Elastyczny implant bezprzewodowy daje nadzieję osobom cierpiącym na chroniczny ból

Elastyczny implant bezprzewodowy daje nadzieję osobom cierpiącym na chroniczny ból

Przewlekły ból to wyniszczająca choroba, która znacząco wpływa na jakość życia i często prowadzi do stosowania leków opioidowych, które wiążą się z poważnymi skutkami ubocznymi i ryzykiem uzależnienia. Według US Pain Foundation 51,6 miliona Amerykanów cierpi na chroniczny ból. W przypadku ponad 17 milionów osób cierpiących na chroniczny ból ma on ogromny wpływ i często ogranicza ich aktywność życiową lub zawodową.

Obecne wszczepialne stymulatory elektryczne stanowią alternatywę poprzez stymulację rdzenia kręgowego w celu zablokowania dotarcia sygnałów bólowych do mózgu. Urządzenia te mają jednak wady, takie jak wysoki koszt, inwazyjne operacje i konieczność częstej wymiany baterii. Teraz naukowcy z laboratorium Zhou na Wydziale Inżynierii Biomedycznej Viterbi Alfreda E. Manna USC, we współpracy z grupą Jun Chen z UCLA, opracowali rewolucyjne rozwiązanie: elastyczny, bezprzewodowy wszczepialny stymulator (UIWI) indukowany ultradźwiękami, przymocowany do pleców w celu spersonalizowanego, samodzielnego podawania i leczenia przewlekłego bólu.

To przełomowe urządzenie, szczegółowo opisane wElektronika naturystanowi znaczący krok naprzód w leczeniu bólu. Chociaż obecne stymulatory rdzenia kręgowego mogą być nieporęczne i zasilane na stałe bateriami, nowe urządzenie zaprojektowano tak, aby zginało się i skręcało podczas ruchu i jest zasilane przez przenośny nadajnik ultradźwiękowy bez potrzeby stosowania baterii. Wykorzystuje również algorytmy uczenia maszynowego, aby dostosować leczenie do każdego pacjenta. Pracami kierował Zhrab A. Kaprielian Fellow in Engineering Qifa Zhou, który jest także profesorem okulistyki w Keck School of Medicine na USC.

Ulga w bólu w razie potrzeby: jak działa wszczepialny stymulator

Sercem tej innowacji jest zasilanie bezprzewodowe, eliminujące potrzebę stosowania nieporęcznych baterii i skomplikowanych powierzchni kabli, które często wymagają powtarzalnych operacji. Stymulator UIWI pobiera energię z zewnętrznego, przenośnego nadajnika ultradźwiękowego (WUT). Ultradźwięki stanowią bezpieczną i skuteczną, nieinwazyjną metodę głębokiej penetracji tkanek. Urządzenie przekształca fale mechaniczne w sygnały elektryczne poprzez zjawisko zwane efektem piezoelektrycznym. Rdzeniem stymulatora UIWI jest zminiaturyzowany element piezoelektryczny wykonany z tytanianu cyrkonu ołowiu (PZT), wysoce wydajnego materiału przetwarzającego energię elektryczną niezbędną do stymulacji na energię elektryczną.

Tym, co naprawdę wyróżnia to urządzenie, są jego bezprzewodowe, inteligentne i samozwańcze możliwości leczenia bólu. Wierzymy, że ma ona ogromny potencjał do zastąpienia systemów farmakologicznych i konwencjonalnych metod stymulacji elektrycznej oraz zaspokojenia klinicznych potrzeb w zakresie redukcji bólu. „

Qifa Zhou, profesor okulistyki, Keck School of Medicine na USC

Doktorant Zhou w laboratorium i główny autor, Yushun (Sean) Zeng, powiedział, że bezprzewodowy, inteligentny zminiaturyzowany stymulator ma zdolność generowania wystarczającej intensywności stymulacji elektrycznej za pomocą energii ultradźwiękowej, co skutkuje spersonalizowanym, ukierunkowanym i zlokalizowanym leczeniem.

„Ten typ konwertujący energię ma kluczowe znaczenie dla głębokiej stymulacji, ponieważ ultradźwięki to nieinwazyjna i wysoce penetrująca energia w dziedzinach klinicznych i medycznych” – powiedział Zeng. „Wykorzystując bezprzewodowy ultradźwiękowy nadajnik energii i system sprzężenia zwrotnego w zamkniętej pętli, ten stymulator UIWI eliminuje potrzebę stosowania nieporęcznych wszczepianych baterii i umożliwia precyzyjnie regulowaną modulację bólu w czasie rzeczywistym”.

„Z klinicznego punktu widzenia uwzględnienie głębokiego uczenia się oceny bólu umożliwia dynamiczną interpretację i reakcję na zmienne stany bólowe, co jest niezbędne do dostosowania zmienności specyficznej dla pacjenta”. Zhou Lab, dr. Kandydat Chen Gong, także starszy autor gazety.

Urządzenie działa z:

• 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.

Sam stymulator UIWI jest elastyczny, zginany i skręcany oraz pozwala na optymalne umieszczenie na rdzeniu kręgowym. Stymulacja elektryczna dostarczana do rdzenia kręgowego powoduje, że sygnały przenoszące i hamujące ból zostają zrównoważone, skutecznie tłumiąc uczucie bólu.

Dowód sukcesu w laboratorium

Zespół Zhou Lab przetestował stymulator UIWI na modelach gryzoni, a wyniki wykazały skuteczność w leczeniu bólu.

Badacze z powodzeniem wyleczyli przewlekły ból neuropatyczny za pomocą bodźców mechanicznych (takich jak ukłucie długopisem) i ostrych bodźców termicznych (ciepło podczerwone).

Badania laboratoryjne wykazały, że leczenie stymulatorem UIWI doprowadziło do istotnej redukcji wskaźników bólowych. W eksperymencie mającym na celu ocenę, czy zwierzę kojarzy środowisko z uśmierzaniem bólu, gryzonie wyraźnie preferowały komorę, w której aktywowano system łagodzenia bólu, co dodatkowo potwierdziło skuteczność urządzenia.

Przyszłość spersonalizowanej terapii przeciwbólowej

Pomyślny rozwój i testowanie stymulatora UIWI stanowi kluczowy moment w dążeniu do zaawansowanego leczenia bólu. Elastyczna konstrukcja implantu i jego integracja z wyrafinowanymi algorytmami sztucznej inteligencji zapewnia dynamiczne i spersonalizowane podejście do leczenia, które można dostosować do zmiennego i wysoce indywidualnego charakteru przewlekłego bólu.

Patrząc w przyszłość, Zhou i jego współpracownicy mają nadzieję na jeszcze szersze zastosowania urządzenia. Zhou powiedział, że przyszłe projekty pozwolą na dalszą miniaturyzację komponentów i umożliwienie mniej inwazyjnej implantacji urządzenia – na przykład za pomocą strzykawki. Przenośny nadajnik ultradźwiękowy mógłby również ewoluować w niehamowane, zminiaturyzowane urządzenie lub nawet nadającą się do noszenia łatkę ultradźwiękową, potencjalnie łączącą możliwości obrazowania z dostarczaniem energii na potrzeby monitorowania w czasie rzeczywistym i ukierunkowanej stymulacji. Przyszłe iteracje można również kontrolować za pomocą oprogramowania na smartfony, oferując jeszcze skuteczniejsze, spersonalizowane leczenie bólu.

Zhou powiedział, że celem urządzenia jest zmiana sposobu leczenia bólu przewlekłego i wyjście poza ograniczenia obecnych rozwiązań, aby zapewnić prawdziwie spersonalizowany, inteligentny i skuteczny sposób łagodzenia bólu.

„Nasze wyniki podkreślają potencjał wszczepialnych urządzeń elektronicznych za pomocą ultradźwięków w klinicznym i translacyjnym leczeniu bólu przewlekłego” – powiedział Zeng.

Źródła: