כאבים כרוניים הם מצב מתיש המשפיע קשות על איכות החיים, ומוביל לעתים קרובות להסתמך על תרופות אופיואידים עם תופעות הלוואי החמורות שלהן וסיכוני ההתמכרות שלהם. על פי קרן הכאב האמריקאית, 51.6 מיליון אמריקאים חיים עם כאבים כרוניים. עבור למעלה מ- 17 מיליון הסובלים, הכאב הכרוני שלהם הוא בעל השפעה גבוהה-לעתים קרובות מגביל את חייהם או פעילויות העבודה שלהם.
ממריצים חשמליים הניתנים לזרם מציעים אלטרנטיבה על ידי גירוי חוט השדרה כדי לחסום אותות כאב מהגעה למוח. אך מכשירים אלה מגיעים עם חסרונות כמו עלות גבוהה, ניתוח פולשני והצורך בהחלפות סוללה תכופות. כעת, חוקרים ממעבדת ג'ואו במחלקה להנדסה ביו-רפואית של USC Viterbi, בשיתוף פעולה עם קבוצת ג'ון צ'ן ב- UCLA, פיתחו פיתרון מהפכני: פיתרון מהפכני: גמיש גמיש אולטראסאונד הנגרם על ידי אולטרה-אלחוטית (UIWI), המרהיב את הדאבים המופעלים באופן אישי).
המכשיר פורץ הדרך הזה, המפורט ב אלקטרוניקה טבעיתמייצג קפיצה משמעותית בטיפול בכאב. בעוד שממריצי חוט השדרה הנוכחיים יכולים להיות חסרי כניסה והם קשורים לסוללות, המכשיר החדש נועד להתכופף ולתפתל בתנועה ומופעל על ידי משדר אולטרסאונד לביש ללא צורך בסוללה. זה גם רותם אלגוריתמים למידת מכונה כדי להתאים אישית את הטיפול לכל מטופל. את העבודה הובלה על ידי זוהראב א. קפריאליאן בהנדסה Qifa Zhou, שהוא גם פרופסור לרפואת עיניים בבית הספר לרפואה של קק של USC.
הקלה בכאב לפי דרישה: כיצד עובד הממריץ הניתן להשתלה
בלב החידוש הזה נמצא אספקת החשמל האלחוטית שלו, ומבטלת את הצורך בסוללות מגושמות ובממשקים קוויים מורכבים הדורשים לעתים קרובות ניתוחים חוזרים ונשנים. ממריץ ה- UIWI מקבל את האנרגיה שלו ממשדר אולטרסאונד חיצוני ולבש (WUT). אולטרסאונד מציעה שיטה בטוחה ויעילה לא פולשנית לחדירה ברקמות עמוקות. המכשיר ממיר גלים מכניים לאותות חשמליים דרך תופעה הנקראת האפקט הפיזואלקטרי. ליבתו של ממריץ ה- UIWI הוא אלמנט פיזואלקטרי מיניאטורי העשוי מטיטנאט זירקונאט עופרת (PZT), חומר יעיל ביותר להמרת אנרגיית אולטראסאונד נכנסת לכוח החשמלי הדרוש לגירוי.
מה שבאמת מבדיל את המכשיר הזה הוא היכולת האלחוטית, החכמה וההסתגלות העצמית שלו לניהול כאבים. אנו מאמינים כי היא מציעה פוטנציאל רב להחליף תוכניות פרמקולוגיות וגישות גירוי חשמלי קונבנציונאלי, תוך התאמה לצרכים קליניים להפחתת כאבים. "
Qifa Zhou, פרופסור לרפואת עיניים, בית הספר לרפואה של קק של USC
דוקטורט המועמד במעבדת ג'ואו והסופר הראשי יושון (שון) זנג אמר כי למעורר המיזוג החכם האלחוטי היה יכולת לייצר עוצמת גירוי חשמלית מספקת באמצעות אנרגיית אולטרסאונד, וכתוצאה מכך טיפול מותאם אישית יותר, ממוקד ומקומי.
"סוג זה המרת אנרגיה הוא קריטי לגירוי עמוק, שכן אולטרסאונד הוא אנרגיה לא פולשנית וחודרת מאוד באזורים קליניים ורפואיים", אמר זנג. "על ידי מינוף מערכת העברת אנרגיה קולית אלחוטית ומערכת משוב לולאה סגורה, ממריץ UIWI זה מסיר את ההכרח לסוללות מושתלות מגושמות ומאפשר אפנון כאב בזמן אמת, מתכוונן בדיוק."
"מבחינה קלינית, שילוב הערכת כאב מבוססת למידה עמוקה מאפשרת פרשנות ותגובה דינאמית למצבי כאב משתנים, החיונית כדי להתאים לשונות ספציפית לחולים." הוסיפו דוקטורט מעבדת ג'ו. המועמד חן גונג, גם הוא סופר מוביל בעיתון.
המכשיר עובד על ידי:
- איתור כאב: המערכת מפקחת ברציפות על הקלטות מוח, באופן ספציפי אותות אלקטרואנספלוגרמים (EEG), המשקפים את רמות הכאב של המטופל.
- רתימת AI כדי להעריך את רמות הכאב: מודל למידת מכונה מתוחכמת, המבוסס על רשת עצבית בשם Resnet-18, מנתח את אותות המוח הללו ומסווג כאב לשלוש רמות מובחנות: כאב קל, כאב בינוני וכאבים קיצוניים. מודל AI זה מתגאה ברמת דיוק כוללת של 94.8% בהבחנה בין מצבי כאב אלה.
- התאמת טיפול לפי הצורך: ברגע שמזהה רמת כאב, משדר האולטרסאונד לביש מתאים אוטומטית את האנרגיה האקוסטית שהיא מעבירה. ממריץ ה- Uiwi יכול אז לחוש את האנרגיה המופצת ולהמיר אותה לעוצמה חשמלית, ולהגיר את חוט השדרה. זה יוצר מערכת לולאה סגורה המספקת ניהול כאב בהתאמה אישית בזמן אמת.
ממריץ ה- UIWI עצמו גמיש, הניתן לכיפוף וניתן להתפתל, ומאפשר מיקום אופטימלי על חוט השדרה. הגירוי החשמלי שהוא מספק לחוט השדרה עובד על ידי איזון מחדש של האותות המעבירים ומעכבים כאב, ומדכא למעשה את תחושת הכאב.
הפגין הצלחה במעבדה
צוות מעבדת ג'ואו בדק את ממריץ ה- UIWI במודלים של מכרסמים, כאשר תוצאות הדגימו את יעילותו לניהול כאבים.
החוקרים הקלו בהצלחה על כאבים נוירופתיים כרוניים הנגרמים הן על ידי גירויים מכניים (כמו קוצץ סיכה) והן גירויים תרמיים חריפים (חום אינפרא אדום).
בדיקות מעבדה הראו כי הטיפול מממריץ UIWI הוביל להפחתה משמעותית במדדי הכאב. בניסוי אחד כדי להעריך האם חיה מקשרת סביבה עם הקלה בכאב, מכרסמים הראו העדפה ברורה לחדר בו הופעלה מערכת ניהול הכאב, מה שמאשר עוד יותר את יעילות המכשיר.
העתיד של הקלה בכאב בהתאמה אישית
ההתפתחות והבדיקה המוצלחת של ממריץ UIWI מסמנים רגע מרכזי במסע אחר ניהול כאבים מתקדם. העיצוב הגמיש של השתל ושילובו עם אלגוריתמים AI מתוחכמים מציעים גישה טיפולית דינאמית ומותאמת אישית שיכולה להסתגל לאופי המשתנה והאינדיבידואלי ביותר של כאב כרוני.
במבט קדימה, ג'ואו ומשתפי הפעולה שלו מקווים ליישומים מתקדמים עוד יותר של המכשיר. ג'ואו אמר כי עיצובים עתידיים יכולים למזער את הרכיבים עוד יותר, מה שמאפשר השתלת מכשירים פחות פולשנית – למשל, עם מזרק. משדר האולטרסאונד לביש יכול להתפתח גם למכשיר ללא קשר, או אפילו לכתם מערך אולטראסאונד לביש, מה שעלול לשלב יכולות הדמיה עם משלוח אנרגיה לניטור בזמן אמת וגירוי ממוקד. איטרציות עתידיות יכולות להיות נשלטות גם על ידי תוכנת סמארטפון, ומציעות ניהול כאב אישי יותר חזק עוד יותר.
ג'ואו אמר כי מטרת המכשיר הייתה לשנות את ניהול הכאב הכרוני, לעבור מעבר למגבלות הפתרונות הנוכחיים כדי להציע מסלול מותאם אישית, אינטליגנטי ויעיל באמת להקלה בכאב.
"הממצאים שלנו מדגישים את הפוטנציאל של אלקטרוניקה מושתלת אולטרה סאונד בניהול כאב כרוני קליני ותרגומי", אמר זנג.
