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USC, UCLA 공동 개발한 AI 장착형 자극기, 만성통증 치료 혁신 예고

한 달 전

USC의 새로운 AI 임플란트, 약물 없이 만성 통증 치료 가능 만성 통증은 삶의 질을 크게 저하시키는 상태로, 종종 중독 위험과 심각한 부작용을 동반하는 오피오이드 약물에 의존하게 만듭니다. 미국 통증 재단에 따르면, 5천 1백 6십만 명의 미국인이 만성 통증을 가지고 있으며, 이 중 1천 7백만 명 이상은 고강도 만성 통증으로 일상생활이나 직장 활동에 제약을 받습니다. 현재 사용되는 척추 전기 자극기는 통증 신호가 뇌에 도달하는 것을 차단하여 통증을 완화하는 대안을 제공하지만, 비싸고 침습적인 수술이 필요하며 배터리 교환이 자주 요구되어 단점을 가지고 있습니다. 이제 USC Viterbi 공학부의 Alfred E. Mann 생체공학 부서 Zhou 연구실과 UCLA의 Jun Chen 그룹이 협력하여 혁신적인 해결책을 제시했습니다. 이 솔루션은 척추에 고정된 유연한 초음파 유발 무선 임플란트 자극기(UIWI)로, 개인화되고 자체 적응형 만성 통증 관리를 위해 설계되었습니다. Nature Electronics에 상세히 소개된 이 획기적인 장치는 통증 치료 분야에서 중요한 진전을 이루었습니다. 현재의 척추 자극기가 무거운 배터리와 복잡한 유선 인터페이스를 사용해 수술이 자주 필요하다면, 새로운 장치는 움직임에 따라 구부러지고 비틀릴 수 있으며 외부 착용형 초음파 발신기(WUT)로 전력을 공급받아 배터리가 필요 없습니다. 또한, 각 환자에게 맞춤화된 치료를 제공하기 위해 머신 러닝 알고리즘을 활용합니다. 이 연구는 USC Kek 의과대학 안과 교수인 Qifa Zhou가 주도했으며, Zhou 연구실의 공학 석사후 과정 학생 Sean Zeng과 Chen Gong이 공동 필자로 참여했습니다. 통증 완화를 위한 임플란트 자극기 작동 원리 이 혁신의 핵심은 배터리 없이도 작동할 수 있는 무선 전력 공급 시스템입니다. UIWI 자극기는 외부 착용형 초음파 발신기로부터 에너지를 수신하며, 이는 비침습적이고 깊은 조직까지 효과적으로 도달할 수 있는 안전한 방법입니다. 장치는 초음파 에너지를 전기 신호로 변환하는 압전 효과를 활용합니다. UIWI 자극기의 중심에는 납 티타늄산 지르코늄(PZT)으로 제작된 미니어처화된 압전 소자가 있으며, 이는 초음파 에너지를 전기 자극에 필요한 전력으로 효과적으로 변환합니다. Zhou 교수는 "이 장치의 진정한 강점은 통증 관리를 위한 무선, 스마트, 그리고 자체 적응형 기능입니다. 우리는 이 장치가 약물 치료와 전통적인 전기 자극 방법을 대체할 큰 잠재력을 가지고 있다고 믿습니다. 이것은 통증 완화를 위한 임상적 요구와 일치합니다."라고 말했습니다. Zhou 연구실의 공학 석사후 과정 학생 Sean Zeng는 "초음파 에너지를 이용해 충분한 전기 자극 강도를 생성할 수 있는 이 에너지 변환형 장치는 깊은 자극에 매우 중요합니다. 무선 초음파 에너지 전송과 클로즈드 루프 피드백 시스템을 활용함으로써 UIWI 자극기는 bulk한 내장 배터리의 필요성을 제거하고, 실시간으로 정확하게 조절 가능한 통증 관리를 제공합니다."라고 설명했습니다. Chen Gong은 "임상적으로 보면, 딥 러닝 기반의 통증 평가를 통합함으로써 변화하는 통증 상태에 대한 역동적인 해석과 반응이 가능해집니다. 이는 환자 개개인의 다양성을 수용하는 데 필수적입니다."라고 덧붙였습니다. 장치의 작동 과정 통증 감지: 시스템은 환자의 뇌 신호, 특히 전두파(EEG) 신호를 지속적으로 모니터링하여 통증 수준을 반영합니다. AI로 통증 수준 평가: ResNet-18이라는 신경망 기반의 고급 머신 러닝 모델이 이러한 뇌 신호를 분석하고 세 가지 통증 수준(약간, 중간, 극심)으로 분류합니다. 이 AI 모델은 통증 상태를 구별하는 데 94.8%의 정확도를 보입니다. 필요에 따른 치료 조정: 통증 수준이 식별되면 착용형 초음파 발신기가 자동으로 전송하는 음향 에너지를 조절합니다. UIWI 자극기는 확산된 에너지를 감지하고 이를 전기 강도로 변환하여 척추를 자극합니다. 이렇게 하여 실시간으로 개인화된 통증 관리 시스템을 구성합니다. UIWI 자극기는 자체적으로 유연하고 구부러질 수 있으며 비틀릴 수 있어 척추에 최적의 위치를 유지할 수 있습니다. 이 장치가 제공하는 전기 자극은 통증을 전달하고 억제하는 신호의 균형을 회복하여 통증 감각을 억제하는 역할을 합니다. 실험실에서의 성공 Zhou 연구팀은 쥐 모델에서 UIWI 자극기를 테스트하여 그 효능을 입증했습니다. 연구진은 기계적 자극(예: 바늘로 찌르는 것)과 급성 열 자극(적외선 열)으로 인한 만성 신경통을 성공적으로 완화시켰습니다. 실험 결과, UIWI 자극기의 치료가 통증 지표를 크게 줄이는 것으로 나타났습니다. 한 실험에서는 동물이 통증 완화와 연관된 환경을 선호하는지 평가하기 위해 쥐들이 통증 관리 시스템이 활성화된 방에 더 많이 머무는 것을 확인해 장치의 효능을 더욱 확신했습니다. 개인화된 통증 완화의 미래 UIWI 자극기의 성공적인 개발과 테스트는 고급 통증 관리 추구에서 중대한 순간을 의미합니다. 내장형 장치의 유연한 디자인과 정교한 AI 알고리즘의 통합은 변동성이 크고 개별적인 만성 통증의 특성을 고려한 역동적이고 개인화된 치료 접근법을 제공합니다. 앞으로 Zhou 교수와 그의 동료들은 더욱 진보된 장치의 응용을 목표로 하고 있습니다. Zhou 교수는 장래의 설계에서는 구성 요소를 더욱 미니어처화하여 침습성이 적은 장치 임플란트, 예를 들어 주사기로 삽입할 수 있는 방식을 고려할 수 있다고 밝혔습니다. 착용형 초음파 발신기는 앞으로 분리형, 미니어처화된 장치나 심지어 초음파 배열 패치로 진화하여 이미징 기능과 에너지 전송을 결합해 실시간 모니터링과 타겟된 자극을 제공할 수 있을 것입니다. 또한, 미래 버전은 스마트폰 소프트웨어로 제어될 수 있어 더욱 강력한 개인화된 통증 관리를 제공할 것입니다. Zhou 교수는 "우리의 목표는 현재의 해결책의 한계를 넘어 진정으로 개인화되고, 지능적이며 효과적인 통증 완화의 길을 제공하는 것입니다."라고 말했습니다. "연구 결과는 초음파 임플란트 전자기기에 대한 임상적 및 적용 가능한 만성 통증 관리의 잠재력을 강조합니다."라고 Sean Zeng도 덧붙였습니다. 이 장치는 만성 통증 치료 분야에서 새로운 지평을 열 것으로 기대되며, 환자들에게 더욱 안전하고 효과적인 치료 옵션을 제공할 것입니다. 이러한 혁신은 기술과 의학 분야의 전문가들 사이에서 큰 관심을 받고 있으며, USC Zhou 연구실의 지속적인 연구와 개발을 통해 더 많은 가능성이 열릴 것으로 보입니다.

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