USC-Implant verspricht Personalisierte, batterielose Schmerzlinderung

Neuer AI-Implantat von USC verspricht schmerzmittellose Linderung chronischer Schmerzen Chronische Schmerzen sind eine lähmende Erkrankung, die die Lebensqualität erheblich beeinträchtigt und oft zu einer Abhängigkeit von Opioiden führt, die schwere Nebenwirkungen und Suchtrisiken mit sich bringen. Laut der U.S. Pain Foundation leiden 51,6 Millionen Amerikaner an chronischen Schmerzen. Mehr als 17 Millionen davon haben hochgradige chronische Schmerzen, die ihre Lebens- oder Arbeitsaktivitäten häufig stark einschränken. Derzeit bieten implantierbare elektrische Stimulatoren eine Alternative, indem sie den Rückenmarksnerv stimulieren, um Schmerzsignale vom Gehirn abzublocken. Allerdings haben diese Geräte Nachteile wie hohe Kosten, invasive Operationen und die Notwendigkeit, die Batterien häufig zu ersetzen. Jetzt haben Forscher aus dem Zhou-Labor der Biomedizinischen Ingenieurwissenschaften an der USC Viterbi School of Engineering, in Zusammenarbeit mit der Jun-Chen-Gruppe an der UCLA, eine revolutionäre Lösung entwickelt: einen flexiblen, ultraschall-induzierten, drahtlosen implantierbaren (UIWI) Stimulator, der am Rückenmark angebracht wird und für personalisierte, selbstanpassende chronische Schmerztherapie konzipiert ist. Diese bahnbrechende Entwicklung, die in „Nature Electronics“ beschrieben wird, stellt einen wichtigen Fortschritt in der Schmerztherapie dar. Während aktuelle Rückenmarkstimulatoren oft unhandlich und durch Kabel an Batterien angeschlossen sind, ist das neue Gerät so gestaltet, dass es sich mit Bewegungen biegt und dreht und durch ein tragbares Ultraschallgerät ohne Batterie betrieben wird. Es nutzt auch maschinelle Lernalgorithmen, um die Behandlung für jeden Patienten anzupassen. Das Projekt wurde von Qifa Zhou geleitet, einem Zohrab A. Kaprielian Fellow in Engineering und Professor für Augenheilkunde an der Keck School of Medicine der USC. Schmerzlinderung nach Bedarf: Wie der implantierbare Stimulator funktioniert Das Herzstück dieser Innovation ist die drahtlose Energieversorgung, die die Notwendigkeit von umfangreichen Batterien und komplexen Kabelanschlüssen eliminiert. Der UIWI-Stimulator erhält seine Energie von einem externen, tragbaren Ultraschallübertragungsgerät (WUT). Ultraschall ist eine sichere und effektive methode zur tiefen Gewebeperforation. Das Gerät wandelt mechanische Wellen in elektrische Signale um, wobei der piezoelektrische Effekt eine entscheidende Rolle spielt. Der Kern des UIWI-Stimulators besteht aus einem miniaturisierten piezoelektrischen Element aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), einem hoch-effizienten Material zur Umwandlung eingehender Ultraschalldaten in die elektrische Energie, die für die Stimulation benötigt wird. Qifa Zhou betonte: "Was dieses Gerät wirklich auszeichnet, ist seine drahtlose, intelligente und selbstanpassende Fähigkeit zur Schmerztherapie. Wir glauben, dass es großes Potenzial hat, pharmakologische Schemata und herkömmliche elektrische Stimulationen zu ersetzen, was den klinischen Anforderungen zur Schmerzabbauung entspricht." Yushun (Sean) Zeng, Ph.D.-Kandidat im Zhou-Labor und Hauptautor der Studie, erklärte, dass der drahtlose, intelligente und miniaturisierte Stimulator in der Lage sei, durch die Nutzung von Ultraschallenergie eine ausreichende elektrische Stimulation zu erzeugen, was zu einer personalisierteren, gezielteren und lokalisierten Behandlung führt. "Die Energieumwandlung ist für die tiefe Stimulation entscheidend, da Ultraschall eine nicht-invasive und hochdurchdringende Energiequelle im klinischen und medizinischen Bereich ist," sagte Zeng. "Durch die Nutzung drahtloser Ultraschalldatenübertragung und eines geschlossenen Regelkreises kann der UIWI-Stimulator die Notwendigkeit umfangreicher eingepflanzter Batterien eliminieren und ermöglicht die genaue, in Echtzeit anpassbare Modulation von Schmerzen." Chen Gong, ebenfalls Ph.D.-Kandidat im Zhou-Labor und Hauptautor der Studie, fügte hinzu: "Von einem klinischen Standpunkt aus ermöglicht die Integration von tiefer Lernmethode zur Schmerzbewertung eine dynamische Interpretation und Reaktion auf veränderliche Schmerzzustände, was essentiell für die Berücksichtigung individueller Patientenvariabilität ist." Das Gerät funktioniert folgendermaßen: - Schmerzerkennung: Das System überwacht ständig Hirnaktivitäten, insbesondere Elektroenzephalogramm (EEG)-Signale, die die Schmerzstufen des Patienten widerspiegeln. - AI-gestützte Schmerzbewertung: Ein fortschrittliches maschinelles Lernmodell, basierend auf einem neuronalen Netz namens ResNet-18, analysiert diese Hirnsignale und klassifiziert sie in drei verschiedene Schmerzstufen: leichter Schmerz, mittlerer Schmerz und extremer Schmerz. Dieses Modell erreicht eine Gesamtrekennungsgenauigkeit von 94,8 %. - Anpassung der Therapie: Sobald eine Schmerzstufe identifiziert wurde, passt das tragbare Ultraschallgerät automatisch die akustische Energie an. Der UIWI-Stimulator erkennt die übertragene Energie und wandelt sie in elektrische Intensität um, um das Rückenmark zu stimulieren. Dies bildet einen geschlossenen Regelkreis, der Echtzeit- und personalisierte Schmerztherapie bietet. Das Gerät ist flexibel, biegsam und verdrehbar, was eine optimale Platzierung am Rückenmark ermöglicht. Die elektrische Stimulation des Rückenmarks dient dazu, die Signale, die Schmerz übertragen und hemmen, neu auszubalancieren, um das Schmerzgefühl effektiv zu unterdrücken. Erfolgreiche Labortests Das Team des Zhou-Labors testete den UIWI-Stimulator an Nagetiermodellen, wobei die Ergebnisse seine Effektivität bei der Schmerztherapie bestätigten. Die Forscher konnten erfolgreich chronische neuropathische Schmerzen, die sowohl durch mechanische Reize (wie Nadelstiche) als auch durch akute thermische Reize (Infrarotwärme) verursacht wurden, lindern. Laborversuche zeigten, dass die Behandlung mit dem UIWI-Stimulator zu signifikanten Reduktionen von Schmerzindikatoren führte. In einem Experiment, das darauf abzielte, festzustellen, ob Tiere eine Umgebung mit Schmerzlinderung assoziieren, zeigten Nagetiere eine klare Vorliebe für den Raum, in dem das Schmerzmanagement-System aktiviert war, was die Effektivität des Geräts weiter bestätigte. Die Zukunft der personalisierten Schmerzlinderung Die erfolgreiche Entwicklung und Testung des UIWI-Stimators markiert einen Wendepunkt in der Suche nach fortschrittlichen Schmerzmanagementmethoden. Das flexible Design des Implants und seine Integration fortschrittlicher AI-Algorithmen bieten einen dynamischen und personalisierten Behandlungsansatz, der sich an die fluktuierenden und hoch individualisierten Natur chronischer Schmerzen anpasst. Zhou und seine Mitforscher hoffen auf noch fortgeschrittene Anwendungen des Geräts. Zhou sagte, dass zukünftige Designs die Komponenten weiter verkleinern könnten, um eine weniger invasive Geräteeinsetzung zu ermöglichen – zum Beispiel durch eine Spritze. Das tragbare Ultraschallgerät könnte auch in eine unabhängige, miniaturisierte Version oder sogar in ein tragbares Ultraschallarray-Patch entwickelt werden, das potenziell Bildgebungsfähigkeiten mit Energieübertragung kombiniert, um die reale Überwachung und gezielte Stimulation zu ermöglichen. Zukünftige Versionen könnten auch durch Smartphone-Software gesteuert werden, was eine noch umfassendere personalisierte Schmerztherapie bietet. Zhou sagte, das Ziel des Geräts sei es, die Behandlung chronischer Schmerzen zu revolutionieren, indem es die Grenzen der aktuellen Lösungen überschreitet und einen persönlichen, intelligenten und effektiven Weg zur Schmerzlinderung bietet. Unsere Ergebnisse unterstreichen das Potenzial ultraschall-basierter implantierbarer Elektronik im klinischen und translationellen Management chronischer Schmerzen, betonte Zeng. Die UIWI-Technologie hat das Potenzial, die Schmerztherapie erheblich zu verbessern und gleichzeitig die Lebensqualität von Patienten zu steigern. Experten in der Branche sehen in diesem Gerät eine vielversprechende Zukunft, insbesondere aufgrund seiner Flexibilität, Intelligenz und Fähigkeit, sich an die individuellen Bedürfnisse jedes Patienten anzupassen. Die Forschergruppe um Zhou und Chen arbeitet kontinuierlich daran, die Technologie weiterzuentwickeln und in die klinische Praxis zu integrieren.