Fraunhoferovi istraživači su razvili tehnologiju koja koristi ultrazvučne signale za ciljanu stimulaciju određenih oblasti mozga. Specijalni ultrazvučni sistem sa 256 individualno kontrolisanih pretvarača omogućava ciljanje i stimulisanje pojedinačnih tačaka duboko u mozgu pomoću zvučnih signala.
U budućnosti bi se inovativna 3D zvučna tehnologija sa Fraunhofer instituta za biomedicinsko inženjerstvo IBMT mogla koristiti za lečenje bolesti i stanja kao što su epilepsija, Parkinsonova bolest, depresija, zavisnost, pa čak i posledice moždanog udara.
Električna aktivnost oko 86 milijardi neurona je ono što daje mozgu sposobnost da obrađuje senzorne podatke, skladišti informacije, donosi odluke i kontroliše telesne funkcije. To takođe znači da bolesti i stanja kao što su Parkinsonova bolest, epilepsija i tremor zavise od obrade signala i od interakcije između nervnih ćelija.
Naoružani ovim saznanjima, istraživači su proveli poslednjih nekoliko decenija radeći na lečenju neuroloških problema električnom ili elektromagnetnom stimulacijom relevantnih oblasti mozga. Ali metode kao što je simulacija korišćenjem spoljašnjih magnetnih polja još uvek nisu dale optimalne rezultate zbog relativno niske preciznosti njihovih efekata.
Neurohirurgija kao što je u kontekstu duboke moždane stimulacije (DBS) trenutno je klinički standard kada je u pitanju terapeutska stimulacija mozga. Međutim, to ostaje rizična procedura zbog potencijalnih neželjenih efekata kao što su krvarenje ili infekcija.
Naučnici iz Fraunhofer IBMT u Sent Ingbertu, u nemačkoj državi Sarland, rade na načinima da koriste ultrazvuk za neinvazivnu neurostimulaciju ovih oblasti mozga. Aplikator (ultrazvučna sonda poznata kao pretvarač) se postavlja na glavu pomoću fleksibilne podloge. Ultrazvučni signali su tako niskog intenziteta da ne oštećuju ćelijsko tkivo, a istovremeno se mogu precizno fokusirati zahvaljujući funkciji poznatoj kao 3D upravljanje snopom.
I lekari i istraživači polažu velike nade u novu tehnologiju. U budućnosti bi se mogao koristiti za lečenje širokog spektra neuroloških bolesti i stanja kao što je epilepsija ili za lečenje posledica moždanog udara. Fraunhoferovi istraživači razvijaju metodu kao deo različitih javnih i industrijskih istraživačkih projekata, radeći sa partnerima sa sedištem u Nemačkoj, drugde u EU, kao iu SAD, Kanadi i Australiji.
Predvođen šefom odeljenja Steffenom Tretbarom, tim istraživača Fraunhofera osmislio je jedinstven sistem za novu tehnologiju. Ovaj pristup omogućava da se ultrazvučni talasi usmere na pojedinačne tačke u mozgu i ciljaju ih čak i kada se nalaze duboko unutar tkiva. Da bi to postigao, tim je razvio poseban ultrazvučni pretvarač sa 256 pojedinačnih elemenata, od kojih se svaki može kontrolisati pojedinačno.
Tretbar objašnjava ideju: „Pojedinačna kontrola 256 elektronskih kanala čini ultrazvučni tretman 3D-sposobnim. Elementi sonde su raspoređeni kao šahovnica i ciljaju željenu oblast mozga iz različitih uglova. To znači fokus—tačku gde se grede se susreću – mogu se postaviti na određenu dubinu u moždanom tkivu, tako da se tretman može prilagoditi pojedinačnim pacijentima.“
Fraunhoferovi istraživači koriste piezoelektrične elemente za pretvarače. Ovi elementi podležu oscilacijama kada se primeni napon, proizvodeći ultrazvuk. Istraživači trenutno rade na daljem povećanju preciznosti koristeći dva ultrazvučna pretvarača odjednom i dinamički prelazeći zrake u ciljnoj oblasti.
Kombinovanje veoma čvrstog fokusa između tri i pet milimetara sa praktično neograničenim postavljanjem fokusa duboko u mozak omogućava precizno modulisanje različitih oblasti mozga na ciljanoj osnovi bez oštećenja tkiva. Korišćene ultrazvučne frekvencije su na donjem kraju opsega, ispod 1 MHz. Na primer, može se koristiti frekvencija od oko 500 kHz.
„Čovek ništa ne oseća i zato što je ultrazvuk niskog intenziteta u opsegu onoga što se primenjuje za dijagnostiku, tako da nema negativnih neželjenih efekata na tkivo prema trenutnom stanju istraživanja“, objašnjava Tretbar.
Nema potrebe za brijanjem područja radi lečenja, a medicinski stručnjaci procenjuju da će terapijska sesija trajati samo nekoliko minuta. Jedina potrebna priprema pre nego što se uložak sa ultrazvučnim modulom može staviti na glavu je umasirati kontaktni gel u kosu pacijenta.
Pored ultrazvučnog pretvarača i elektronskih komponenti, tim iz Fraunhofer IBMT-a je takođe razvio softver koji se koristi za kontrolu 256 pojedinačnih elemenata sonde. Softver dobija podatke potrebne za planiranje iz MR skeniranja tog pacijenta. Na slici su označena područja mozga odgovorna za specifičan neurološki problem pacijenta i njihovo pozicioniranje. Ove oznake se zatim ugrađuju u zapis podataka koji se unosi u upravljački softver.
Podaci o položaju se mogu koristiti za usmeravanje ultrazvučnih signala tačno tamo gde su potrebni. Takođe je moguće programirati ultrazvučni uređaj da prenosi zrake u unapred definisanom nizu ili da prati specifične obrasce kretanja. To znači da bi lekari u budućnosti mogli da podešavaju sve parametre uređaja pojedinačno za svakog pacijenta.
„Ovo je još uvek veoma novo polje istraživanja, ali je takođe veoma obećavajuće. Upravo sada, medicinski centri i istraživači širom sveta rade na razvoju i testiranju ovih vrsta ultrazvučnih sekvenci“, dodaje Tretbar.
Fraunhofer IBMT ima dugogodišnje iskustvo u razvoju ultrazvučnih nizova i višekanalnih ultrazvučnih sistema i u formiranju zvučnih snopova kroz upravljanje snopom. Ova ekspertiza je formirala osnovu za univerzalno upotrebljivu tehnološku platformu koja je u toku daljeg razvoja.
„Istraživači mogu da koriste našu tehnološku platformu da razviju čitav niz različitih tretmana i testiraju ih u kliničkim ispitivanjima u nastavku“, kaže Tretbar.
Lekari ne očekuju da će ultrazvučni tretman izlečiti bolesti poput Parkinsonove bolesti ili epilepsije, ali veruju da će imati primetan efekat u ublažavanju simptoma. Ultrazvuk je takođe obećavajuća alternativa konvencionalnim lekovima. Dugoročno gledano, nova tehnologija bi se takođe mogla koristiti u scenarijima kao što je razbijanje plaka u moždanim ćelijama ljudi sa Alchajmerovom bolešću ili za lečenje depresije i poremećaja zavisnosti uzrokovanih neurološkim faktorima.
Fraunhoferov tim radi sa istraživačima iz različitih partnera na projektu i univerziteta. Prof. Andreas Melcer, izvršni direktor Inovacionog centra za kompjuterski potpomognutu hirurgiju (ICCAS) na Medicinskom fakultetu Univerziteta u Lajpcigu, polaže velike nade u inovativnu tehnologiju. „Sposobnost preciznog ciljanja čak i duboko usađenih tačaka u mozgu i sekvenciranje ultrazvučnih signala otvoriće potpuno nove mogućnosti za testiranje i razvoj individualne neurostimulacije.
