Stymulacja mózgu za pomocą ultradźwięków 3D przeciw chorobom neurologicznym

Trójwymiarowy przetwornik ultradźwiękowy do neurostymulacji przezczaszkowej jest w stanie precyzyjnie stymulować określone punkty głęboko w mózgu. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller / Trójwymiarowy przetwornik ultradźwiękowy do neurostymulacji przezczaszkowej może precyzyjnie stymulować wybrane punkty głęboko w mózgu. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

W planowaniu terapii pola dźwiękowe są obliczane i określane dla konkretnego obszaru mózgu. © Fraunhofer IBMT / In therapy planning, the sound fields are calculated and defined for a specific region of the brain. © Fraunhofer IBMT

System terapii ultradźwiękowej do neurostymulacji transkranialnej. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller / Ultrasound therapy system for transcranial neurostimulation. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Fraunhofer-Forscherzy opracowali technologię, która pozwala na wykorzystywanie sygnałów ultradźwiękowych do celowanej stymulacji obszarów mózgu. Specjalny system ultradźwiękowy z 256 indywidualnie sterowanymi przetwornikami ultradźwiękowymi jest w stanie precyzyjnie skierować i stymulować pojedyncze punkty głęboko w mózgu. W przyszłości innowacyjna technologia dźwięku 3D instytutu Fraunhofer IBMT w dziedzinie medycznej może znaleźć zastosowanie w leczeniu chorób takich jak epilepsja, Parkinson, depresja, uzależnienia czy też skutki udaru.

Aktywność elektryczna około 86 miliardów komórek nerwowych stanowi podstawę zdolności mózgu do przetwarzania bodźców zmysłowych, przechowywania informacji, podejmowania decyzji i kontrolowania funkcji ciała. W związku z tym choroby takie jak Parkinson, epilepsja czy drżenie zależą od przetwarzania sygnałów i współdziałania komórek nerwowych. Od dziesięcioleci naukowcy próbują leczyć choroby neurologiczne poprzez elektryczną lub elektromagnetyczną stymulację odpowiednich obszarów mózgu. Jednak metody takie jak stymulacja za pomocą zewnętrznych pól magnetycznych nie dają jeszcze optymalnych rezultatów ze względu na ich relatywnie niską precyzję działania. Operacyjne umieszczanie elektrod w mózgu jest natomiast bardzo ryzykowne.

Naukowcy z Fraunhofer IBMT w Saarlandzie, w St. Ingbert, pracują nad nieinwazyjną neurostymulacją obszarów mózgu opartą na ultradźwiękach. Odpowiedni aplikator (głowica dźwiękowa) jest umieszczany na głowie za pomocą elastycznej nakładki. Sygnały ultradźwiękowe tego systemu są tak niskiej intensywności, że nie uszkadzają tkanki komórkowej, a jednocześnie można je bardzo precyzyjnie skupić dzięki trójwymiarowemu sterowaniu wiązką dźwiękową (3D-Beam-Steering). Lekarze i naukowcy pokładają więc wielkie nadzieje w tej technologii. W przyszłości może ona znaleźć zastosowanie w terapii różnych chorób neurologicznych, takich jak epilepsja, czy w leczeniu skutków udaru. Naukowcy z Fraunhofer rozwijają tę metodę w ramach różnych projektów publicznych i przemysłowych, współpracując z partnerami z Niemiec, UE, USA, Kanady i Australii.

3D sygnały dźwiękowe stymulują głęboko

Naukowcy z Fraunhofer, w zespole kierowanym przez kierownika działu Steffena Tretbara, opracowali unikalną konstrukcję systemu. Umożliwia ona skierowanie fal ultradźwiękowych na pojedyncze punkty w mózgu i precyzyjne ich celowanie, nawet gdy znajdują się głęboko w tkance. Zespół opracował specjalną głowicę dźwiękową z 256 pojedynczymi elementami, czyli ultradźwiękowy przetwornik. Każdy z 256 elementów można sterować indywidualnie. Steffen Tretbar wyjaśnia podstawową ideę: „Dzięki indywidualnemu sterowaniu 256 kanałami elektronicznymi możliwa jest terapia ultradźwiękowa w 3D. Elementy ułożone w szachownicę emitują wiązki dźwiękowe pod różnymi kątami na wybrany obszar mózgu. W ten sposób można ustawić punkt skupienia, czyli miejsce, w którym wiązki się spotykają, na określonej głębokości w tkance mózgowej. Terapia jest więc indywidualnie dostosowywana do pacjentów.”

Do produkcji głowic ultradźwiękowych naukowcy z Fraunhofer używają elementów piezoelektrycznych. Zmieniają one swoją powierzchnię po nałożeniu napięcia, co generuje ultradźwięki. Obecnie pracują nad dalszym zwiększeniem precyzji, stosując jednocześnie dwa ultradźwiękowe przetworniki i dynamicznie krzyżując wiązki dźwiękowe w docelowym obszarze. Połączenie bardzo małego fokusu, wynoszącego od trzech do pięciu milimetrów, z niemal dowolnym umiejscowieniem punktu skupienia w głębi mózgu umożliwia precyzyjną i jednocześnie łagodną modulację obszarów mózgu. Frequencje ultradźwięków mieszczą się w zakresie niskich częstotliwości poniżej 1 MHz, na przykład około 500 kHz. „Ludzie niczego nie odczuwają, a ultradźwięki, ze względu na niską intensywność, są według obecnych badań bezpieczne” – wyjaśnia Tretbar. Do terapii, która według szacunków lekarzy będzie trwała tylko kilka minut na sesję, nie trzeba golić włosów. Przed nałożeniem nakładki z modułem ultradźwiękowym na głowę wystarczy wmasować w włosy żel kontaktowy.

Punkty markerowe z rezonansu magnetycznego

Zespół Fraunhofer IBMT opracował oprócz ultradźwiękowego przetwornika i elektroniki także oprogramowanie, które steruje 256 elementami głowicy dźwiękowej. Dane potrzebne do planowania uzyskuje ono z wyników rezonansu magnetycznego pacjenta. W nich zaznacza się obszary mózgu odpowiedzialne za daną chorobę neurologiczną oraz ich pozycję. Markery te trafiają do zbioru danych, który jest wczytywany do systemu sterowania. Na podstawie tych danych można precyzyjnie ustawić kierunek wiązek ultradźwiękowych. Dodatkowo możliwe jest zaprogramowanie urządzenia tak, aby wiązki były wysyłane w określonej sekwencji lub podążały za określonymi wzorcami ruchu. W ten sposób w przyszłości lekarze będą mogli indywidualnie ustalać parametry dla każdego pacjenta. „To jeszcze dość nowa, ale bardzo obiecująca dziedzina badań. Obecnie na całym świecie kliniki i naukowcy pracują nad opracowaniem i testowaniem takich sekwencji ultradźwięków” – dodaje Tretbar.

Fraunhofer IBMT posiada wieloletnie doświadczenie w opracowywaniu układów ultradźwiękowych, wielokanałowych systemów ultradźwiękowych oraz kształtowania wiązek dźwiękowych za pomocą Beam-Steering. Na bazie tej wiedzy powstała uniwersalna platforma technologiczna, która jest stale rozwijana. „Naukowcy mogą korzystać z naszej platformy technologicznej do opracowywania różnych terapii i w przyszłości testowania ich w badaniach klinicznych” – mówi Tretbar.

Łagodzenie objawów

Lekarze nie oczekują od terapii ultradźwiękowej przy chorobach takich jak Parkinson czy epilepsja pełnego wyleczenia, ale przynajmniej zauważalnej ulgi w objawach. Ponadto ultradźwięki stanowią obiecującą alternatywę dla tradycyjnych leków. W dłuższej perspektywie nowa technologia może umożliwić m.in. rozpuszczanie złogów w komórkach mózgowych przy chorobie Alzheimera czy leczenie depresji i neuronalnych uzależnień.

Zespół Fraunhofer współpracuje z naukowcami z różnych partnerów projektowych i uniwersytetów. Prof. Andreas Melzer, dyrektor Centrum Innowacji Computer Assisted Surgery ICCAS na Uniwersytecie Lipskim, pokłada wielkie nadzieje w tej nowatorskiej technologii: „Możliwość precyzyjnego trafienia w głęboko położone punkty w mózgu oraz sekwencjonowania wiązek ultradźwiękowych otwiera w przyszłości zupełnie nowe możliwości testowania i rozwoju indywidualnej neurostymulacji.”