Prilagodljiv brezžični vsadek ponuja upanje za kronične bolečine

Prilagodljiv brezžični vsadek ponuja upanje za kronične bolečine

Kronična bolečina je izčrpavajoče stanje, ki močno vpliva na kakovost življenja in pogosto vodi do opioidnih zdravil z njihovimi resnimi stranskimi učinki in tveganjem odvisnosti. Po podatkih US Pain Foundation 51,6 milijona Američanov živi s kronično bolečino. Za več kot 17 milijonov obolelih ima kronična bolečina velik vpliv – in pogosto omejuje njihovo življenje ali delovne aktivnosti.

Trenutni implantabilni električni stimulatorji ponujajo alternativo s stimulacijo hrbtenjače, da prepreči signalom bolečine, da dosežejo možgane. Vendar pa imajo te naprave pomanjkljivosti, kot so visoki stroški, invazivne operacije in potreba po pogosti menjavi baterij. Zdaj so raziskovalci iz laboratorija Zhou na Oddelku za biomedicinsko inženirstvo USC Viterbi Alfred E. Mann v sodelovanju s skupino Jun Chen na UCLA razvili revolucionarno rešitev: prilagodljiv ultrazvočno induciran brezžični implantabilni stimulator (UIWI), pritrjen na hrbet za personalizirano, samoupravljalno obvladovanje kronične bolečine.

Ta prelomna naprava, podrobno opisana vNaravna elektronikapredstavlja pomemben korak naprej pri obvladovanju bolečine. Medtem ko so trenutni stimulatorji hrbtenjače lahko zajetni in so priključeni na baterije, je nova naprava zasnovana tako, da se z gibanjem upogiba in zvija, napaja pa jo prenosni ultrazvočni oddajnik brez potrebe po bateriji. Uporablja tudi algoritme strojnega učenja za prilagoditev zdravljenja za vsakega bolnika. Delo je vodil Zohrab A. Kaprielian Fellow in Engineering Qifa Zhou, ki je tudi profesor oftalmologije na Keck School of Medicine USC.

Lajšanje bolečin, ko je potrebno: Kako deluje implantabilni stimulator

V središču te inovacije je brezžično napajanje, ki odpravlja potrebo po obsežnih baterijah in zapletenih površinah kablov, ki pogosto zahtevajo ponavljajoče se operacije. Stimulator UIWI prejema energijo iz zunanjega prenosnega ultrazvočnega oddajnika (WUT). Ultrazvok ponuja varno in učinkovito neinvazivno metodo za globoko prodiranje v tkivo. Naprava pretvarja mehanske valove v električne signale s pomočjo pojava, imenovanega piezoelektrični učinek. Jedro stimulatorja UIWI je miniaturiziran piezoelektrični element iz svinčevega cirkonat titanata (PZT), visoko učinkovitega materiala za pretvorbo električne energije, potrebne za stimulacijo, v električno energijo.

Kar resnično ločuje to napravo od drugih, so njene brezžične, inteligentne in samozagovorne zmogljivosti obvladovanja bolečin. Verjamemo, da ima velik potencial za nadomestitev farmakoloških sistemov in običajnih pristopov električne stimulacije ter obravnavanje klinične potrebe po zmanjšanju bolečine. “

Qifa Zhou, profesorica oftalmologije, Keck School of Medicine of USC

Kandidat za laboratorij Zhou in glavni avtor Yushun (Sean) Zeng je dejal, da ima brezžični pametni miniaturizirani stimulator sposobnost ustvarjanja zadostne intenzivnosti električne stimulacije z uporabo ultrazvočne energije, kar ima za posledico prilagojeno, ciljno in lokalizirano zdravljenje.

"Ta tip pretvorbe energije je ključnega pomena za globoko stimulacijo, ker je ultrazvok neinvazivna in zelo prodorna energija na kliničnem in medicinskem področju," je dejal Zeng. "Z izkoriščanjem brezžičnega ultrazvočnega oddajnika energije in povratnega sistema zaprte zanke ta stimulator UIWI odpravlja potrebo po obsežnih vstavljenih baterijah in omogoča natančno nastavljivo modulacijo bolečine v realnem času."

"S kliničnega vidika vključitev ocene bolečine pri globokem učenju omogoča dinamično interpretacijo in odziv na nihajoča stanja bolečine, kar je bistveno za prilagoditev variabilnosti, specifične za bolnika." Zhou Lab, dr. Kandidat Chen Gong, tudi starejši pisec na papirju.

Naprava deluje iz:

• 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 stimulator UIWI je fleksibilen, upogljiv in zasukljiv ter omogoča optimalno namestitev na hrbtenjačo. Električna stimulacija, ki jo prenaša v hrbtenjačo, povzroči, da se signali, ki prenašajo in zavirajo bolečino, ponovno uravnovesijo, kar učinkovito zatre občutek bolečine.

Dokaz uspeha v laboratoriju

Ekipa laboratorija Zhou je testirala stimulator UIWI na modelih glodalcev, pri čemer so rezultati pokazali učinkovitost pri zdravljenju bolečine.

Raziskovalci so uspešno rešili kronično nevropatsko bolečino z mehanskimi dražljaji (kot je vbod peresa) in akutnimi toplotnimi dražljaji (infrardeča toplota).

Laboratorijski testi so pokazali, da je zdravljenje s stimulatorjem UIWI povzročilo znatno zmanjšanje indikatorjev bolečine. V poskusu za oceno, ali žival povezuje okolje z lajšanjem bolečin, so glodalci pokazali jasno prednost komori, v kateri je bil aktiviran sistem za obvladovanje bolečine, kar dodatno potrjuje učinkovitost naprave.

Prihodnost personaliziranega lajšanja bolečin

Uspešen razvoj in testiranje stimulatorja UIWI predstavlja ključni trenutek v iskanju naprednega obvladovanja bolečine. Prilagodljiva zasnova vsadka in njegova integracija s sofisticiranimi algoritmi umetne inteligence zagotavljata dinamičen in prilagojen pristop k zdravljenju, ki se lahko prilagodi nihajoči in zelo individualni naravi kronične bolečine.

Če pogledamo v prihodnost, Zhou in njegovi sodelavci upajo, da bodo videli celo razširjene aplikacije naprave. Zhou je dejal, da bi prihodnje zasnove lahko dodatno miniaturizirale komponente in omogočile manj invazivno implantacijo naprave - na primer z brizgo. Nosljivi ultrazvočni oddajnik bi se lahko razvil tudi v neovirano, miniaturizirano napravo ali celo v nosljiv obliž ultrazvočnega niza, ki bi potencialno združeval zmogljivosti slikanja z dovajanjem energije za spremljanje v realnem času in ciljno stimulacijo. Prihodnje ponovitve bi lahko nadzirala tudi programska oprema pametnega telefona, ki ponuja še bolj robustno prilagojeno obvladovanje bolečine.

Zhou je dejal, da je cilj naprave preoblikovati obvladovanje kronične bolečine in preseči omejitve trenutnih rešitev ter zagotoviti resnično personaliziran, inteligenten in učinkovit način za lajšanje bolečin.

"Naši rezultati poudarjajo potencial ultrazvočne implantabilne elektronike pri kliničnem in translacijskem zdravljenju kronične bolečine," je dejal Zeng.

Viri: