南加州大学（USC）维特比工程学院的研究人员开发了一种突破性的无线植入物，用于缓解慢性疼痛。这种由超声波驱动的设备能够根据个人的疼痛水平进行调整，提供个性化的治疗选择。这一柔性、非侵入式的刺激器减少了对阿片类药物的需求，可能革新慢性疼痛管理方式，并改善患者的生活质量。
慢性疼痛是一种令人虚弱的疾病，严重影响生活质量，往往导致患者依赖具有严重副作用和成瘾风险的阿片类药物。根据美国疼痛基金会的数据，有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，可植入的电刺激器提供了另一种选择，通过刺激脊髓来阻止疼痛信号传递到大脑。然而，这些设备存在高昂成本、需要侵入性手术以及频繁更换电池等缺点。现在，来自USC维特比分校阿尔弗雷德·E·曼恩生物医学工程系周实验室的研究人员，与加州大学洛杉矶分校（UCLA）陈俊团队合作，开发了一种革命性的解决方案：一种附着在脊柱上的柔性超声诱导无线植入式（UIWI）刺激器，专为个性化、自适应的慢性疼痛管理设计。
这项开创性设备的详细信息发表在《自然电子》杂志上，代表了疼痛治疗领域的重大飞跃。当前的脊髓刺激器通常笨重且需连接电池，而新设备可以随身体运动弯曲和扭曲，并由可穿戴的超声波发射器供电，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周启法（Qifa Zhou）领导。
按需止痛：植入式刺激器的工作原理
这项创新的核心在于其无线电源供应，消除了对笨重电池和复杂有线接口的需求，这些接口通常需要反复手术。UIWI刺激器从外部可穿戴的超声波发射器（WUT）获取能量。超声波提供了一种安全、有效的非侵入性方法，用于深部组织穿透。该设备通过压电效应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，能够将输入的超声波能量转化为刺激所需的电能。
“真正让这款设备与众不同的是它的无线、智能和自适应止痛能力，”周启法表示，“我们相信它有很大的潜力取代药物疗法和传统的电刺激方法，满足临床需求以减轻疼痛。”
周实验室的博士生、论文第一作者曾宇顺（Yushun Zeng，音译）表示，这种无线智能微型刺激器能够利用超声波能量产生足够的电刺激强度，从而实现更加个性化、针对性和局部化的治疗。
“这种能量转换类型对于深层刺激至关重要，因为超声波在临床和医疗领域是一种非侵入性和高度穿透的能量，”曾宇顺说，“通过利用无线超声波能量传输和闭环反馈系统，这款UIWI刺激器消除了对笨重植入电池的需求，并允许实时、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可以动态解释和响应波动的疼痛状态，这对于适应患者特定的变异性至关重要。”
设备的工作原理：
- 检测疼痛：系统持续监测脑电图（EEG）信号，这些信号反映患者的疼痛水平。
- 利用人工智能评估疼痛水平：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、中度疼痛和极度疼痛。该AI模型在区分这些疼痛状态方面的总体准确率为94.8%。
- 按需调整治疗：一旦确定疼痛等级，可穿戴的超声波发射器会自动调整其传输的声能。UIWI刺激器随后感知传播的能量并将其转换为电强度，刺激脊髓。这创建了一个闭环系统，提供实时、个性化的疼痛管理。
UIWI刺激器本身柔韧、可弯曲、可扭曲，能够最佳地放置在脊柱上。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，结果证明其在疼痛管理方面效果显著。
研究人员成功缓解了由机械刺激（如针刺）和急性热刺激（红外线加热）引起的慢性神经性疼痛。
实验室测试表明，UIWI刺激器的治疗显著降低了疼痛指标。在一项评估动物是否将环境与疼痛缓解联系起来的实验中，啮齿动物明显更喜欢激活疼痛管理系统的小室，进一步证实了该设备的有效性。
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中的关键时刻。该植入物的柔性设计及其与复杂AI算法的结合提供了一种动态且个性化的治疗方法，能够适应慢性疼痛的波动性和高度个体化特性。
展望未来，周启法及其合作者希望设备能有更先进的应用。周启法表示，未来的设计可能会进一步缩小组件，使设备植入更少侵入性——例如通过注射器完成。可穿戴超声波发射器也可能发展为无束缚的微型设备，甚至是一个可穿戴的超声波阵列贴片，潜在结合成像功能与能量传输，实现实时监测和靶向刺激。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。
周启法表示，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性，提供一条真正个性化、智能化且高效的止痛途径。
“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，”曾宇顺说。
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