南加州大学（USC）的研究人员开发了一种开创性的超声波设备，有望减少我们对成瘾性止痛药的依赖。
这种新型用于慢性疼痛管理的可植入设备小巧而灵活。图片来源：南加州大学（USC）周实验室（The Zhou Lab）
慢性疼痛是一种使人衰弱的疾病，严重影响生活质量，通常导致对具有严重副作用和成瘾风险的阿片类药物的依赖。根据美国疼痛基金会的数据，5160万美国人患有慢性疼痛，其中超过1700万人的慢性疼痛属于高影响型——经常限制他们的生活或工作活动。
目前的可植入电刺激器通过刺激脊髓来阻断疼痛信号传递到大脑，提供了一种替代方案。但这些设备存在一些缺点，例如高昂的成本、侵入性手术需求以及频繁更换电池的需求。现在，来自USC维特比工程学院阿尔弗雷德·E·曼恩生物医学工程系周实验室（Zhou Lab）的研究人员，与加州大学洛杉矶分校（UCLA）陈军（Jun Chen）研究组合作，开发了一种革命性的解决方案：一种柔性、超声波驱动的无线可植入（UIWI）刺激器，固定在脊柱上，专为个性化、自适应的慢性疼痛管理设计。
这项突破性设备的详细信息发表在《自然电子学》（Nature Electronics）上，代表了疼痛治疗的重大进步。当前的脊髓刺激器往往笨重且需要与电池硬连接，而新设备设计为能够随着身体运动弯曲和扭曲，并通过佩戴式超声波发射器供电，无需电池。它还利用机器学习算法为每位患者定制治疗方案。该研究由工程学Zohrab A. Kaprielian研究员、同时也是USC凯克医学院眼科教授的周岐发（Qifa Zhou）领导。
按需止痛：可植入刺激器的工作原理
这一创新的核心在于其无线电源供应，消除了笨重电池和复杂有线接口的需求，而后者通常需要反复手术。UIWI刺激器通过外部佩戴式超声波发射器（WUT）接收能量。超声波提供了一种安全有效的非侵入性方法，可以深入穿透组织。设备通过一种称为压电效应的现象将机械波转换为电信号。UIWI刺激器的核心是一个微型压电元件，由锆钛酸铅（PZT）制成，这是一种高效材料，能够将接收到的超声波能量转化为刺激所需的电能。
“真正让这个设备与众不同的是它无线、智能且自适应的疼痛管理能力，”周岐发表示，“我们认为它有巨大潜力取代药物疗法和传统的电刺激方法，符合临床对疼痛缓解的需求。”
周实验室的博士生、论文第一作者曾玉顺（Yushun Zeng，音译）表示，这种无线智能微型刺激器能够通过超声波能量产生足够的电刺激强度，从而实现更个性化、精准和局部化的治疗。
“这种能量转换类型对于深层刺激至关重要，因为超声波是一种在临床和医疗领域中非侵入且高度穿透的能量，”曾玉顺说，“通过利用无线超声波能量传输和闭环反馈系统，这种UIWI刺激器消除了对笨重植入电池的需求，实现了实时、精确可调的疼痛调节。”
周实验室的另一位博士生、论文共同第一作者龚晨（Chen Gong，音译）补充道：“从临床角度来看，结合基于深度学习的疼痛评估，能够动态解读和应对波动的疼痛状态，这对于适应患者的个体差异至关重要。”
设备工作原理如下：
- 检测疼痛：系统持续监测脑电图（EEG）信号，这些信号反映了患者的疼痛水平。
- 利用AI评估疼痛水平：一个基于ResNet-18神经网络的复杂机器学习模型分析这些脑信号，并将疼痛分为三个不同等级：轻微疼痛、中度疼痛和剧烈疼痛。该AI模型在区分这些疼痛状态时的整体准确率达到94.8%。
- 根据需要调整治疗：一旦确定了疼痛等级，佩戴式超声波发射器会自动调整其传输的声能。UIWI刺激器随后感应传播的能量并将其转换为电刺激强度，刺激脊髓。这形成了一个闭环系统，提供实时、个性化的疼痛管理。UIWI刺激器本身柔韧、可弯曲、可扭转，能够最佳地放置在脊髓上。它提供的电刺激通过重新平衡传递和抑制疼痛的信号，有效抑制疼痛感。
实验室中的成功验证
周实验室团队在啮齿动物模型中测试了UIWI刺激器，结果证明了其在疼痛管理方面的有效性。
研究人员成功缓解了由机械刺激（如针刺）和急性热刺激（红外线热量）引起的慢性神经性疼痛。
实验室测试表明，UIWI刺激器的治疗显著减少了疼痛指标。在一项评估动物是否将环境与疼痛缓解相关联的实验中，啮齿动物明显偏向激活疼痛管理系统所在的房间，进一步证实了设备的有效性。
个性化疼痛缓解的未来
UIWI刺激器的成功开发和测试标志着先进疼痛管理探索的关键时刻。植入物的柔性设计及其与复杂AI算法的集成，提供了一种动态且个性化的治疗方式，能够适应慢性疼痛波动且高度个体化的特性。
展望未来，周岐发及其合作者希望进一步拓展设备的应用。周岐发表示，未来的设计可能会进一步缩小组件尺寸，使设备植入更加微创——例如，通过注射器进行植入。佩戴式超声波发射器也可能演变为一种无束缚的微型设备，甚至是可以结合成像功能与能量传输的可穿戴超声波阵列贴片，实现实时监控和靶向刺激。未来的迭代版本还可以通过智能手机软件控制，提供更强大的个性化疼痛管理。
周岐发表示，该设备的目标是彻底改变慢性疼痛管理，超越现有解决方案的局限，提供真正个性化、智能化且有效的止痛途径。
“我们的研究结果突显了超声波植入电子设备在临床和转化慢性疼痛管理中的潜力，”曾玉顺说。
(全文结束)
