南加州大学的新型 AI 植入物有望以无药物缓解慢性疼痛
慢性疼痛是一种使人衰弱的疾病，会严重影响生活质量，通常会导致对阿片类药物的依赖，这些药物具有严重的副作用和成瘾风险。 根据美国的说法 疼痛基金会，5160 万美国人患有慢性疼痛。 对于超过 1700 万患者来说，他们的慢性疼痛影响很大——经常限制他们的生活或工作活动。 Current 植入式电刺激器提供了一种替代方法，通过刺激脊髓来阻断疼痛到达大脑的信号。 但这些设备存在成本高、侵入性手术和需要频繁更换电池等缺点。 现在，来自南加州大学Viterbi的周实验室的研究人员Alfred E. 曼恩生物医学工程系与加州大学洛杉矶分校的 Jun Chen 小组合作，开发了一种革命性的解决方案：一种固定在脊柱上的柔性超声诱导无线植入式 （UIWI） 刺激器，专为个性化、自适应的慢性疼痛而设计管理。 这种开创性的设备在 Nature Electronics 上进行了详细介绍，代表了疼痛治疗的重大飞跃。 虽然目前的脊髓刺激器可能很笨重并且硬接线到电池上，但新设备的设计可以随着运动而弯曲和扭曲，并由可穿戴超声发射器供电，无需电池。 它还利用机器学习算法为每位患者定制治疗。 这项工作由 Zohrab A. 领导。 Kaprielian 研究员工程 Qifa 周，他也是南加州大学凯克医学院的眼科教授。 按需缓解疼痛：植入式刺激器的工作原理 这项创新的核心是其无线电源，无需笨重的电池和通常需要重复手术的复杂有线接口。 UIWI 刺激器从外部可穿戴超声发射器 （WUT） 接收能量。 超声波提供了一种安全、有效的非侵入性方法用于深层组织渗透。 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 是一种将输入的超声能量转换为刺激所需电能的高效材料。 “真正让这款设备与众不同的是它的无线、智能和自适应疼痛管理能力，”周说。 “我们相信它为取代药理学方案和传统的电刺激方法提供了巨大的潜力，符合缓解疼痛的临床需求。” 博士 周实验室的候选人和主要作者Yushun （Sean） Zeng表示，无线智能小型化刺激器能够通过使用超声能量产生足够的电刺激强度，从而产生更加个性化、针对性和本地化的治疗。 “这种能量转换类型对于深度刺激至关重要，因为超声在临床和医疗领域是一种非侵入性且高度穿透性的能量，“Zeng 说。 “通过利用无线超声波能量传输和闭环反馈系统，这款 UIWI 刺激器消除了对笨重植入电池的必要性，并允许实时、精确调整的疼痛调制。” “从临床角度来看，结合基于深度学习的疼痛评估可以动态解释和响应波动的疼痛状态，这对于适应患者特定的变异性至关重要。 新增 周 实验室 博士 候选人陈功也是该论文的主要作者。 该设备的工作原理是： 检测疼痛：该系统持续监测大脑记录，特别是反映患者疼痛程度的脑电图 （EEG） 信号。 利用 AI 评估疼痛程度：一个基于名为 ResNet-18 的神经网络的复杂机器学习模型分析这些大脑发出信号并将疼痛分为三个不同的级别：轻微疼痛、中度疼痛和极度疼痛。 该 AI 模型在区分这些疼痛状态方面拥有 94.8% 的总体准确率。 根据需要调整治疗：一旦确定疼痛程度，可穿戴超声发射器就会自动调整它传输的声能。 然后，UIWI 刺激器可以感应传播的能量并将其转换为电强度，从而刺激脊髓。 这将创建一个提供实时、个性化疼痛管理的闭环系统。 UIWI 刺激器本身是灵活的、可弯曲的和可扭曲的，允许在脊髓上进行最佳放置。 它为脊髓提供的电刺激通过重新平衡传递和抑制疼痛的信号来发挥作用，从而有效地抑制疼痛感。 在实验室中展示了成功 周 实验室团队在啮齿动物模型中测试了 UIWI 刺激器，结果表明其疼痛管理的有效性。 研究人员成功缓解了由机械刺激（如针刺）和急性热刺激（红外热）引起的慢性神经性疼痛。 实验室测试表明，UIWI 刺激器的治疗导致疼痛指标显着降低。 在一项评估动物是否将环境与疼痛缓解联系起来的实验中，啮齿动物表现出对激活疼痛管理系统的腔室的明显偏好，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高级疼痛管理的关键时刻。 植入物的灵活设计及其与复杂 AI 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和高度个体化的性质。 展望未来，周和他的合作者是希望该设备有更高级的应用。 周说，未来的设计可以进一步使组件小型化，实现侵入性更小的设备植入 - 例如，使用注射器。 可穿戴超声发射器还可以演变成不受束缚的小型化设备，甚至是可穿戴超声阵列贴片，有可能将成像功能与能量输送相结合，以实现实时监测和有针对性的刺激。 还可以控制未来的迭代通过智能手机软件，提供更强大的个性化疼痛管理。 周表示，该设备的目的是改变慢性疼痛管理，超越当前解决方案的限制，提供真正个性化、智能和有效的疼痛缓解途径。 “我们的研究结果强调了超声植入式电子设备在临床和转化慢性疼痛管理中的潜力，”Zeng 说。