3D-ультразвуковая стимуляция мозга при неврологических расстройствах

Исследователи из Фраунгофера разработали технологию, которая использует ультразвуковые сигналы для специфической стимуляции определенных областей мозга. С помощью специальной ультразвуковой системы с 256 индивидуально управляемыми датчиками можно воздействовать на отдельные точки в глубине мозга и стимулировать их звуковыми сигналами. По мнению разработчиков, эта инновационная технология 3D-аудио может быть использована в будущем для лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона, эпилепсия, депрессия, зависимость и последствия инсульта.

Благодаря электрической активности примерно 86 миллиардов нейронов мозг способен обрабатывать сенсорную информацию, хранить информацию, принимать решения и контролировать функции тела. Это также означает, что такие заболевания и состояния, как болезнь Паркинсона, эпилепсия и тремор, зависят от обработки сигналов и взаимодействия между нейронами. Нейростимуляция с использованием электрических импульсов для лечения симптомов таких заболеваний, как болезнь Паркинсона, является быстро развивающейся технологией. В начале этого года, например, пациенту в ЭТЗ был имплантирован сверхкомпактный нейростимулятор нового типа.

Электрическая (магнитная) стимуляция.

Вооруженные этими знаниями, исследователи в последние десятилетия работали над лечением неврологических проблем с помощью электрической или электромагнитной стимуляции соответствующих областей мозга. Но такие методы, как моделирование с использованием внешних магнитных полей, пока не дали идеальных результатов из-за относительно низкой точности их воздействия. Нейрохирургия, как и глубокая стимуляция мозга (DBS), в настоящее время является клиническим стандартом, когда речь идет о терапевтической стимуляции мозга. Однако это остается рискованной процедурой из-за возможных побочных эффектов, таких как кровотечение или инфекция.

Ученые из Фраунгофера IBMT в Санкт-Ингберте работают над способами использования ультразвука для неинвазивной нейростимуляции этих областей мозга. Аппликатор (ультразвуковой датчик, известный как датчик) помещается на голову с помощью гибкой подушечки. Ультразвуковые сигналы настолько низкой интенсивности, что не повреждают клеточные ткани, и в то же время их можно точно сфокусировать благодаря функции, известной как управление 3D-лучом.

3D звуковые сигналы для глубокой стимуляции

Команда исследователей Фраунгофера Уникальная система Для новых технологий. Этот метод позволяет направлять ультразвуковые волны на отдельные точки мозга, даже если они находятся глубоко в тканях. Для этого команда разработала специальный ультразвуковой преобразователь, содержащий 256 отдельных элементов, каждым из которых можно управлять независимо. Руководитель отделения Стивен Тритбаар объясняет идею: «Управляя 256 электронными каналами по отдельности, 3D-ультразвуковая терапия удобна. Элементы преобразователя расположены в виде шахматной доски и воздействуют на нужную область мозга под разными углами. Фокус – точка встречи лучей – находится на определенной глубине в тканях головного мозга, поэтому лечение может быть адаптировано к каждому отдельному пациенту».

Исследователи Фраунгофера используют в качестве преобразователей пьезоэлектрические элементы. Эти элементы подвергаются колебаниям при подаче напряжения, создавая ультразвуковые волны. В настоящее время исследователи работают над дальнейшим повышением точности, используя одновременно два ультразвуковых преобразователя и динамически пересекая лучи в целевой области. Сочетая очень узкий фокус в три-пять миллиметров с практически неограниченным положением фокуса в глубине мозга, можно точно и целенаправленно модулировать различные области мозга, не повреждая ткани.

Используемые ультразвуковые частоты находятся в нижней части диапазона, менее 1 МГц. Например, можно использовать частоту около 500 кГц. «Человек ничего не чувствует, а поскольку интенсивность ультразвука низкая в том диапазоне, который используется для диагностики, согласно текущему состоянию исследований, никаких негативных побочных эффектов на ткани нет», — объясняет Тритбаар. Перед лечением нет необходимости брить эту область, а по оценкам медицинских работников, сеанс лечения занимает всего несколько минут. Единственная подготовка, необходимая перед размещением подушечки с ультразвуковым аппаратом на голове, — это нанесение контактного геля на волосы пациента.

Магнитно-резонансная томография

Помимо ультразвукового преобразователя и электронных компонентов, команда Fraunhofer IBMT также разработала программное обеспечение, используемое для управления 256 отдельными компонентами преобразователя. Программа извлекает данные, необходимые для целей планирования, из МРТ-сканирований этого пациента. На изображении выделены области мозга, отвечающие за конкретную неврологическую проблему пациента, и их расположение. Эти метки затем записываются в файл данных, который передается в управляющее программное обеспечение. Данные о местоположении можно использовать для направления ультразвуковых сигналов в точное желаемое место.

Также можно запрограммировать ультразвуковое устройство на отправку лучей в заданном порядке или на следование определенным шаблонам движений. Это значит, что в будущем врачи смогут настраивать все параметры аппарата индивидуально для каждого пациента. «Это все еще очень новая область исследований, но она также очень многообещающая. В настоящее время медицинские центры и исследователи по всему миру разрабатывают и тестируют такие типы ультразвуковых последовательностей», — сказал Тритбаар.

Лекарства нет, но ожидания высоки

Врачи не ожидают, что ультразвуковое лечение излечит такие заболевания, как болезнь Паркинсона или эпилепсия, но они полагают, что оно окажет заметное влияние на облегчение симптомов. Ультразвук также является многообещающей альтернативой традиционной медицине. В долгосрочной перспективе новую технологию можно также использовать в таких сценариях, как разрушение бляшек в клетках головного мозга у людей с болезнью Альцгеймера или для лечения депрессии и зависимостей, вызванных неврологическими факторами.

Поэтому и врачи, и исследователи возлагают большие надежды на новую технологию. В будущем его можно будет использовать для лечения широкого спектра заболеваний и неврологических состояний, таких как эпилепсия или для лечения последствий инсульта. Исследователи Фраунгофера разрабатывают этот метод в рамках нескольких государственных и промышленных исследовательских проектов в сотрудничестве с партнерами в Германии и других странах Европейского Союза, США, Канады и Австралии.