Implantul wireless flexibil oferă speranță persoanelor care suferă de durere cronică

Implantul wireless flexibil oferă speranță persoanelor care suferă de durere cronică

Durerea cronică este o afecțiune debilitantă care are un impact semnificativ asupra calității vieții și duce adesea la medicamente opioide cu efecte secundare grave și riscuri de dependență. Potrivit US Pain Foundation, 51,6 milioane de americani trăiesc cu durere cronică. Pentru peste 17 milioane de bolnavi, durerea lor cronică are un mare impact - și adesea le limitează activitățile de viață sau de muncă.

Stimulatoarele electrice implantabile actuale oferă o alternativă prin stimularea măduvei spinării pentru a bloca semnalele de durere să ajungă la creier. Cu toate acestea, aceste dispozitive au dezavantaje, cum ar fi costuri ridicate, intervenții chirurgicale invazive și nevoia de înlocuire frecventă a bateriei. Acum, cercetătorii de la Laboratorul Zhou din Departamentul de Inginerie Biomedicală Viterbi Alfred E. Mann din USC, în colaborare cu grupul Jun Chen de la UCLA, au dezvoltat o soluție revoluționară: un stimulator implantabil fără fir indus de ultrasunete (UIWI) flexibil, fixat pe spate pentru gestionarea personalizată, autoadministrată, a durerii cronice.

Acest dispozitiv inovator, detaliat înElectronica naturiireprezintă un salt înainte semnificativ în managementul durerii. În timp ce actualele stimulatoare ale măduvei spinării pot fi voluminoase și sunt conectate pentru baterii, noul dispozitiv este proiectat să se îndoaie și să se răsucească cu mișcare și este alimentat de un transmițător portabil cu ultrasunete fără a fi nevoie de o baterie. De asemenea, utilizează algoritmi de învățare automată pentru a personaliza tratamentul pentru fiecare pacient. Lucrarea a fost condusă de Zohrab A. Kaprielian Fellow în Inginerie Qifa Zhou, care este și profesor de oftalmologie la Keck School of Medicine din USC.

Ameliorarea durerii atunci când este necesar: Cum funcționează stimulatorul implantabil

În centrul acestei inovații se află puterea wireless, eliminând necesitatea bateriilor voluminoase și a suprafețelor complexe de cabluri care necesită adesea operațiuni repetate. Stimulatorul UIWI își primește energia de la un transmițător de ultrasunete extern, portabil (WUT). Ultrasunetele oferă o metodă neinvazivă sigură și eficientă pentru penetrarea profundă a țesuturilor. Dispozitivul convertește undele mecanice în semnale electrice printr-un fenomen numit efect piezoelectric. Miezul stimulatorului UIWI este un element piezoelectric miniaturizat din titanat de zirconat de plumb (PZT), un material extrem de eficient pentru transformarea energiei electrice necesare stimulării în energie electrică.

Ceea ce diferențiază cu adevărat acest dispozitiv este capabilitățile sale wireless, inteligente și de auto-provocare de gestionare a durerii. Credem că are un potențial mare de a înlocui sistemele farmacologice și abordările convenționale de stimulare electrică și de a aborda nevoia clinică de reducere a durerii. „

Qifa Zhou, profesor de oftalmologie, Școala de Medicină Keck din USC

Candidatul la doctorat în laborator Zhou și autorul principal Yushun (Sean) Zeng a spus că stimulatorul miniaturizat inteligent wireless are capacitatea de a genera o intensitate suficientă de stimulare electrică prin utilizarea energiei ultrasunetelor, rezultând un tratament personalizat, țintit și localizat.

„Acest tip de conversie a energiei este crucial pentru stimularea profundă, deoarece ultrasunetele sunt o energie neinvazivă și foarte penetrantă în domeniile clinic și medical”, a spus Zeng. „Prin utilizarea transmițătorului de energie cu ultrasunete fără fir și a sistemului de feedback în buclă închisă, acest stimulator UIWI elimină necesitatea bateriilor voluminoase implantate și permite modularea durerii în timp real, reglabilă cu precizie.”

„Din perspectivă clinică, încorporarea evaluării durerii prin învățarea profundă permite interpretarea dinamică și răspunsul la stările de durere fluctuante, ceea ce este esențial pentru ajustarea variabilității specifice pacientului.” Zhou Lab, Ph.D. Candidatul Chen Gong, de asemenea, autor principal pe hârtie.

Aparatul funcționează de la:

• 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.

Stimulatorul UIWI în sine este flexibil, îndoit și răsucit și permite o plasare optimă pe măduva spinării. Stimularea electrică pe care o furnizează măduvei spinării face ca semnalele care transmit și inhibă durerea să fie reechilibrate, suprimând eficient senzația de durere.

Dovada succesului in laborator

Echipa Zhou Lab a testat stimulatorul UIWI pe modele de rozătoare, rezultatele care demonstrează eficacitatea în tratamentul durerii.

Cercetătorii au rezolvat cu succes durerea neuropatică cronică folosind stimuli mecanici (cum ar fi o înțepătură de stilou) și stimuli termici acut (căldură în infraroșu).

Testele de laborator au arătat că tratamentul cu stimulatorul UIWI a dus la reduceri semnificative ale indicatorilor de durere. Într-un experiment pentru a evalua dacă un animal asociază un mediu cu ameliorarea durerii, rozătoarele au arătat o preferință clară pentru camera în care a fost activat sistemul de management al durerii, confirmând în continuare eficacitatea dispozitivului.

Viitorul ameliorării personalizate a durerii

Dezvoltarea și testarea cu succes a stimulatorului UIWI marchează un moment esențial în căutarea unui management avansat al durerii. Designul flexibil al implantului și integrarea sa cu algoritmi sofisticați de inteligență artificială oferă o abordare de tratament dinamică și personalizată, care se poate adapta la natura fluctuantă și extrem de individuală a durerii cronice.

Privind în viitor, Zhou și colegii săi speră să vadă chiar și aplicații extinse ale dispozitivului. Zhou a spus că proiectele viitoare ar putea miniaturiza în continuare componentele și ar permite implantarea dispozitivelor mai puțin invazive - de exemplu, cu o seringă. Transmițătorul cu ultrasunete purtabil ar putea evolua, de asemenea, într-un dispozitiv nefrânat, miniaturizat sau chiar într-un plasture cu ultrasunete portabil, combinând posibilitățile de imagistică cu livrarea de energie pentru monitorizare în timp real și stimulare țintită. Iterațiile viitoare ar putea fi controlate și de software-ul pentru smartphone, oferind un management personalizat și mai robust al durerii.

Zhou a spus că scopul dispozitivului este de a transforma gestionarea durerii cronice și de a depăși limitările soluțiilor actuale pentru a oferi o modalitate cu adevărat personalizată, inteligentă și eficientă de a calma durerea.

„Rezultatele noastre evidențiază potențialul electronicelor implantabile cu ultrasunete în tratamentul durerii cronice clinice și translaționale”, a spus Zeng.

Surse: