Agyagátültetés 3D-ultrahanggal az idegrendszeri betegségek ellen

A 3D mátrix ultrahangátvivő a transzkraniális neurostimulációhoz képes pontosan meghatározott pontokat stimulálni az agy mélyén. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller / A 3D mátrix ultrahangátvivő a transzkraniális neurostimulációhoz precíz célzással képes specifikus pontokat stimulálni az agy mélyén. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

A terápiatervezés során a hangmezőket egy adott agyterületre számítják ki és határozzák meg. © Fraunhofer IBMT / A terápiatervezés során a hangmezőket egy adott agyterületre számítják ki és határozzák meg. © Fraunhofer IBMT

Ultraschall-Therapiesystem für die transkranielle Neurostimulation. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller / Hangsugárterápiás rendszer transzkraniális neurostimulációhoz. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

A Fraunhofer-kutatók olyan technológiát fejlesztettek ki, amellyel az ultrahangjelek felhasználhatók az agyi területek célzott stimulálására. Egy speciális ultrahangrendszer, 256 külön vezérelhető ultrahangátalakítóval, képes pontosan irányítani és stimulálni az agy mélyén lévő pontokat. A jövőben a Fraunhofer IBMT Orvosi Technológiai Intézet innovatív 3D-s hangtechnológiája alkalmazható lehet olyan betegségek kezelésében, mint például az epilepszia, Parkinson-kór, depresszió, függőségek vagy a stroke utáni következmények.

Az agy körülbelül 86 milliárd idegsejtje által generált elektromos aktivitás alapozza meg az agy képességeit arra, hogy érzékszervi benyomásokat dolgozzon fel, információkat tároljon, döntéseket hozzon és a test funkcióit irányítsa. Ennek megfelelően az olyan betegségek, mint a Parkinson, az epilepszia vagy a tremor, a jelfeldolgozástól és az idegsejtek együttműködésétől függenek. Évtizedek óta próbálkoznak a kutatók neurológiai betegségek elektromos vagy elektromágneses stimulációval történő gyógyításával. Az olyan módszerek, mint a külső mágneses mezőkkel végzett stimuláció, jelenleg még nem adnak optimális eredményeket a pontosságuk miatt. Az agyba történő elektródák operatív elhelyezése viszont nagyon kockázatos.

A Saar-vidéki St. Ingbertben dolgozó kutatók a Fraunhofer IBMT-nél nem-invazív idegstimulációt fejlesztenek ultrahang alapú módszerrel. A megfelelő alkalmazó (hangfej) egy rugalmas párnán keresztül kerül a fejre. Az ultrahangjelek olyan alacsony intenzitásúak, hogy nem károsítják a sejtszövetet, ugyanakkor a 3D-s irányítással (3D-beam-steering) nagyon pontosan fókuszálhatók. Orvosok és kutatók nagy reményeket fűznek ehhez a technológiához. A jövőben különböző neurológiai betegségek, például epilepszia vagy stroke utáni következmények kezelésére lehet majd alkalmazni. A Fraunhofer-kutatók különböző nyilvános és ipari kutatási projektek keretében fejlesztik a módszert, és németországi, EU-s, amerikai, kanadai és ausztrál partnerekkel működnek együtt.

3D-s hangjelek a mélyben stimulálnak

A Tretbar osztályvezető által vezetett csapat egy egyedülálló felépítést fejlesztett ki a technológia számára. Ez lehetővé teszi, hogy az ultrahanghullámokat az agy egyes pontjaira irányítsák, még akkor is, ha azok mélyen helyezkednek el a szövetben. Ehhez a csapat egy speciális hangfejet, 256 egyedi elemmel, ultrahang-transzducert fejlesztett ki. Minden egyes elem külön vezérelhető. Tretbar így magyarázza az alapötletet: „Az 256 elektronikus csatorna egyéni vezérlésével az ultrahangkezelés 3D-s képessé válik. A sakktábla-szerűen elrendezett elemek különböző szögekből világítják meg a kívánt agyi területet. Ezért a fókusz, vagyis a pont, ahol a sugarak találkoznak, beállítható egy adott mélységre az agyszövetben. Így az kezelés egyénileg testre szabható.”

A hangátalakítók piezoelektromos elemeket használnak. Ezek felületük változtatásával, amikor feszültséget kapnak, ultrahangot generálnak. A kutatók jelenleg a pontosság növelésén dolgoznak, két ultrahang-transzducert egyidejűleg alkalmazva, és a hanghullámokat dinamikusan keresztezik a célterületen. A nagyon kicsi, 3-5 milliméteres fókusz és a fókusz szinte bármilyen helyzetbe való beállítása a mélyben lehetővé teszi a célzott és egyben kíméletes agyi területek modulációját. Az ultrahang frekvenciái az alacsony frekvenciatartományba esnek, például 500 kHz körül. „Az ember nem érzékeli, és a kutatás jelenlegi állása szerint az ultrahang alacsony intenzitása miatt biztonságosnak tekinthető” – magyarázza Tretbar. Egy olyan kezeléshez, amelyet az orvosok becslése szerint egy ülés csak néhány percig tart, nem szükséges a haj nyírása. A fejre helyezett párnára csak kontaktgél kerül, mielőtt az ultrahangmodulummal ellátott párnát felhelyezik.

Markerpontok a mágneses rezonancia képalkotásból

A Fraunhofer IBMT csapata az ultrahang-transzducen és az elektronikán kívül kifejlesztette a szoftvert is, amely az 256 elem egyedi vezérlését lehetővé teszi. A tervezéshez szükséges adatokat a beteg vagy beteg MRI-felvételeiből nyerik. Ezeken a felvételeken megjelölik az adott idegrendszeri betegségért felelős agyi területeket és azok helyzetét. A jelöléseket egy adatállományba töltik, amelyet a vezérlő szoftverbe integrálnak. Ezekkel a pozícióadatokkal pontosan beállíthatók az ultrahangjelek. Emellett lehetőség van arra is, hogy a hangberendezést úgy programozzák, hogy a sugarak előre meghatározott szekvenciában vagy bizonyos mozgásminták követésével küldje el. Így a jövőben az orvosok személyre szabhatják az összes paramétert az egyéni igények szerint. „Ez még egy viszonylag új, de nagyon ígéretes kutatási terület. Jelenleg világszerte klinikák és kutatók dolgoznak azon, hogy ilyen ultrahang szekvenciákat fejlesszenek ki és teszteljenek” – egészíti ki Tretbar.

A Fraunhofer IBMT többéves tapasztalattal rendelkezik ultrahang-állományok, többcsatornás ultrahangrendszerek és hanghullámok formálása terén beam-steering segítségével. Ezen szakértelem alapján egy univerzális technológiai platform jött létre, amely folyamatosan fejlesztés alatt áll. „A kutatók felhasználhatják technológiai platformunkat különféle terápiák kifejlesztésére és jövőben klinikai tesztekben való kipróbálására” – mondja Tretbar.

A tünetek enyhítése

Az orvosok nem várnak teljes gyógyulást az olyan betegségek esetén, mint például a Parkinson vagy az epilepszia, de legalább a tünetek észrevehető enyhülését. Emellett a ultrahang ígéretes alternatívát jelent a hagyományos gyógyszerekkel szemben. Hosszú távon a technológia lehetőséget adhat olyan szcenáriók kidolgozására is, mint az Alzheimer-kórban lévő plakkok feloldása vagy depresszió és idegrendszeri eredetű függőségek kezelése.

A Fraunhofer-csapat különböző projektpartnerekkel és egyetemekkel működik együtt. Prof. Andreas Melzer, a Lipcsei Egyetem Computer Assisted Surgery ICCAS Innovációs Központ igazgatója nagy reményeket fűz az új technológiához: „Az a lehetőség, hogy pontosan eltaláljuk a mélyen fekvő pontokat az agyban, valamint az ultrahangjelek szekvenciálásának lehetősége új lehetőségeket nyit a személyre szabott idegstimuláció kipróbálására és fejlesztésére.”