编辑推荐：
现在，南加州大学维特比分校阿尔弗雷德·E·曼生物医学工程系和凯克医学院的研究人员与加州大学洛杉矶分校的研究人员合作，开发出一种革命性的解决方案：一种固定在脊柱上的灵活的超声诱导无线植入式 (UIWI) 刺激器，专为个性化、自适应慢性疼痛管理而设计。
5160万美国人饱受慢性疼痛的折磨。南加州大学生物医学工程师发明的一款新设备或可帮助患者摆脱对阿片类药物的依赖。
慢性疼痛是一种令人衰弱的疾病，严重影响生活质量，常常导致患者依赖阿片类药物，因为阿片类药物具有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，慢性疼痛影响巨大，经常限制他们的生活或工作活动。
目前，植入式电刺激器通过刺激脊髓来阻断疼痛信号到达大脑，提供了一种替代方案。但这些设备存在一些缺点，例如成本高、需要进行侵入性手术以及需要频繁更换电池。如今，南加州大学维特比分校阿尔弗雷德·E·曼生物医学工程系Qifa Zhou实验室的研究人员与加州大学洛杉矶分校的Jun Chen课题组合作，开发出了一种革命性的解决方案：一种灵活的超声诱导无线植入式 (UIWI) 刺激器，可固定在脊柱上，用于个性化、自适应的慢性疼痛管理。
这款突破性设备已在《Nature Electronics》杂志上发表，代表着疼痛治疗领域的重大飞跃。目前的脊髓刺激器笨重且需要连接电池，而这款新设备可随运动弯曲和扭转，并由可穿戴超声波发射器供电，无需电池。它还利用机器学习算法为每位患者定制治疗方案。该研究由Zohrab A. Kaprielian工程研究员、南加州大学凯克医学院眼科教授Qifa Zhou领导。
按需缓解疼痛：植入式刺激器的工作原理
这项创新的核心在于其无线供电技术，无需笨重的电池和复杂的有线接口，这些接口通常需要反复手术。UIWI 刺激器的能量来自外部可穿戴超声波发射器 (WUT)。超声波是一种安全有效的非侵入式深层组织穿透方法。该装置通过一种称为压电效应的现象将机械波转换为电信号。UIWI 刺激器的核心是一个由锆钛酸铅 (PZT) 制成的微型压电元件，PZT 是一种高效材料，可将传入的超声波能量转换为刺激所需的电能。
“这款设备真正与众不同之处在于其无线、智能和自适应的疼痛管理能力，”Zhou教授说道。“我们相信，它拥有巨大的潜力，可以取代药物治疗方案和传统的电刺激疗法，满足临床疼痛缓解的需求。”
Zhou实验室博士生、主要作者Yushun (Sean) Zeng表示，无线智能微型刺激器能够利用超声能量产生足够的电刺激强度，从而实现更加个性化、针对性和局部化的治疗。
Zeng教授表示：“这种能量转换型刺激对于深层刺激至关重要，因为超声波在临床和医疗领域是一种非侵入性且穿透力极强的能量。通过利用无线超声波能量传输和闭环反馈系统，这款 UIWI 刺激器无需笨重的植入式电池，并可实现实时、精确调节的疼痛调节。”
“从临床的角度来看，结合基于深度学习的疼痛评估可以对波动的疼痛状态进行动态解释和响应，这对于适应患者特定的变化至关重要。”Zhou实验室博士生Chen Gong补充道，他也是该论文的主要作者。
该设备的工作原理是：
检测疼痛：该系统持续监测脑部记录，特别是脑电图 (EEG) 信号，这些信号可以反映患者的疼痛程度。
利用人工智能评估疼痛程度：一个基于 ResNet-18 神经网络的复杂机器学习模型会分析这些脑信号，并将疼痛分为三个不同的等级：轻度疼痛、中度疼痛和极度疼痛。该人工智能模型在区分这些疼痛状态方面拥有 94.8% 的总体准确率。
根据需要调整治疗方案：一旦确定疼痛程度，可穿戴超声波发射器会自动调整其发射的声能。UIWI 刺激器可以感知传播的能量并将其转换为电强度，从而刺激脊髓。这构成了一个闭环系统，可提供实时、个性化的疼痛管理。UIWI 刺激器
本身具有柔韧性、可弯曲和可扭转的特性，使其能够以最佳方式放置在脊髓上。它向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。
实验室成功
Zhou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（红外线热）引起的慢性神经性疼痛。
实验室测试表明，UIWI刺激器的治疗可显著降低疼痛指标。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，啮齿动物明显偏爱激活疼痛管理系统的房间，这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，标志着我们探索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AI算法的集成，提供了一种动态、个性化的治疗方法，可以适应慢性疼痛波动性和高度个体化的特性。
展望未来，Zhou和他的同事们希望该设备能够实现更先进的应用。Zhou表示，未来的设计可以进一步缩小组件体积，从而实现微创植入——例如，使用注射器即可。这款可穿戴超声波发射器还可以发展成为一种不受束缚的微型设备，甚至是可穿戴超声波阵列贴片，从而有可能将成像功能与能量传输相结合，实现实时监测和定向刺激。未来的迭代产品还可以通过智能手机软件进行控制，从而提供更强大的个性化疼痛管理。
Zhou先生表示，该设备的目的是改变慢性疼痛管理，超越当前解决方案的局限性，提供真正个性化、智能和有效的疼痛缓解途径。
Zeng说：“我们的研究结果凸显了超声波植入式电子设备在临床和转化慢性疼痛管理中的潜力。”
生物通微信公众号
生物通 版权所有
