USCとUCLAが開発、慢性疼痛治療の新時代：バッテリー不要のAI搭載超音波インプラント

新開発のAIインプラントが慢性疼痛の薬剤不要な緩和を約束 慢性疼痛は深刻な生活の質の低下を引き起こす病態で、しばしばオピオイド系鎮痛薬への依存につながります。U.S. Pain Foundationによると、米国人の51.6％に相当する約5,160万人が慢性疼痛に直面しています。このうち、約1,700万人は高影響度の慢性疼痛を経験しており、日常生活や仕事活動に多大な影響を及ぼしています。 現在の脊髄刺激装置は、脳に痛みの信号を伝達するのを阻害する電気刺激により、代替治療を提供しますが、高コスト、侵襲的な手術、頻繁なバッテリー交換などの課題があります。それらの問題を解決する革新的なソリューションとして、USC Viterbi校のAlfred E. Mann生体工学部門に属するZhou研究室とUCLAのJun Chenグループが共同で開発した新しいAI搭載無線脊髄刺激インプラント（UIWI）が注目を集めています。このデバイスは、Spineに取り付けられ、個々の患者に合わせて自己適応的に疼痛管理を行うことができます。 本論文はNature Electronicsに詳細が報告され、Zhou教授（USC Keck医科大学眼科教授でもある）が主導しました。この装置は、移動可能なウェアラブル超音波トランスミッター（WUT）から受け取るエネルギーを無線で供給します。超音波は深部組織に安全かつ効果的に浸透できる非侵襲的な方法であり、装置は圧電効果を使用して機械的な波を電気信号に変換します。核心となる部分は、Lead zirconate titanate（PZT）という素材で作られた小型の圧電要素で、外部からの超音波エネルギーを電力に変えて脊髄を刺激します。 「この装置で真に画期的なのは、無線、スマート、そして自己適応的な疼痛管理の能力です」とZhou教授は述べています。「当社は、薬物療法や従来の電気刺激法に代わる、臨床的な痛み軽減のニーズに合致する大きな可能性を感じています。」 Ph.D.候補者のYushun (Sean) Zeng氏は、装置が超音波エネルギーを使用して十分な電気刺激強度を生成できることを解説し、「これにより個別の、ターゲットに特化した、そして局所的な治療が可能になります」と付け加えました。 Chen Gong氏（Zhou研究室のPh.D.候補者で共著者）は、「深い学習に基づく疼痛評価の組み込みにより、痛みの状態の変動に対する動的な解釈と反応ができるようになることが重要です。これにより患者特有の変動に対応できます」と述べています。 装置の動作原理は次の通りです： 1. 痛みの検知: 系統は脳の電磁気的記録、特に電気脳波（EEG）信号を継続的にモニターし、患者の疼痛レベルを反映します。 2. AIによる疼痛レベルの評価: ResNet-18と呼ばれるニューラルネットワークに基づく洗練された機械学習モデルがこれらの脳信号を解析し、軽度、中等度、重度の痛みの3つのレベルに分類します。このAIモデルの疼痛状態を区別する全体的な精度は94.8％に達しています。 3. 必要に応じた治療の調節: 疼痛レベルが特定されると、ウェアラブル超音波トランスミッターが自動的に伝送する音響エネルギーを調整します。UIWI刺激器は伝播するエネルギーを感知し、それを電気強度に変換して脊髄を刺激し、これが閉ループシステムを形成してリアルタイムで個別の疼痛管理を提供します。 周図では、Zhou研究室のチームがマウスモデルでUIWI刺激器の効果を評価しました。結果は、機械的刺激（針刺しなど）や急性熱刺激（赤外線熱）によって引き起こされる慢性神経障害性疼痛の緩和に成功したことを示しています。実験では、動物がこの疼痛管理システムが活性化された環境を好むことが確認され、装置の効果が証明されました。 将来に向けて、Zhou教授と協力者はさらなる進歩を期待しています。Zhou教授は、次世代の設計で部品がさらに小型化され、注射器を使用した低侵襲的なデバイス挿入が可能になる可能性があると述べています。また、ウェアラブル超音波トランスミッターは、独立した小型デバイスやウエアラブル超音波アレイパッチへと発展する可能性があり、リアルタイムのモニタリングとターゲットに特化した刺激を組み合わせることができます。さらに、スマートフォンアプリでの操作も可能になることで、より堅牢な個別疼痛管理が実現される見込みです。 「われわれの目標は慢性疼痛管理の変革であり、現在のソリューションの制限を超えた、真正に個別化され、知能化された効果的な疼痛緩和の道筋を提示することです」とZhou教授は語っています。「私たちの成果は、超音波植込み電子装置が臨床および対訳慢性疼痛管理への潜在力を示しています」とZeng氏も述べています。 この研究は、慢性疼痛の治療に革命をもたらす可能性を持つ革新的なデバイスの開発と実証に成功した重要な一歩となりました。Zhou Labの研究者たちは、患者の個々の痛みを効果的に軽減するため、更なる応用研究に取り組んでいます。