USC's new AI implant promises drug-free relief for chronic pain

现有的植入式电刺激器提供了一种替代方案，通过刺激脊髓来阻断疼痛信号传递至大脑。但这些设备存在成本高、需侵入性手术以及需要频繁更换电池等缺点。如今，由南加州大学维特比工程学院阿尔弗雷德·E·曼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陈俊课题组合作，开发了一种革命性的解决方案：一种固定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、自适应慢性疼痛管理而设计。

这项突破性设备在《自然·电子学》期刊上详细发表，标志着疼痛治疗领域的重大飞跃。现有脊髓刺激器通常笨重且需有线连接电池，而新设备设计为可随身体活动弯曲扭转，并由可穿戴超声发射器供能，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。该研究由南加州大学凯克医学院眼科学教授、佐拉布·A·卡普里利安工程学研究员周启发领导。

按需镇痛：植入式刺激器的工作原理

此项创新的核心在于其无线供能系统，消除了对笨重电池和复杂有线接口的需求，后者通常需要反复手术。UIWI刺激器通过外部可穿戴超声发射器（WUT）获取能量。超声提供了一种安全有效的非侵入性深层组织穿透方法。该设备通过称为压电效应的现象将机械波转化为电信号。UIWI刺激器的核心是一个微型化压电元件，由锆钛酸铅（PZT）制成，这种高效材料能将接收的超声能量转化为刺激所需的电能。

"真正使该设备与众不同的是其无线、智能且自适应的疼痛管理能力，"周教授表示。"我们相信它具备巨大潜力替代药物方案和传统电刺激方法，符合临床镇痛需求。"

周实验室博士生、第一作者曾宇舜（Sean Zeng）指出，这种无线智能微型刺激器能够利用超声能量产生足够的电刺激强度，从而实现更个性化、精准定位的治疗。

"这种能量转换类型对于深层刺激至关重要，因为超声在临床和医学领域是一种非侵入性且高穿透性的能量，"曾宇舜解释道。"通过利用无线超声能量传输和闭环反馈系统，该UIWI刺激器无需植入笨重电池，并实现了实时精确可调的疼痛调节。"

"从临床角度看，基于深度学习的疼痛评估能够动态解读并响应波动的疼痛状态，这对适应患者个体差异至关重要，"论文共同第一作者、周实验室博士生龚晨补充道。

设备工作流程：

检测疼痛：系统持续监测脑部记录信号，特别是反映患者疼痛水平的脑电图（EEG）信号。利用AI评估疼痛水平：基于ResNet-18神经网络的复杂机器学习模型分析这些脑信号，将疼痛分为三个等级：轻微疼痛、中度疼痛和剧烈疼痛。该AI模型区分疼痛状态的总体准确率达94.8%。按需调整治疗：一旦识别疼痛等级，可穿戴超声发射器自动调节发射的声波能量。UIWI刺激器感知传播的能量并将其转化为电刺激强度，作用于脊髓。这形成了一个提供实时个性化疼痛管理的闭环系统。UIWI刺激器本身具有柔性、可弯曲扭转的特性，可在脊髓上实现最佳贴附。其施加到脊髓的电刺激通过重新平衡疼痛传导与抑制信号，有效抑制痛感。

实验室验证成功 周实验室团队在啮齿动物模型中测试了UIWI刺激器，结果证明了其疼痛管理的有效性。

研究人员成功缓解了由机械刺激（如针刺）和急性热刺激（红外热源）引发的慢性神经性疼痛。

实验室测试显示，UIWI刺激器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相关联的实验中，啮齿动物明显偏好激活疼痛管理系统的腔室，进一步证实了设备有效性。

个性化镇痛的未来

UIWI刺激器的成功开发与测试标志着先进疼痛管理研究的关键里程碑。植入物的柔性设计及其与复杂AI算法的结合，提供了一种动态个性化治疗方法，可适应慢性疼痛波动且高度个体化的特性。

展望未来，周教授及其合作者希望实现该设备的更先进应用。周教授表示，未来设计可进一步微型化组件，实现微创植入（例如通过注射器）。可穿戴超声发射器也可能演变为无束缚微型设备，甚至成为可穿戴超声阵列贴片，可能将成像功能与能量传输结合，实现实时监测与靶向刺激。未来迭代版本还可能通过智能手机软件控制，提供更强大的个性化疼痛管理。

周教授强调，该设备旨在变革慢性疼痛管理，突破现有方案的局限，提供真正个性化、智能化且有效的镇痛途径。

"我们的研究结果凸显了超声植入式电子设备在临床转化性慢性疼痛管理中的潜力，"曾宇舜总结道。