Flexibelt trådlöst implantat ger hopp för kronisk smärta

Flexibelt trådlöst implantat ger hopp för kronisk smärta

Kronisk smärta är ett försvagande tillstånd som i hög grad påverkar livskvaliteten och ofta leder till opioidmediciner med allvarliga biverkningar och risker för missbruk. Enligt US Pain Foundation lever 51,6 miljoner amerikaner med kronisk smärta. För över 17 miljoner drabbade är deras kroniska smärta mycket påverkande - och begränsar ofta deras liv eller arbetsaktiviteter.

Nuvarande implanterbara elektriska stimulatorer erbjuder ett alternativ genom att stimulera ryggmärgen för att blockera smärtsignaler från att nå hjärnan. Dessa enheter har dock nackdelar som höga kostnader, invasiva operationer och behovet av frekvent batteribyte. Nu har forskare från Zhou-laboratoriet vid USC Viterbi Alfred E. Manns avdelning för biomedicinsk teknik, i samarbete med Jun Chen-gruppen vid UCLA, utvecklat en revolutionerande lösning: en flexibel ultraljudsinducerad trådlös implanterbar stimulator (UIWI) fäst på ryggen för personlig, självadministrerande, kronisk smärtbehandling.

Denna banbrytande enhet, detaljerad iNaturelektronikrepresenterar ett betydande steg framåt i smärtbehandling. Medan nuvarande ryggmärgsstimulatorer kan vara skrymmande och är fastanslutna för batterier, är den nya enheten utformad för att böjas och vridas med rörelse och drivs av en bärbar ultraljudssändare utan behov av batteri. Den använder också maskininlärningsalgoritmer för att anpassa behandlingen för varje patient. Arbetet leddes av Zohrab A. Kaprielian Fellow in Engineering Qifa Zhou, som också är professor i oftalmologi vid Keck School of Medicine i USC.

Smärtlindring vid behov: Hur den implanterbara stimulatorn fungerar

Kärnan i denna innovation är trådlös kraft, vilket eliminerar behovet av skrymmande batterier och komplexa kabelytor som ofta kräver upprepade operationer. UIWI-stimulatorn får sin energi från en extern, bärbar ultraljudssändare (WUT). Ultraljud erbjuder en säker, effektiv icke-invasiv metod för djup vävnadspenetration. Enheten omvandlar mekaniska vågor till elektriska signaler genom ett fenomen som kallas den piezoelektriska effekten. Kärnan i UIWI-stimulatorn är ett miniatyriserat piezoelektriskt element tillverkat av blyzirkonattitanat (PZT), ett mycket effektivt material för att omvandla den elektriska energi som krävs för stimulering till elektrisk kraft.

Det som verkligen skiljer denna enhet åt är dess trådlösa, intelligenta och självförespråkande smärthanteringsförmåga. Vi tror att det har stor potential att ersätta farmakologiska system och konventionella metoder för elektrisk stimulering och åtgärda det kliniska behovet av smärtlindring. "

Qifa Zhou, professor i oftalmologi, Keck School of Medicine vid USC

PhD Zhou labbkandidat och huvudförfattare Yushun (Sean) Zeng sa att den trådlösa smarta miniatyriserade stimulatorn har förmågan att generera tillräcklig elektrisk stimuleringsintensitet genom att använda ultraljudsenergi, vilket resulterar i personlig, riktad och lokaliserad behandling.

"Denna energiomvandlande typ är avgörande för djup stimulering eftersom ultraljud är en icke-invasiv och mycket penetrerande energi inom kliniska och medicinska områden," sa Zeng. "Genom att utnyttja den trådlösa ultraljudsenergisändaren och återkopplingssystemet med sluten slinga tar denna UIWI-stimulator bort behovet av skrymmande implanterade batterier och möjliggör exakt justerbar smärtmodulering i realtid."

"Ur ett kliniskt perspektiv möjliggör inkorporering av smärtbedömning med djup inlärning dynamisk tolkning och svar på fluktuerande smärttillstånd, vilket är viktigt för att justera patientspecifik variabilitet." Zhou Lab, Ph.D. Kandidat Chen Gong, även senior skribent på tidningen.

Enheten fungerar från:

• 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.

UIWI-stimulatorn i sig är flexibel, böjbar och vridbar och möjliggör optimal placering på ryggmärgen. Den elektriska stimuleringen som den levererar till ryggmärgen gör att signalerna som överför och hämmar smärta återbalanseras, vilket effektivt dämpar smärtkänslan.

Bevis på framgång i laboratoriet

Zhou Lab-teamet testade UIWI-stimulatorn i gnagarmodeller, med resultat som visade effektivitet för smärtbehandling.

Forskare löste framgångsrikt kronisk neuropatisk smärta med hjälp av mekaniska stimuli (som ett pennstick) och akuta termiska stimuli (infraröd värme).

Laboratorietester visade att behandling med UIWI-stimulatorn ledde till betydande minskningar av smärtindikatorer. I ett experiment för att utvärdera om ett djur associerar en miljö med smärtlindring, visade gnagare en tydlig preferens för kammaren där smärtbehandlingssystemet aktiverades, vilket ytterligare bekräftade enhetens effektivitet.

Framtiden för personlig smärtlindring

Den framgångsrika utvecklingen och testningen av UIWI-stimulatorn markerar ett avgörande ögonblick i strävan efter avancerad smärtbehandling. Implantatets flexibla design och dess integration med sofistikerade AI-algoritmer ger en dynamisk och personlig behandlingsmetod som kan anpassas till den fluktuerande och mycket individuella naturen hos kronisk smärta.

Med blicken mot framtiden hoppas Zhou och hans kollegor att se även utökade tillämpningar av enheten. Zhou sa att framtida design skulle kunna miniatyrisera komponenterna ytterligare och möjliggöra mindre invasiv implantation av anordningar - till exempel med en spruta. Den bärbara ultraljudssändaren kan också utvecklas till en obromsad, miniatyriserad enhet eller till och med en bärbar ultraljudsmatris, som potentiellt kan kombinera bildbehandlingskapacitet med energileverans för realtidsövervakning och riktad stimulering. Framtida iterationer kan också kontrolleras av smartphone-programvara, som erbjuder ännu mer robust personlig smärthantering.

Zhou sa att enhetens mål är att förändra kronisk smärthantering och gå bortom begränsningarna för nuvarande lösningar för att tillhandahålla ett verkligt personligt, intelligent och effektivt sätt att lindra smärta.

"Våra resultat belyser potentialen hos implanterbar ultraljudselektronik i klinisk och translationell behandling av kronisk smärta", säger Zeng.

Källor: