Ultraschallsystem Gezielte Gehirnstimulation mit 3D-Ultraschall

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Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT)

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Fraunhofer-Forscher haben ein Ultraschallsystem entwickelt, mit dem sich durch gezielte Schallwellen Gehirnareale stimulieren lassen. Zukünftig könnte die Technologie bei der Behandlung von Epilepsie, Parkinson, Depression, Suchterkrankungen oder auch der Folgen von Schlaganfällen eingesetzt werden.

Wissenschaftler vom Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik IBMT im saarländischen St. Ingbert arbeiten an einer nicht-invasiven Neurostimulation der Gehirnareale auf Basis von Ultraschall. Der entsprechende Applikator (Schallkopf) wird über ein flexibles Pad auf den Kopf gesetzt. Dessen Ultraschallsignale sind von so niedriger Intensität, dass sie das Zellgewebe nicht schädigen, zugleich lassen sie sich durch eine 3D-Steuerung des Schallstrahls (3D-Beam-Steering) sehr genau fokussieren.

Mediziner und Forscher setzen daher große Hoffnungen in die Technologie. In Zukunft könnte sie für die Therapie von verschiedensten neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie oder zur Behandlung der Folgen von Schlaganfällen eingesetzt werden. Die Fraunhofer-Forscher entwickeln das Verfahren im Rahmen verschiedener öffentlicher und industrieller Forschungsprojekte und arbeiten dabei mit Partnern aus Deutschland, der EU, USA, Kanada und Australien zusammen.

3D-Schallsignale stimulieren in der Tiefe

Das Forscherteam von Abteilungsleiter Steffen Tretbar hat für die Technologie einen Aufbau entwickelt, der es ermöglicht, die Ultraschallwellen auf einzelne Punkte im Gehirn zu richten und sie auch dann gezielt anzusprechen, wenn sie tief im Gewebe liegen. Dafür haben die Forscher einen speziellen Schallkopf mit 256 Einzelelementen, einen Ultraschalltransducer, entwickelt. Jedes der 256 Einzelelemente des Schallwandlers lässt sich einzeln ansteuern. Steffen Tretbar erklärt die Grundidee: „Durch eine individuelle Ansteuerung der 256 elektronischen Kanäle wird die Ultraschall-Behandlung 3D-fähig. Die schachbrettartig angeordneten Elemente des Schallwandlers bestrahlen das gewünschte Gehirnareal aus unterschiedlichen Winkeln. Daher kann der Fokus, also der Punkt, an dem sich die Strahlen treffen, auf eine bestimmte Tiefe im Gehirngewebe gesetzt werden. So ist die Behandlung für Patienten individuell anpassbar.“

Für die Schallwandler nutzen die Forscher piezoelektrische Elemente. Diese verändern ihre Oberfläche, wenn eine Spannung angelegt wird und produzieren so den Ultraschall. Die Forscher arbeiten derzeit an einer weiteren Erhöhung der Genauigkeit, indem sie zwei Ultraschalltransducer gleichzeitig einsetzen und die Schallstrahlen dynamisch im Zielareal kreuzen. Die Kombination aus einem sehr kleinen Fokus zwischen drei und fünf Millimetern und nahezu beliebiger Platzierung des Fokus in der Tiefe des Gehirns schafft die Möglichkeit, zielgerichteter und gleichzeitig schonender Modulation der Gehirnareale. Die Ultraschallfrequenzen bewegen sich im niederfrequenten Bereich unter 1 MHz, beispielsweise bei etwa 500 kHz. „Der Mensch merkt nichts und der Ultraschall ist aufgrund seiner geringen Intensität nach derzeitigem Stand der Forschung unbedenklich“, erklärt Tretbar.

Für eine Behandlung, die nach Einschätzungen von Medizinern pro Sitzung nur wenige Minuten dauern wird, muss das Haar nicht abrasiert werden. Vor dem Aufsetzen des Pads mit dem Ultraschall-Modul auf den Kopf muss lediglich ein Kontaktgel in das Haar einmassiert werden.

Markerpunkte aus der Magnetresonanz-Tomografie

Das Team des Fraunhofer IBMT hat neben dem Ultraschalltransducer und der Elektronik auch die Software entwickelt, mit der die 256 Elemente des Schallwandlers einzeln angesteuert werden. Die für die Planung nötigen Daten erhält die Software aus den Ergebnissen einer Magnetresonanztomografie des Patienten. Darin werden die für die jeweilige neuronale Erkrankung verantwortlichen Gehirnareale und deren Position markiert. Die Markierungen fließen in einen Datensatz ein, der in die Steuerungssoftware eingespeist wird. Mit diesen Positionsdaten lassen sich die Ultraschallsignale exakt ausrichten.

Es ist darüber hinaus möglich, das Ultraschallgerät so zu programmieren, dass die Strahlen in einer vordefinierten Sequenz gesendet werden oder bestimmten Bewegungsmustern folgen. Damit könnten die Ärzte in Zukunft alle Parameter individuell für den Menschen festlegen. „Das ist noch ein recht neues, aber sehr vielversprechendes Forschungsfeld. Derzeit arbeiten weltweit Kliniken und Forscher daran, solche Ultraschallsequenzen zu entwickeln und zu erproben“, ergänzt Tretbar.

Linderung von Symptomen

Ärzte erwarten von der Ultraschall-Behandlung bei Erkrankungen wie Parkinson und Epilepsie zwar keine vollständige Heilung, aber zumindest eine spürbare Linderung der Symptome. Zudem stellt Ultraschall eine vielversprechende Alternative zu klassischen Medikamenten dar. Langfristig sind mit der neuen Technologie auch Szenarien wie das Lösen von Plaque in den Gehirnzellen bei Alzheimer-Erkrankungen oder die Behandlung von Depressionen und neuronal bedingten Suchterkrankungen denkbar.

Das Fraunhofer-Team arbeitet mit Forschern verschiedener Projektpartner und Universitäten zusammen. Prof. Andreas Melzer, Direktor des Innovation Center Computer Assisted Surgery ICCAS Universität Leipzig, setzt große Hoffnungen auf die neuartige Technologie: „Die Möglichkeit, auch tiefliegende Punkte im Gehirn exakt zu treffen sowie die Sequenzierung der Ultraschallsignale öffnet in Zukunft ganz neue Möglichkeiten, die individuelle Neurostimulation zu erproben und zu entwickeln.“

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