Hersenstimulatie met 3D-ultragel tegen neurologische aandoeningen

De 3D-matrix-ultrasone transducer voor transcraniële neurostimulatie is in staat om precies bepaalde punten diep in de hersenen te stimuleren. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller / De 3D-matrix-ultrasone transducer voor transcraniële neurostimulatie kan met precisie gerichte punten diep in de hersenen stimuleren. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

In de therapieplanning worden de geluidsvelden berekend en vastgesteld voor een specifiek gebied in de hersenen. © Fraunhofer IBMT / In therapy planning, the sound fields are calculated and defined for a specific region of the brain. © Fraunhofer IBMT

Ultrasone therapiesysteem voor transcraniële neurostimulatie. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller / Ultrasound therapy system for transcranial neurostimulation. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Fraunhofer-Forschende hebben een technologie ontwikkeld waarmee ultrasone signalen kunnen worden gebruikt voor gerichte stimulatie van hersengebieden. Een speciaal ultrasoonsysteem met 256 afzonderlijk aanstuurbare ultrasone transducers is in staat om individuele punten in de diepte van de hersenen met geluidssignalen nauwkeurig aan te sturen en te stimuleren. In de toekomst zou de innovatieve 3D-geluidstechnologie van het Fraunhofer-Instituut voor Biomedische Technologie IBMT kunnen worden ingezet bij de behandeling van ziekten zoals epilepsie, Parkinson, depressie, verslavingen of ook de gevolgen van beroertes.

De elektrische activiteit van ongeveer 86 miljard zenuwcellen vormt de basis voor de vaardigheden van de hersenen om zintuiglijke indrukken te verwerken, informatie op te slaan, beslissingen te nemen en lichaamsfuncties te regelen. Dienovereenkomstig hangen ook aandoeningen zoals Parkinson, epilepsie of tremor af van de signaalverwerking en de samenwerking van zenuwcellen. Al decennia lang proberen onderzoekers neurologische aandoeningen te behandelen door middel van elektrische of elektromagnetische stimulatie van de betreffende hersengebieden. Methoden zoals stimulatie met externe magnetische velden leveren momenteel nog geen optimale resultaten op vanwege de relatief geringe precisie waarmee ze werken. Het operatief plaatsen van elektroden in de hersenen is daarentegen zeer riskant.

Wetenschappers van het Fraunhofer IBMT in Saarland werken aan een niet-invasieve neurostimulatie van hersengebieden op basis van ultrasoon geluid. De bijbehorende applicator (geluidskop) wordt via een flexibel matje op het hoofd geplaatst. De ultrasoon signalen hiervan zijn van zo'n lage intensiteit dat ze het weefsel niet beschadigen, en kunnen tegelijkertijd zeer nauwkeurig worden gefocust door middel van 3D-beam steering (3D-geleiding van de straal). Artsen en onderzoekers hebben daarom grote verwachtingen van de technologie. In de toekomst zou deze kunnen worden ingezet voor de behandeling van diverse neurologische aandoeningen zoals epilepsie of voor de behandeling van de gevolgen van beroertes. De onderzoekers van het Fraunhofer-instituut ontwikkelen de procedure in het kader van verschillende publieke en industriële onderzoeksprojecten en werken daarbij samen met partners uit Duitsland, de EU, de VS, Canada en Australië.

3D-geluidssignalen stimuleren in de diepte

De onderzoekers van het Fraunhofer IBMT onder leiding van afdelingshoofd Steffen Tretbar hebben een unieke opbouw ontwikkeld voor de technologie. Deze maakt het mogelijk om de ultrasoon golven op individuele punten in de hersenen te richten en ze ook dan gericht aan te spreken, wanneer ze diep in het weefsel liggen. Hiervoor heeft het team een speciale geluidskop met 256 enkelvoudige elementen ontwikkeld, een ultrasoon transducer. Elk van de 256 elementen van de transducer kan afzonderlijk worden aangestuurd. Tretbar legt de basisgedachte uit: "Door een individuele aansturing van de 256 elektronische kanalen wordt de ultrasoonbehandeling 3D-vaardig. De schaakbord-achtig gerangschikte elementen van de transducer bestralen het gewenste hersengebied vanuit verschillende hoeken. Daardoor kan de focus, dus het punt waar de stralen samenkomen, op een bepaalde diepte in het hersenweefsel worden gezet. Zo kan de behandeling voor patiënten individueel worden aangepast."

Voor de transducers gebruiken de onderzoekers piezo-elektrische elementen. Deze veranderen hun oppervlak wanneer er een spanning op wordt aangelegd en produceren zo ultrasoon geluid. Momenteel werken de onderzoekers aan een verdere verbetering van de nauwkeurigheid door twee ultrasoon transducers gelijktijdig te gebruiken en de geluidsgolven dynamisch in het doelgebied te kruisen. De combinatie van een zeer kleine focus tussen drie en vijf millimeter en een vrijwel willekeurige plaatsing van de focus in de diepte van de hersenen biedt de mogelijkheid voor gerichte en tegelijkertijd mildere modulatie van hersengebieden. De ultrasoonfrequenties bevinden zich in het laagfrequente bereik onder 1 MHz, bijvoorbeeld rond 500 kHz. "De mens merkt er niets van en de ultrasoon is vanwege de lage intensiteit volgens de huidige stand van onderzoek ongevaarlijk," legt Tretbar uit. Voor een behandeling die volgens schattingen van artsen slechts enkele minuten per sessie zal duren, hoeft het haar niet te worden weggeschoren. Voordat het matje met de ultrasoonmodule op het hoofd wordt geplaatst, hoeft alleen een contactgel in het haar te worden gemasseerd.

Markerpunten uit magnetresonantietomografie

Het team van het Fraunhofer IBMT heeft naast de ultrasoon transducer en de elektronica ook de software ontwikkeld waarmee de 256 elementen van de transducer afzonderlijk kunnen worden aangestuurd. De voor de planning benodigde gegevens ontvangt de software uit de resultaten van een magnetresonantietomografie (MRI) van de patiënt. Hierin worden de hersengebieden en hun positie gemarkeerd die verantwoordelijk zijn voor de betreffende neuronale aandoening. De markeringen worden opgenomen in een dataset die wordt ingevoerd in de besturingssoftware. Met deze positiedata kunnen de ultrasoon signalen nauwkeurig worden uitgelijnd. Het is bovendien mogelijk om de ultrasoonapparatuur zo te programmeren dat de stralen in een vooraf gedefinieerde sequentie worden verzonden of bepaalde bewegingspatronen volgen. Zo kunnen artsen in de toekomst alle parameters individueel voor de persoon instellen. "Dit is nog een vrij nieuw, maar veelbelovend onderzoeksgebied. Momenteel werken klinieken en onderzoekers wereldwijd aan het ontwikkelen en testen van dergelijke ultrasoonsequenties," voegt Tretbar toe.

Het Fraunhofer IBMT heeft jarenlange ervaring in de ontwikkeling van ultrasoonarrays, multi-kanaals ultrasoonsystemen en de vorming van geluidsgolven via beam steering. Op basis van deze expertise is een universeel inzetbare technologische platform ontstaan dat voortdurend wordt verderontwikkeld. "Onderzoekers kunnen ons technologische platform gebruiken om allerlei verschillende therapieën te ontwikkelen en in de toekomst ook in klinische proefreeksen te testen," zegt Tretbar.

Verlichting van symptomen

Artsen verwachten van de ultrasoonbehandeling bij aandoeningen zoals Parkinson en epilepsie niet een volledige genezing, maar in ieder geval een voelbare verlichting van de symptomen. Bovendien vormt ultrasoon geluid een veelbelovend alternatief voor klassieke medicijnen. Op de lange termijn zijn met de nieuwe technologie ook scenario's denkbaar zoals het oplossen van plaques in de hersencellen bij Alzheimer, of de behandeling van depressies en neuronale verslavingen.

Het Fraunhofer-team werkt samen met onderzoekers van verschillende projectpartners en universiteiten. Prof. Andreas Melzer, directeur van het Innovation Center Computer Assisted Surgery (ICCAS) aan de Universiteit Leipzig, heeft grote verwachtingen van de nieuwe technologie: "De mogelijkheid om ook diepliggende punten in de hersenen precies te raken, evenals de sequencing van de ultrasoon signalen, opent in de toekomst geheel nieuwe mogelijkheden om individuele neurostimulatie te testen en te ontwikkelen."