ملخص: طور باحثو جامعة جنوب كاليفورنيا جهازًا ثوريًا للأشعة فوق الصوتية (UIWI) لإدارة الألم المزمن بطريقة شخصية وفعّالة، ما قد يقلل الاعتماد على مسكنات الألم المسببة للإدمان. الجهاز مزروع ومرن ويتصل لاسلكيًا بجهاز إرسال يمكن ارتداؤه، ويحوّل الطاقة فوق الصوتية إلى تحفيز كهربائي للحبل الشوكي باستخدام عنصر كهروضغطي، مع خوارزميات ذكاء اصطناعي تعدل شدة العلاج حسب مستوى الألم الذي يُكتشف عبر إشارات الدماغ في الوقت الفعلي. أظهرت التجارب المخبرية على الفئران فعالية الجهاز في تخفيف الألم العصبي والحراري، ما يبرز إمكاناته كبديل غير غازي للأفيونات وأجهزة التحفيز الكهربائي التقليدية، مع إدارة ديناميكية وشخصية للألم.
طور باحثون في جامعة جنوب كاليفورنيا (USC) جهازًا ثوريًا بالأشعة فوق الصوتية قد يقلل الاعتماد على مسكنات الألم المسببة للإدمان لدى المرضى الذين يعانون من الألم المزمن. يُعد الألم المزمن حالة معيقة تؤثر على جودة الحياة لملايين الأشخاص حول العالم، وغالبًا ما تُستخدم مسكنات الألم لعلاجه، لكنها قد تكون شديدة الإدمان. ومع ذلك، قد يساعد هذا الابتكار المرضى على إدارة حالاتهم بفعالية دون الحاجة إلى الأفيونات. وقد نُشرت نتائج البحث في مجلة Nature Electronics.
زرعة لاسلكية مدعومة بالذكاء الاصطناعي لإدارة الألم المزمن بشكل شخصي
حاليًا، توفر أجهزة التحفيز الكهربائي المزروعة بديلاً من خلال تحفيز الحبل الشوكي لمنع إشارات الألم من الوصول إلى الدماغ. ومع ذلك، فإن هذه الأجهزة مكلفة، وتتطلب جراحة غازية، بالإضافة إلى الحاجة لتغيير البطاريات بشكل متكرر.
طور باحثو مختبر Zhou في قسم الهندسة الطبية الحيوية بجامعة USC Viterbi بالتعاون مع مجموعة Jun Chen في UCLA حلًا مبتكرًا للألم المزمن: جهاز تحفيز لاسلكي مزروع يعتمد على الأشعة فوق الصوتية (UIWI)، مرن وقابل للارتباط بالحبل الشوكي، مصمم لإدارة الألم المزمن بشكل شخصي وتكيفي ذاتيًا.
تصميم مبتكر وميزات متقدمة
تم تصميم الجهاز ليتمدد وينحني مع حركة الجسم، ويعمل بواسطة جهاز إرسال بالأشعة فوق الصوتية قابل للارتداء دون الحاجة لبطارية. هذا التصميم يزيل العديد من الشكاوى الشائعة حول أجهزة التحفيز الحالية للحبل الشوكي. علاوة على ذلك، يستخدم الجهاز خوارزميات التعلم الآلي لتخصيص العلاج لكل مريض بشكل فردي.
يحول زرع الألم المزمن الموجات الميكانيكية إلى إشارات كهربائية عبر ظاهرة تسمى التأثير الكهروضغطي. ويعتمد قلب جهاز UIWI على عنصر كهروضغطي مصغر مصنوع من تيتانات الزركونيوم والرصاص (PZT)، وهو مادة فعالة للغاية لتحويل طاقة الأشعة فوق الصوتية إلى الطاقة الكهربائية اللازمة للتحفيز.
قال البروفيسور Qifa Zhou:
"ما يميز هذا الجهاز حقًا هو قدرته اللاسلكية والذكية والقابلة للتكيف ذاتيًا لإدارة الألم. نحن نعتقد أنه يقدم إمكانات كبيرة لاستبدال الطرق الدوائية التقليدية وأساليب التحفيز الكهربائي المعتادة، بما يتوافق مع الاحتياجات السريرية لتخفيف الألم."
إدارة الألم بشكل شخصي وديناميكي
قال يوشون (شون) زينغ، مرشح الدكتوراه في مختبر Zhou والمؤلف الرئيسي:
"يمكن للجهاز المزروع اللاسلكي الصغير إنتاج شدة تحفيز كهربائي كافية باستخدام طاقة الأشعة فوق الصوتية، ما يؤدي إلى علاج أكثر تخصيصًا واستهدافًا وموضعية."
وأوضح: "هذا النوع من التحويل الطاقي ضروري للتحفيز العميق، إذ تعد الأشعة فوق الصوتية طاقة غير غازية وعالية الاختراق في المجالات السريرية والطبية. ومن خلال الاستفادة من النقل اللاسلكي للطاقة فوق الصوتية ونظام التغذية الراجعة المغلق، يزيل جهاز UIWI الحاجة إلى البطاريات المزروعة الكبيرة، ويسمح بضبط الألم بدقة ووقت حقيقي."
وأضاف Chen Gong، مرشح دكتوراه آخر في مختبر Zhou وأحد المؤلفين الرئيسيين:
"من الناحية السريرية، يتيح دمج تقييم الألم القائم على التعلم العميق تفسيرًا ديناميكيًا والاستجابة لتقلبات الألم، وهو أمر أساسي لمراعاة اختلافات المرضى الفردية."
الذكاء الاصطناعي ومراقبة الألم في الوقت الفعلي
يعمل الجهاز من خلال مراقبة إشارات الدماغ بشكل مستمر، وبشكل محدد إشارات التخطيط الكهربائي للدماغ (EEG) للكشف عن الألم المزمن. يقوم نموذج التعلم الآلي، المبني على شبكة عصبية تسمى ResNet-18، بتحليل الإشارات وتصنيف الألم إلى ثلاث مستويات: ألم خفيف، ألم متوسط، وألم شديد. ويحقق هذا النموذج دقة إجمالية تصل إلى 94.8% في التمييز بين هذه الحالات.
بعد تحديد مستوى الألم، يقوم جهاز الإرسال القابل للارتداء تلقائيًا بضبط الطاقة الصوتية المرسلة، فيستقبل جهاز UIWI هذه الطاقة ويحولها إلى شدة كهربائية لتحفيز الحبل الشوكي، ما يخلق نظامًا مغلقًا يوفر إدارة ألم شخصية وفورية.
نتائج الاختبارات المخبرية
اختبر فريق مختبر Zhou جهاز UIWI على نماذج الفئران، وأظهرت النتائج فعاليته في إدارة الألم. وأظهرت التجارب المختبرية أن العلاج باستخدام UIWI أدى إلى تخفيضات كبيرة في مؤشرات الألم. وفي تجربة لتقييم ما إذا كانت الحيوانات ترتبط بيئة معينة بتخفيف الألم، أظهرت الفئران تفضيلًا واضحًا للحجرة التي تم فيها تفعيل نظام إدارة الألم، ما يؤكد فعالية الجهاز. وقد تمكن الباحثون من تخفيف الألم العصبي المزمن الناتج عن المحفزات الميكانيكية (مثل وخز الإبرة) والمحفزات الحرارية الحادة (الحرارة تحت الأشعة تحت الحمراء).
وقال زينغ:
"تسلط نتائجنا الضوء على إمكانات الأجهزة الإلكترونية المزروعة بالأشعة فوق الصوتية في إدارة الألم المزمن سريريًا وترجمته للعلاج الواقعي."
