Implante sem fio flexível oferece esperança para quem sofre de dor crônica

Implante sem fio flexível oferece esperança para quem sofre de dor crônica

A dor crônica é uma condição debilitante que tem um grande impacto na qualidade de vida e muitas vezes leva ao uso de medicamentos opioides com seus graves efeitos colaterais e riscos de dependência. De acordo com a US Pain Foundation, 51,6 milhões de americanos vivem com dor crônica. Para mais de 17 milhões de doentes, a dor crónica é altamente impactante - e muitas vezes limita as suas actividades de vida ou de trabalho.

Os atuais estimuladores elétricos implantáveis ​​oferecem uma alternativa, estimulando a medula espinhal para impedir que os sinais de dor cheguem ao cérebro. No entanto, esses dispositivos apresentam desvantagens como alto custo, cirurgias invasivas e necessidade de substituição frequente da bateria. Agora, pesquisadores do Laboratório Zhou do Departamento de Engenharia Biomédica da USC Viterbi Alfred E. Mann, em colaboração com o grupo Jun Chen da UCLA, desenvolveram uma solução revolucionária: um estimulador implantável sem fio (UIWI) induzido por ultrassom flexível, preso nas costas para controle personalizado e autoadministrado da dor crônica.

Este dispositivo inovador, detalhado emEletrônica da naturezarepresenta um avanço significativo no tratamento da dor. Embora os atuais estimuladores da medula espinhal possam ser volumosos e sejam conectados a baterias, o novo dispositivo foi projetado para dobrar e torcer com o movimento e é alimentado por um transmissor de ultrassom portátil sem a necessidade de bateria. Ele também usa algoritmos de aprendizado de máquina para personalizar o tratamento para cada paciente. O trabalho foi liderado por Zohrab A. Kaprielian Fellow em Engenharia Qifa Zhou, que também é professor de oftalmologia na Keck School of Medicine da USC.

Alívio da dor quando necessário: como funciona o estimulador implantável

No centro desta inovação está a energia sem fio, eliminando a necessidade de baterias volumosas e superfícies de cabos complexas que muitas vezes exigem operações repetidas. O estimulador UIWI recebe sua energia de um transmissor de ultrassom portátil externo (WUT). O ultrassom oferece um método não invasivo seguro e eficaz para penetração profunda nos tecidos. O dispositivo converte ondas mecânicas em sinais elétricos por meio de um fenômeno denominado efeito piezoelétrico. O núcleo do estimulador UIWI é um elemento piezoelétrico miniaturizado feito de titanato de zirconato de chumbo (PZT), um material altamente eficiente para converter a energia elétrica necessária para a estimulação em energia elétrica.

O que realmente diferencia este dispositivo são seus recursos de gerenciamento da dor sem fio, inteligentes e autoprovocados. Acreditamos que tem grande potencial para substituir sistemas farmacológicos e abordagens convencionais de estimulação elétrica e atender à necessidade clínica de redução da dor. “

Qifa Zhou, professora de oftalmologia, Keck School of Medicine da USC

O candidato do laboratório PhD Zhou e autor principal Yushun (Sean) Zeng disse que o estimulador miniaturizado inteligente sem fio tem a capacidade de gerar intensidade de estimulação elétrica suficiente usando energia de ultrassom, resultando em tratamento personalizado, direcionado e localizado.

“Este tipo de conversão de energia é crucial para a estimulação profunda porque o ultrassom é uma energia não invasiva e altamente penetrante nas áreas clínica e médica”, disse Zeng. “Ao aproveitar o transmissor de energia ultrassônica sem fio e o sistema de feedback de circuito fechado, este estimulador UIWI elimina a necessidade de baterias implantadas volumosas e permite modulação da dor ajustável com precisão e em tempo real.”

“Do ponto de vista clínico, a incorporação da avaliação da dor com aprendizagem profunda permite a interpretação dinâmica e a resposta a estados flutuantes de dor, o que é essencial para ajustar a variabilidade específica do paciente.” Laboratório Zhou, Ph.D. Candidato Chen Gong, também redator sênior do jornal.

O dispositivo funciona a 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.

O estimulador UIWI em si é flexível, dobrável e giratório e permite um posicionamento ideal na medula espinhal. A estimulação elétrica que ele entrega à medula espinhal faz com que os sinais que transmitem e inibem a dor sejam reequilibrados, suprimindo efetivamente a sensação de dor.

Prova de sucesso no laboratório

A equipe do Zhou Lab testou o estimulador UIWI em modelos de roedores, com resultados demonstrando eficácia no tratamento da dor.

Os pesquisadores resolveram com sucesso a dor neuropática crônica usando estímulos mecânicos (como uma picada de caneta) e estímulos térmicos agudos (calor infravermelho).

Os exames laboratoriais mostraram que o tratamento com o estimulador UIWI levou a reduções significativas nos indicadores de dor. Num experimento para avaliar se um animal associa um ambiente ao alívio da dor, os roedores mostraram uma clara preferência pela câmara em que o sistema de controle da dor foi ativado, confirmando ainda mais a eficácia do dispositivo.

O futuro do alívio personalizado da dor

O desenvolvimento e teste bem-sucedidos do estimulador UIWI marcam um momento crucial na busca pelo controle avançado da dor. O design flexível do implante e a sua integração com sofisticados algoritmos de IA proporcionam uma abordagem de tratamento dinâmica e personalizada que pode se adaptar à natureza flutuante e altamente individual da dor crônica.

Olhando para o futuro, Zhou e seus colegas esperam ver aplicações ainda mais amplas do dispositivo. Zhou disse que projetos futuros poderiam miniaturizar ainda mais os componentes e permitir a implantação de dispositivos menos invasivos – por exemplo, com uma seringa. O transmissor de ultrassom vestível também pode evoluir para um dispositivo miniaturizado e sem freio ou até mesmo um patch de conjunto de ultrassom vestível, combinando potencialmente recursos de imagem com fornecimento de energia para monitoramento em tempo real e estimulação direcionada. As iterações futuras também poderão ser controladas pelo software do smartphone, oferecendo um gerenciamento personalizado da dor ainda mais robusto.

Zhou disse que o objetivo do dispositivo é transformar o gerenciamento da dor crônica e ir além das limitações das soluções atuais para fornecer uma forma verdadeiramente personalizada, inteligente e eficaz de aliviar a dor.

“Nossos resultados destacam o potencial da eletrônica implantável por ultrassom no tratamento clínico e translacional da dor crônica”, disse Zeng.

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