Stimulace mozku pomocí 3D ultrazvuku proti neurologickým onemocněním

3D maticový ultrazvukový snímač pro transkraniální neurostimulaci je schopen přesně stimulovat určité body hlouběji v mozku. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller / 3D maticový ultrazvukový snímač pro transkraniální neurostimulaci může s přesností cílit na specifické body hluboko uvnitř mozku. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

V plánování terapie jsou akustická pole vypočítána a stanovena pro konkrétní oblast mozku. © Fraunhofer IBMT / In therapy planning, the sound fields are calculated and defined for a specific region of the brain. © Fraunhofer IBMT

Ultrazvukový terapeutický systém pro transkraniální neurostimulaci. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller / Ultrasound therapy system for transcranial neurostimulation. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Fraunhoferovi výzkumníci vyvinuli technologii, která umožňuje využití ultrazvukových signálů pro cílenou stimulaci oblastí mozku. Speciální ultrazvukový systém s 256 samostatně ovládanými ultrazvukovými měniči je schopen přesně cílit a stimulovat jednotlivé body v hloubce mozku. V budoucnu by mohla inovativní 3D technologie zvuku Fraunhoferova institutu pro biomedicínskou techniku IBMT být využita při léčbě nemocí, jako jsou epilepsie, Parkinsonova choroba, deprese, závislosti nebo také následky mrtvice.

Elektrická aktivita přibližně 86 miliard nervových buněk je základem schopností mozku zpracovávat smyslové podněty, ukládat informace, rozhodovat a řídit funkce těla. V souladu s tím jsou i nemoci jako Parkinsonova choroba, epilepsie nebo třes závislé na zpracování signálů a spolupráci nervových buněk. Desetiletí se výzkumníci snaží léčit neurologická onemocnění pomocí elektrické nebo elektromagnetické stimulace příslušných oblastí mozku. Metody jako stimulace pomocí magnetických polí zvenčí však zatím nedosahují optimálních výsledků kvůli relativně nízké přesnosti zásahu. Chirurgické umístění elektrod do mozku je naopak velmi riskantní.

Vědci z Fraunhofer IBMT v Saarlandu ve St. Ingbertu pracují na neinvazivní neurostimulaci mozkových oblastí na základě ultrazvuku. Příslušný aplikátor (zvuková hlava) se přikládá na hlavu přes flexibilní podložku. Jeho ultrazvukové signály jsou tak nízké intenzity, že nepoškozují buněčné tkáně, a zároveň je lze díky 3D řízení paprsku (3D-beam steering) velmi přesně zaměřit. Lékaři a výzkumníci proto vkládají velké naděje do této technologie. V budoucnu by mohla být využita při léčbě různých neurologických onemocnění, například epilepsie, nebo při léčbě následků mrtvice. Výzkumníci z Fraunhoferu vyvíjejí tento postup v rámci různých veřejných a průmyslových výzkumných projektů ve spolupráci s partnery z Německa, EU, USA, Kanady a Austrálie.

3D zvukové signály stimulují ve hloubce

Výzkumníci z Fraunhoferu v týmu vedoucího oddělení Steffena Tretbara vyvinuli pro tuto technologii jedinečnou konstrukci. Ta umožňuje zaměřit ultrazvukové vlny na jednotlivé body v mozku a cíleně je oslovit i tehdy, když se nacházejí hluboko v tkáni. Tým vyvinul speciální zvukovou hlavu s 256 jednotlivými prvky, ultrazvukový transducer. Každý z těchto 256 prvků lze ovládat samostatně. Steffen Tretbar vysvětluje základní myšlenku: „Pomocí individuálního ovládání 256 elektronických kanálů je ultrazvuková léčba schopná 3D zaměření. Elementy uspořádané ve šachovnici osvěcují požadovanou oblast mozku z různých úhlů. Díky tomu lze zaostření, tedy bod, kde se paprsky setkávají, nastavit na určitá hloubku v mozkových tkáních. Tato metoda umožňuje individuální přizpůsobení léčby pacientům.“

Pro zvukové hlavy využívají výzkumníci z Fraunhofer piezoelektrické prvky. Ty mění svůj povrch při přivedení napětí a tím produkují ultrazvuk. Momentálně pracují na dalším zvýšení přesnosti tím, že současně používají dva ultrazvukové transducery a dynamicky kříží paprsky v cílové oblasti. Kombinace velmi malého zaostření o velikosti tří až pěti milimetrů a téměř libovolného umístění zaostření v hloubce mozku umožňuje cílenou a zároveň šetrnou modulaci mozkových oblastí. Frekvence ultrazvuku se pohybují v nízkofrekvenčním rozsahu pod 1 MHz, například kolem 500 kHz. „Člověk nic necítí a ultrazvuk je díky své nízké intenzitě podle současného stavu výzkumu nezávadný,“ vysvětluje Tretbar. Pro léčbu, která by podle odhadů lékařů měla trvat jen několik minut na sezení, není třeba holit vlasy. Před přiložením podložky s ultrazvukovým modulem na hlavu stačí do vlasů vetřít kontaktní gel.

Markerové body z magnetické rezonance

Tým Fraunhofer IBMT kromě ultrazvukového transduceru a elektroniky vyvinul také software, který ovládá jednotlivé prvky zvukové hlavy. Data potřebná pro plánování získává software z výsledků magnetické rezonance pacienta nebo pacientky. V nich jsou označeny oblasti mozku odpovědné za dané neuronální onemocnění a jejich poloha. Tyto značky se vloží do datové sady, která se načte do řídicího softwaru. S těmito polohovými daty lze ultrazvukové signály přesně zarovnat. Je také možné naprogramovat ultrazvukové zařízení tak, aby vysílalo paprsky v předem stanovené sekvenci nebo sledovalo určitá pohybová vzory. To by v budoucnu umožnilo lékařům individuálně nastavovat všechny parametry pro každého člověka. „Je to ještě poměrně nové, ale velmi slibné výzkumné pole. Momentálně na vývoji takových ultrazvukových sekvencí pracují kliniky a výzkumníci po celém světě,“ doplňuje Tretbar.

Fraunhofer IBMT má dlouholeté zkušenosti s vývojem ultrazvukových polí, vícekanálových ultrazvukových systémů a tvarování zvukových paprsků pomocí beam steeringu. Na základě této expertízy vznikla univerzální platforma technologií, která je neustále dále rozvíjena. „Výzkumníci mohou naši technologickou platformu využít k vývoji různých terapií a v budoucnu ji také testovat v klinických studiích,“ říká Tretbar.

Zmírnění symptomů

Lékaři sice od ultrazvukové léčby u onemocnění jako Parkinson nebo epilepsie nečekají úplné vyléčení, ale alespoň zmírnění příznaků, které je patrné. Navíc ultrazvuk představuje slibnou alternativu k tradičním lékům. Dlouhodobě je s novou technologií možné uvažovat o scénářích, jako je rozpuštění plaků v mozkových buňkách při Alzheimerově chorobě nebo léčba deprese a neuronálně podmíněných závislostí.

Fraunhoferův tým spolupracuje s výzkumníky z různých projektových partnerů a univerzit. Prof. Andreas Melzer, ředitel Inovačního centra počítačem asistované chirurgie ICCAS na Lipské univerzitě, vkládá do této nové technologie velké naděje: „Možnost přesně zasáhnout i hluboce uložené body v mozku a sekvencování ultrazvukových signálů otevírá v budoucnu úplně nové možnosti, jak zkoumat a rozvíjet individuální neurostimulaci.“