Ingeniører bygger mindste volumen, mest effektive trådløse nervestimulator

I 2016 University of California, Berkeley, ingeniører demonstrerede den første implanterede, ultralyds neurale støvsensorer, bringe dagen tættere på, hvor en Fitbit-lignende enhed kunne overvåge indre nerver, muskler eller organer i realtid. Nu, Berkeleys ingeniører har taget neuralt støv et skridt fremad ved at bygge det mindste volumen, mest effektive trådløse nervestimulator til dato.

Enheden, kaldet StimDust, forkortelse for stimulerende neuralt støv, tilføjer mere sofistikeret elektronik til neuralt støv uden at ofre teknologiens lille størrelse eller sikkerhed, udvider udvalget af neurale støvapplikationer kraftigt. Forskernes mål er at få StimDust implanteret i kroppen gennem minimalt invasive procedurer for at overvåge og behandle sygdom i realtid, patientspecifik tilgang. StimDust er kun 6,5 kubikmillimeter i volumen og drives trådløst af ultralyd, som enheden derefter bruger til at drive nervestimulation med en effektivitet på 82 procent.

"StimDust er den mindste dybe vævsstimulator, som vi er klar over, og som er i stand til at stimulere næsten alle de vigtigste terapeutiske mål i det perifere nervesystem, " sagde Rikky Muller, medleder af arbejdet og assisterende professor i elektroteknik og datalogi ved Berkeley. "Denne enhed repræsenterer vores vision om at have små enheder, der kan implanteres på minimalt invasive måder for at modulere eller stimulere det perifere nervesystem, som har vist sig at være effektiv til behandling af en række sygdomme."

Forskningen vil blive præsenteret 10. april på IEEE Custom Integrated Circuits Conference i San Diego. Forskerteamet blev ledet af en af ​​neuralt støvs opfindere, Michel Maharbiz, professor i elektroteknik og datalogi i Berkeley.

Skabelsen af ​​neuralt støv i Berkeley, ledet af Maharbiz og Jose Carmena, en Berkeley-professor i elektroteknik og datalogi og medlem af Helen Wills Neuroscience Institute, har åbnet døren for trådløs kommunikation til hjernen og det perifere nervesystem gennem bittesmå implanterbare enheder inde i kroppen, der drives af ultralyd. Ingeniørhold over hele verden bruger nu den neurale støvplatform til at bygge enheder, der kan oplades trådløst ved ultralyd.

Maharbiz kom op med ideen om at bruge ultralyd til at forsyne og kommunikere med meget små implantater. Sammen med Berkeley-professorerne Elad Alon og Jan Rabaey, gruppen udviklede derefter den tekniske ramme til at demonstrere skaleringskraften af ​​ultralyd til implanterbare enheder.

Tidligt ingeniørarbejde af D.J. Seo, en Berkeley Ph.D. studerende, der blev rådgivet af Alon og Maharbiz, efterfulgt af eksperimentelle valideringer af Ryan Neely, en anden Berkeley Ph.D. studerende, rådgivet af Carmena, sætte grundlaget for det neurale støvsyn. I årene siden neuralt støvs opfindelse, ultralyd har vist sig at være blandt de mest lovende teknologier til at drive og kommunikere implanterbare enheder.

Muller kom til Berkeley i 2016 og har været en vigtig drivkraft bag neural støvinnovation. Hendes forskningsgruppe har specialiseret sig i tovejs elektroniske grænseflader med menneskekroppen, specifikt i hjernen og det perifere nervesystem. Hendes team har arbejdet på måder at bruge den kraft, der kan overføres til neuralt støv. I StimDust, hendes laboratorium har taget den neurale støvplatform og bygget en mere effektiv stimulator, der kan vikle rundt om en nervemanchet og også kan optage, sende og modtage data. De gjorde dette ved at designe et tilpasset integreret kredsløb til at overføre ultralydsladning til nerven i et velkontrolleret, sikker og effektiv måde.

StimDust er omkring en størrelsesorden mindre end nogen aktiv enhed med lignende egenskaber, som forskerholdet er klar over. Komponenterne i StimDust inkluderer en enkelt piezokrystal, som er systemets antenne, et integreret kredsløb på 1 millimeter og en opladningskondensator. StimDust har elektroder i bunden, som får kontakt med en nerve gennem en manchet, der vikler rundt om nerven. Ud over enheden, Mullers team har designet en brugerdefineret trådløs protokol, der giver dem en lang række programmerbarheder og samtidig opretholder effektiviteten. Hele enheden er drevet af kun 4 mikrowatt og har en masse på 10 milligram.

Efter at have testet StimDust på bordpladen, forskerholdet implanterede det i en levende gnaver for at teste det i et realistisk miljø. Gennem en manchet omkring iskiasnerven, forskerholdet var i stand til at kontrollere bagbenets bevægelse, optag stimulationsaktiviteten og mål, hvor meget kraft der blev udøvet på bagbensmusklen, da den blev stimuleret. Forskerne øgede derefter gradvist stimulationen og kortlagde responsen fra bagbensmusklen, så de kunne vide præcis, hvor meget stimulering der skulle til for en ønsket muskelrekruttering, en slags sofistikeret analyse, der kræves af medicinsk udstyr.

Muller håber, at hendes arbejde kan føre til anvendelse af StimDust til behandling af sygdomme som hjerteuregelmæssigheder, kronisk smerte, astma eller epilepsi.

"En af de store visioner for min gruppe er at skabe disse meget effektive tovejs grænseflader med nervesystemet og koble det sammen med intelligens for virkelig at forstå sygdomssignalerne og derefter være i stand til at behandle sygdomme på en intelligent måde. metodisk måde, " sagde Muller. Der er en utrolig mulighed for sundhedsapplikationer, der virkelig kan være transformative."