灵活的无线植入物为慢性疼痛患者带来希望

灵活的无线植入物为慢性疼痛患者带来希望

慢性疼痛是一种使人衰弱的疾病，极大地影响生活质量，并且常常导致阿片类药物产生严重的副作用和成瘾风险。根据美国疼痛基金会的数据，5160 万美国人患有慢性疼痛。对于超过 1700 万患者来说，慢性疼痛影响很大，并且常常限制他们的生活或工作活动。

目前的植入式电刺激器提供了一种替代方案，通过刺激脊髓来阻止疼痛信号到达大脑。然而，这些设备存在成本高、侵入性手术以及需要频繁更换电池等缺点。现在，南加州大学 Viterbi Alfred E. Mann 生物医学工程系周实验室的研究人员与加州大学洛杉矶分校的 Jun Chen 团队合作，开发了一种革命性的解决方案：一种固定在背部的灵活的超声波诱导无线植入式刺激器 (UIWI)，用于个性化、自我管理的慢性疼痛管理。

这个突破性的装置，详细介绍自然电子学代表了疼痛管理的重大飞跃。虽然当前的脊髓刺激器体积庞大且采用硬连线连接电池，但新设备设计为随着运动而弯曲和扭转，并由便携式超声波发射器供电，无需电池。它还使用机器学习算法为每位患者定制治疗。这项工作由 Zohrab A. Kaprielian 工程研究员 Qifa Zhou 领导，他也是南加州大学凯克医学院的眼科教授。

需要时缓解疼痛：植入式刺激器的工作原理

这项创新的核心是无线供电，无需笨重的电池和通常需要重复操作的复杂电缆表面。 UIWI 刺激器从外部便携式超声发射器 (WUT) 接收能量。超声波为深层组织穿透提供了一种安全、有效的非侵入性方法。该设备通过一种称为压电效应的现象将机械波转换为电信号。 UIWI刺激器的核心是由锆钛酸铅（PZT）制成的微型压电元件，PZT是一种高效材料，可将刺激所需的电能转换为电能。

该设备真正与众不同之处在于其无线、智能和自我倡导的疼痛管理功能。我们相信它具有取代药理系统和传统电刺激方法并满足减轻疼痛的临床需求的巨大潜力。 “

Qifa Zhou，南加州大学凯克医学院眼科教授

周实验室博士生、主要作者曾玉顺表示，无线智能小型刺激器能够利用超声能量产生足够的电刺激强度，从而实现个性化、针对性和局部化治疗。

“这种能量转换类型对于深度刺激至关重要，因为超声波在临床和医学领域是一种非侵入性、高穿透性的能量，”曾说。 “通过利用无线超声波能量发射器和闭环反馈系统，这款 UIWI 刺激器消除了对笨重植入电池的需求，并实现了实时、精确可调的疼痛调制。”

“从临床角度来看，结合深度学习疼痛评估可以动态解释和响应波动的疼痛状态，这对于调整患者特定的变异性至关重要。”周实验室，博士候选人陈功，也是该论文的资深撰稿人。

该设备的工作原理是：

• 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 刺激器本身灵活、可弯曲和可扭转，可实现在脊髓上的最佳放置。它向脊髓传递的电刺激使传递和抑制疼痛的信号重新平衡，从而有效地抑制疼痛感。

实验室成功证明

周实验室团队在啮齿动物模型中测试了 UIWI 刺激器，结果证明了其对疼痛治疗的有效性。

研究人员使用机械刺激（例如笔刺）和急性热刺激（红外线）成功解决了慢性神经性疼痛。

实验室测试表明，使用 UIWI 刺激器治疗可显着降低疼痛指标。在一项评估动物是否将环境与缓解疼痛联系起来的实验中，啮齿动物对激活疼痛管理系统的房间表现出明显的偏好，进一步证实了该设备的有效性。

个性化疼痛缓解的未来

UIWI 刺激器的成功开发和测试标志着寻求先进疼痛管理的关键时刻。该植入物的灵活设计及其与复杂的人工智能算法的集成提供了一种动态和个性化的治疗方法，可以适应慢性疼痛的波动性和高度个体化的性质。

展望未来，周和他的同事希望看到该设备的应用范围进一步扩大。周说，未来的设计可以进一步使组件小型化，并允许侵入性较小的设备植入——例如使用注射器。可穿戴超声发射器还可以演变成一种无制动的小型化设备，甚至是可穿戴超声阵列贴片，有可能将成像功能与能量传输结合起来，以进行实时监测和有针对性的刺激。未来的迭代也可以通过智能手机软件控制，提供更强大的个性化疼痛管理。

周说，该设备的目标是改变慢性疼痛管理，超越当前解决方案的局限性，提供真正个性化、智能且有效的缓解疼痛的方法。

“我们的结果凸显了超声植入式电子设备在临床和转化慢性疼痛治疗中的潜力，”曾说。

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