Flexibilný bezdrôtový implantát ponúka nádej pre ľudí trpiacich chronickou bolesťou

Flexibilný bezdrôtový implantát ponúka nádej pre ľudí trpiacich chronickou bolesťou

Chronická bolesť je vysiľujúci stav, ktorý výrazne ovplyvňuje kvalitu života a často vedie k užívaniu opioidných liekov s ich vážnymi vedľajšími účinkami a rizikom závislosti. Podľa US Pain Foundation žije 51,6 milióna Američanov s chronickou bolesťou. Pre viac ako 17 miliónov chorých má chronická bolesť veľký vplyv – a často obmedzuje ich život alebo pracovné aktivity.

Súčasné implantovateľné elektrické stimulátory ponúkajú alternatívu tým, že stimulujú miechu, aby blokovali signály bolesti, aby sa dostali do mozgu. Tieto zariadenia však majú nevýhody, ako sú vysoké náklady, invazívne operácie a potreba častej výmeny batérie. Teraz výskumníci z laboratória Zhou v USC Viterbi Alfred E. Mann Department of Biomedical Engineering v spolupráci so skupinou Jun Chen na UCLA vyvinuli revolučné riešenie: flexibilný ultrazvukom indukovaný bezdrôtový implantovateľný stimulátor (UIWI) pripevnený na chrbát pre personalizovanú, samoadministratívnu liečbu chronickej bolesti.

Toto prelomové zariadenie, podrobne opísané vPrírodná elektronikapredstavuje významný skok vpred v liečbe bolesti. Zatiaľ čo súčasné stimulátory miechy môžu byť objemné a sú napojené na batérie, nové zariadenie je navrhnuté tak, aby sa ohýbalo a krútilo pohybom a je napájané prenosným ultrazvukovým vysielačom bez potreby batérie. Používa tiež algoritmy strojového učenia na prispôsobenie liečby pre každého pacienta. Prácu viedol Zohrab A. Kaprielian Fellow in Engineering Qifa Zhou, ktorý je tiež profesorom oftalmológie na Keck School of Medicine v USC.

Úľava od bolesti v prípade potreby: Ako funguje implantovateľný stimulátor

Srdcom tejto inovácie je bezdrôtové napájanie, ktoré eliminuje potrebu objemných batérií a zložitých káblových povrchov, ktoré často vyžadujú opakované operácie. Stimulátor UIWI prijíma energiu z externého prenosného ultrazvukového vysielača (WUT). Ultrazvuk ponúka bezpečnú, účinnú neinvazívnu metódu pre hĺbkovú penetráciu tkaniva. Zariadenie premieňa mechanické vlny na elektrické signály prostredníctvom javu nazývaného piezoelektrický efekt. Jadrom stimulátora UIWI je miniaturizovaný piezoelektrický prvok vyrobený z olovnatého zirkoničitanu titanátu (PZT), vysoko účinného materiálu na premenu elektrickej energie potrebnej na stimuláciu na elektrickú energiu.

To, čo skutočne odlišuje toto zariadenie, sú jeho bezdrôtové, inteligentné a samoobslužné schopnosti zvládania bolesti. Veríme, že má veľký potenciál nahradiť farmakologické systémy a konvenčné prístupy elektrickej stimulácie a riešiť klinickú potrebu zníženia bolesti. “

Qifa Zhou, profesor oftalmológie, Keck School of Medicine v USC

PhD Zhou kandidát laboratória a hlavný autor Yushun (Sean) Zeng povedal, že bezdrôtový inteligentný miniaturizovaný stimulátor má schopnosť generovať dostatočnú intenzitu elektrickej stimulácie pomocou ultrazvukovej energie, čo vedie k personalizovanej, cielenej a lokalizovanej liečbe.

"Tento typ premeny energie je rozhodujúci pre hĺbkovú stimuláciu, pretože ultrazvuk je neinvazívna a vysoko prenikajúca energia v klinických a lekárskych oblastiach," povedal Zeng. „Využitím bezdrôtového vysielača ultrazvukovej energie a systému spätnej väzby s uzavretou slučkou tento stimulátor UIWI odstraňuje potrebu objemných implantovaných batérií a umožňuje presne nastaviteľnú moduláciu bolesti v reálnom čase.“

"Z klinického hľadiska umožňuje zahrnutie hodnotenia bolesti hlbokého učenia dynamickú interpretáciu a reakciu na kolísavé stavy bolesti, čo je nevyhnutné na úpravu variability špecifickej pre pacienta." Zhou Lab, Ph.D. Kandidát Chen Gong, tiež starší spisovateľ v novinách.

Zariadenie funguje od:

• 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.

Samotný stimulátor UIWI je flexibilný, ohybný a otočný a umožňuje optimálne umiestnenie na miechu. Elektrická stimulácia, ktorú dodáva mieche, spôsobuje, že signály, ktoré prenášajú a tlmia bolesť, sú znovu vyvážené, čím sa účinne potláča pocit bolesti.

Dôkaz úspechu v laboratóriu

Tím Zhou Lab testoval stimulátor UIWI na modeloch hlodavcov, pričom výsledky preukázali účinnosť pri liečbe bolesti.

Výskumníci úspešne vyriešili chronickú neuropatickú bolesť pomocou mechanických stimulov (ako je pichnutie perom) a akútne tepelné stimuly (infračervené teplo).

Laboratórne testy ukázali, že liečba stimulátorom UIWI viedla k významnému zníženiu indikátorov bolesti. V experimente na vyhodnotenie toho, či zviera spája prostredie s úľavou od bolesti, hlodavce jednoznačne uprednostňovali komoru, v ktorej bol aktivovaný systém zvládania bolesti, čo ďalej potvrdilo účinnosť zariadenia.

Budúcnosť personalizovanej úľavy od bolesti

Úspešný vývoj a testovanie stimulátora UIWI predstavuje kľúčový moment v úsilí o pokročilú liečbu bolesti. Flexibilný dizajn implantátu a jeho integrácia so sofistikovanými algoritmami AI poskytuje dynamický a personalizovaný prístup k liečbe, ktorý sa dokáže prispôsobiť kolísavej a vysoko individuálnej povahe chronickej bolesti.

Pri pohľade do budúcnosti Zhou a jeho kolegovia dúfajú, že uvidia ešte rozšírené aplikácie zariadenia. Zhou povedal, že budúce návrhy by mohli ďalej miniaturizovať komponenty a umožniť menej invazívnu implantáciu zariadenia - napríklad pomocou injekčnej striekačky. Nositeľný ultrazvukový vysielač by sa mohol vyvinúť aj na nebrzdené, miniaturizované zariadenie alebo dokonca na nositeľnú náplasť s ultrazvukovým poľom, ktorá potenciálne kombinuje zobrazovacie schopnosti s dodávkou energie na monitorovanie v reálnom čase a cielenú stimuláciu. Budúce iterácie by mohli byť riadené aj softvérom smartfónu, ktorý ponúka ešte robustnejšiu personalizovanú správu bolesti.

Zhou povedal, že cieľom zariadenia je transformovať manažment chronickej bolesti a ísť nad rámec obmedzení súčasných riešení, aby poskytol skutočne personalizovaný, inteligentný a efektívny spôsob úľavy od bolesti.

"Naše výsledky zdôrazňujú potenciál ultrazvukovej implantovateľnej elektroniky v klinickej a translačnej liečbe chronickej bolesti," povedal Zeng.

Zdroje: