiske stimuli (infrarød varme).

Laboratorietester viste at behandling med UIWI-stimulatoren førte til betydelige reduksjoner i smerteindikatorer. I et eksperiment for å evaluere om et dyr assosierer et miljø med smertelindring, viste gnagere en klar preferanse for kammeret der smertebehandlingssystemet ble aktivert, noe som ytterligere bekreftet effektiviteten til enheten.

Fremtiden for personlig smertelindring

Den vellykkede utviklingen og testingen av UIWI-stimulatoren markerer et sentralt øyeblikk i jakten på avansert smertebehandling. Implantatets fleksible design og dets integrasjon med sofistikerte AI-algoritmer gir en dynamisk og personlig behandlingstilnærming som kan tilpasse seg den svingende og svært individuelle karakteren av kronisk smerte.

Med blikket mot fremtiden håper Zhou og hans kolleger å se enda utvidede applikasjoner av enheten. Zhou sa at fremtidige design kan miniatyrisere komponentene ytterligere og tillate mindre invasiv implantasjon av enheter - for eksempel med en sprøyte. Den bærbare ultralydsenderen kan også utvikle seg til en ubremset, miniatyrisert enhet eller til og med en bærbar ultralydgruppelapp, som potensielt kombinerer bildefunksjoner med energilevering for sanntidsovervåking og målrettet stimulering. Fremtidige iterasjoner kan også kontrolleres av smarttelefonprogramvare, som tilbyr enda mer robust personlig smertebehandling.

Zhou sa at enhetens mål er å transformere kronisk smertebehandling og gå utover begrensningene til nåværende løsninger for å gi en virkelig personlig, intelligent og effektiv måte å lindre smerte.

"Våre resultater fremhever potensialet til implanterbar ultralydelektronikk i klinisk og translasjonsbehandling av kronisk smerte," sa Zeng.

Kilder: