Onderzoekers van Fraunhofer hebben een technologie ontwikkeld die gebruikmaakt van echografiesignalen om bepaalde gebieden in de hersenen gericht te kunnen stimuleren. Met behulp van een speciaal echografiesysteem, met 256 afzonderlijk regelbare transducers, kunnen individuele punten diep in de hersenen getarget worden om te stimuleren met geluidssignalen. Volgens de ontwikkelaars zou deze innovatieve 3D-geluidstechnologie in de toekomst mogelijk ingezet kunnen worden om aandoeningen als Parkinson, epilepsie, depressie, verslavingen en de gevolgen van een beroerte te behandelen.
Hersenen hebben dankzij de elektrische activiteit van zo’n 86 miljard neuronen het vermogen geeft om sensorische input te verwerken, informatie op te slaan, beslissingen te nemen en lichaamsfuncties te controleren. Dit betekent ook dat ziekten en aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson, epilepsie en tremoren afhankelijk zijn van signaalverwerking en van interactie tussen de zenuwcellen. Neurostimulatie, met elektrische pulsen, om de symptomen van ziektes zoals Parkinson behandelen, is een technologie die volop in ontwikkeling is. Begin dit jaar werd in het ETZ bijvoorbeeld een nieuw type, en uiterst compacte, neurostimulator geïmplanteerd bij een patiënt.
Elektro(magnetische) stimulatie
Gewapend met deze kennis hebben onderzoekers de afgelopen decennia gewerkt aan de behandeling van neurologische problemen met elektrische of elektromagnetische stimulatie van de relevante hersengebieden. Maar methoden zoals simulatie met behulp van externe magnetische velden hebben nog geen optimale resultaten opgeleverd vanwege de relatief lage precisie van hun effecten. Neurochirurgie zoals in de context van Deep Brain Stimulation (DBS) is momenteel de klinische standaard als het gaat om therapeutische hersenstimulatie. Het blijft echter een riskante procedure vanwege mogelijke bijwerkingen zoals bloedingen of infecties.
Wetenschappers van Fraunhofer IBMT in St. Ingbert werken aan manieren om echografie te gebruiken voor niet-invasieve neurostimulatie van deze hersengebieden. De applicator (een echosonde die bekendstaat als een transducer) wordt op het hoofd geplaatst met behulp van een flexibel kussentje. De ultrasone signalen zijn van zo'n lage intensiteit dat ze het celweefsel niet beschadigen, terwijl ze tegelijkertijd nauwkeurig kunnen worden gefocust dankzij een functie die bekendstaat als 3D-bundelsturing.
3D-geluidssignalen voor diepe stimulatie
Het team van Fraunhofer-onderzoekers een uniek systeem voor de nieuwe technologie bedacht. Deze aanpak maakt het mogelijk om de ultrasone golven op individuele punten in de hersenen te richten en ze te targeten, zelfs als ze zich diep in het weefsel bevinden. Om dit te bereiken, ontwikkelde het team een speciale ultrasone transducer met 256 afzonderlijke elementen, die elk afzonderlijk kunnen worden aangestuurd. Afdelingshoofd Steffen Tretbar legt het idee uit: "Door de 256 elektronische kanalen afzonderlijk aan te sturen, is de ultrasone behandeling 3D-geschikt. De transducerelementen zijn gerangschikt als een dambord en ze richten zich vanuit verschillende hoeken op het gewenste gebied van de hersenen. Dat betekent dat de focus - het punt waar de stralen elkaar ontmoeten - kan worden ingesteld op een bepaalde diepte in het hersenweefsel, zodat de behandeling kan worden afgestemd op individuele patiënten."
Voor de transducers maken de onderzoekers van Fraunhofer gebruik van piëzo-elektrische elementen. Deze elementen ondergaan oscillaties wanneer er spanning op wordt gezet, waardoor er ultrageluid ontstaat. De onderzoekers werken momenteel aan het verder verbeteren van de precisie door twee ultrageluidtransducers tegelijk te gebruiken en de bundels dynamisch te kruisen in het doelgebied. Door een zeer nauwe focus van tussen de drie en vijf millimeter te combineren met een vrijwel onbeperkte plaatsing van de focus diep in de hersenen, is het mogelijk om de verschillende hersengebieden nauwkeurig en gericht te moduleren zonder het weefsel te beschadigen.
De gebruikte ultrageluidfrequenties liggen aan de lage kant van het bereik, onder de 1 MHz. Er kan bijvoorbeeld een frequentie van ongeveer 500 kHz worden gebruikt. "De persoon voelt niets en omdat de ultrageluidsintensiteit laag is in het bereik van wat wordt toegepast voor diagnose, zijn er volgens de huidige stand van het onderzoek geen negatieve bijwerkingen op het weefsel", legt Tretbar uit. Het is niet nodig om het gebied voor de behandeling te scheren en medische professionals schatten dat een therapiesessie slechts enkele minuten duurt. De enige voorbereiding die nodig is voordat het kussen met de echografiemodule op het hoofd kan worden geplaatst, is het masseren van een contactgel in het haar van de patiënt.
Magnetic Resonance Imaging
Naast de echografietransducer en elektronische componenten ontwikkelde het team van Fraunhofer IBMT ook de software die wordt gebruikt om de 256 afzonderlijke elementen van de transducer te besturen. De software haalt de gegevens die nodig zijn voor planningsdoeleinden uit MRI-scans van die patiënt. De hersengebieden die verantwoordelijk zijn voor het specifieke neurologische probleem van de patiënt en hun positionering worden gemarkeerd in de afbeelding. Deze markeringen worden vervolgens opgenomen in een databestand dat wordt ingevoerd in de besturingssoftware. De positiegegevens kunnen worden gebruikt om de echografiesignalen precies naar de gewenste plek te leiden.
Het is ook mogelijk om het echografieapparaat te programmeren om de stralen in een vooraf gedefinieerde volgorde te verzenden of specifieke bewegingspatronen te volgen. Dit betekent dat artsen in de toekomst alle parameters van het apparaat individueel voor elke patiënt kunnen instellen. "Dit is nog steeds een heel nieuw onderzoeksgebied, maar het is ook zeer veelbelovend. Op dit moment werken medische centra en onderzoekers over de hele wereld aan het ontwikkelen en testen van dit soort echografiesequenties", aldus Tretbar.
Geen genezing, maar hoge verwachtingen
Artsen verwachten niet dat echografiebehandelingen ziekten als Parkinson of epilepsie kunnen genezen, maar ze geloven wel dat het een merkbaar effect zal hebben op het verlichten van symptomen. Echografie is ook een veelbelovend alternatief voor conventionele medicijnen. Op de lange termijn zou de nieuwe technologie mogelijk ook kunnen worden gebruikt in scenario's zoals het afbreken van plaque in de hersencellen van mensen met de ziekte van Alzheimer of om depressie en verslavingsstoornissen te behandelen die worden veroorzaakt door neurologische factoren.
Zowel artsen als onderzoekers hebben dus hoge verwachtingen van de nieuwe technologie. In de toekomst zou het kunnen worden gebruikt om een breed scala aan neurologische ziekten en aandoeningen te behandelen, zoals epilepsie of om de gevolgen van een beroerte te behandelen. De Fraunhofer-onderzoekers ontwikkelen de methode als onderdeel van verschillende openbare en industriële onderzoeksprojecten, waarbij ze samenwerken met partners in Duitsland, elders in de EU en in de VS, Canada en Australië.
