La douleur chronique est une affection débilitante qui a un impact fortement sur la qualité de vie, entraînant souvent une dépendance à l'égard des médicaments opioïdes avec leurs effets secondaires graves et leurs risques de dépendance. Selon la US Pain Foundation, 51,6 millions d'Américains vivent avec une douleur chronique. Pour plus de 17 millions de personnes souffrant, leur douleur chronique est à fort impact – limitant fréquemment leurs activités de vie ou de travail.
Les stimulateurs électriques implantables actuels offrent une alternative en stimulant la moelle épinière pour empêcher les signaux de la douleur d'atteindre le cerveau. Mais ces appareils sont livrés avec des inconvénients comme un coût élevé, une chirurgie invasive et le besoin de remplacements de batterie fréquents. Maintenant, les chercheurs du laboratoire Zhou dans le département de génie biomédical de l'USC Viterbi, en collaboration avec le groupe Jun Chen de l'UCLA, ont développé une solution révolutionnaire: un stimulateur flexible induit par un ultrasons implantable (UIWI) sécurisé à la colonne vertébrale et conçu pour la gestion chronique personnalisée et auto-adaptable personnalisée.
Cet appareil révolutionnaire, détaillé dans Nature électroniquereprésente un bond en avant dans la thérapie de la douleur. Bien que les stimulateurs actuels de la moelle épinière puissent être lourds et sont câblés aux batteries, le nouvel appareil est conçu pour se plier et se tordre avec le mouvement et est alimenté par un émetteur ultrasons portable sans avoir besoin d'une batterie. Il exploite également les algorithmes d'apprentissage automatique pour personnaliser le traitement pour chaque patient. L'œuvre a été dirigée par Zohrab A. Kaprielian Fellow en ingénierie Qifa Zhou, qui est également professeur d'ophtalmologie à la Keck School of Medicine of USC.
Soulagement de la douleur à la demande: comment fonctionne le stimulateur implantable
Au cœur de cette innovation se trouve son alimentation sans fil, éliminant le besoin de batteries volumineuses et d'interfaces câblées complexes qui nécessitent souvent des chirurgies répétées. Le stimulateur UIWI reçoit son énergie d'un émetteur à ultrasons portable externe (WUT). L'échographie offre une méthode non invasive sûre et efficace pour la pénétration des tissus profonds. L'appareil convertit les ondes mécaniques en signaux électriques à travers un phénomène appelé effet piézoélectrique. Le noyau du stimulateur UIWI est un élément piézoélectrique miniaturisé en titanate de zirconate de plomb (PZT), un matériau très efficace pour convertir l'énergie échographique entrante en puissance électrique nécessaire à la stimulation.
Ce qui distingue vraiment cet appareil, c'est sa capacité sans fil, intelligente et auto-adaptative pour la gestion de la douleur. Nous pensons qu'il offre un grand potentiel pour remplacer les schémas pharmacologiques et les approches conventionnelles de stimulation électrique, s'alignant avec les besoins cliniques d'atténuation de la douleur. «
Qifa Zhou, professeur d'ophtalmologie, Keck School of Medicine of USC
doctorat Le candidat dans le laboratoire de Zhou et l'auteur principal Yushun (Sean) Zeng a déclaré que le stimulateur miniaturisé intelligent sans fil avait la capacité de produire une intensité de stimulation électrique suffisante en utilisant l'énergie échographique, résultant en un traitement plus personnalisé, ciblé et localisé.
« Ce type de conversion d'énergie est essentiel pour une stimulation profonde, car l'échographie est une énergie non invasive et très pénétrante dans les zones cliniques et médicales », a déclaré Zeng. « En tirant parti du transfert d'énergie ultrasonique sans fil et du système de rétroaction en boucle fermée, ce stimulateur UIWI supprime la nécessité de batteries implantées volumineuses et permet une modulation de douleur en temps réel et réglable avec précision. »
« D'un point de vue clinique, l'intégration de l'évaluation de la douleur basée sur l'apprentissage en profondeur permet une interprétation dynamique et une réponse aux états de douleur fluctuants, ce qui est essentiel pour s'adapter à la variabilité spécifique au patient. » Ajout du doctorat de Zhou Lab. Le candidat Chen Gong, également auteur principal du journal.
L'appareil fonctionne par:
- Détection de la douleur: le système surveille en continu les enregistrements cérébraux, en particulier les signaux d'électroencéphalogramme (EEG), qui reflètent les niveaux de douleur d'un patient.
- Exploitation de l'IA pour évaluer les niveaux de douleur: un modèle d'apprentissage automatique sophistiqué, basé sur un réseau neuronal appelé RESNET-18, analyse ces signaux cérébraux et classe la douleur en trois niveaux distincts: une légère douleur, une douleur modérée et une douleur extrême. Ce modèle d'IA bénéficie d'une précision globale de 94,8% pour distinguer ces états de douleur.
- Adapting Treatment au besoin: Une fois un niveau de douleur identifié, l'émetteur à ultrasons portable ajuste automatiquement l'énergie acoustique qu'elle transmet. Le stimulateur UIWI peut alors détecter l'énergie propagée et la convertir en intensité électrique, stimulant la moelle épinière. Cela crée un système en boucle fermée qui fournit une gestion de la douleur personnalisée en temps réel.
Le stimulateur UIWI lui-même est flexible, pliable et tordable, permettant un placement optimal sur la moelle épinière. La stimulation électrique qu'il fournit à la moelle épinière fonctionne en rééquilibrant les signaux qui transmettent et inhibent la douleur, supprimant efficacement la sensation de douleur.
Succès démontré dans le laboratoire
L'équipe de Zhou Lab a testé le stimulateur UIWI dans des modèles de rongeurs, avec des résultats démontrant son efficacité pour la gestion de la douleur.
Les chercheurs ont réussi à soulager la douleur neuropathique chronique causée à la fois par des stimuli mécaniques (comme une piqûre d'épingle) et des stimuli thermiques aigus (chaleur infrarouge).
Les tests de laboratoire ont montré que le traitement du stimulateur UIWI a entraîné des réductions significatives des indicateurs de douleur. Dans une expérience pour évaluer si un animal associe un environnement à un soulagement de la douleur, les rongeurs ont montré une préférence claire pour la chambre où le système de gestion de la douleur a été activé, confirmant davantage l'efficacité de l'appareil.
L'avenir du soulagement de la douleur personnalisé
Le développement et les tests réussis du stimulateur UIWI marquent un moment charnière dans la quête de la gestion avancée de la douleur. La conception flexible de l'implant et son intégration avec des algorithmes d'IA sophistiqués offrent une approche de traitement dynamique et personnalisée qui peut s'adapter à la nature fluctuante et très individuelle de la douleur chronique.
Pour l'avenir, Zhou et ses collaborateurs espèrent des applications encore plus avancées de l'appareil. Zhou a déclaré que les conceptions futures pourraient miniaturiser davantage les composants, permettant une implantation de dispositifs moins invasive – par exemple, avec une seringue. L'émetteur à ultrasons portable pourrait également évoluer en un dispositif miniaturisé non attaché ou même un patch à échographie portable, combinant potentiellement les capacités d'imagerie avec la prestation d'énergie pour une surveillance en temps réel et une stimulation ciblée. Les itérations futures pourraient également être contrôlées par les logiciels de smartphones, offrant une gestion de la douleur personnalisée encore plus robuste.
Zhou a déclaré que l'objectif de l'appareil était de transformer la gestion chronique de la douleur, allant au-delà des limites des solutions actuelles pour offrir une voie vraiment personnalisée, intelligente et efficace pour soulager la douleur.
« Nos résultats mettent en évidence le potentiel de l'électronique ultrasonique implantable dans la gestion de la douleur chronique clinique et translationnelle », a déclaré Zeng.
