Therapeutischer Ultraschall

Auf der Basis unserer Plattform für Ultraschalltherapiesysteme wurde ein System zur transkraniellen Neurostimulation als vielseitige Therapielösung abgeleitet, die unabhängig oder in Verbindung mit einem MR-Scanner zur Hirnstimulation eingesetzt werden kann. Es verwendet Ultraschallsignale mit flexiblen Übertragungsmuster, die auf wählbare Fokuspositionen gerichtet werden oder für jedes Ultraschallwandler-Element individuell programmiert werden können.

Durch die Nutzung der erweiterten volumetrischen (3D-) Strahlsteuerung des Systems ist es möglich, verschiedene Hirnregionen, sowohl oberflächlich als auch in der Tiefe, zu beschallen. Diese Flexibilität ermöglicht die Stimulation spezifischer Ziele wie Hypocampus, Amygdala, subthalamischer Nukleus (STN) und motorischer Kortex. Darüber hinaus kann die akustische Leistung des Systems angepasst werden, um den Anforderungen verschiedener Anwendungen über die Neurostimulation hinaus gerecht zu werden, einschließlich der Öffnung der Blut-Hirn-Schranke („BBB opening“).

Mit seinen benutzerfreundlichen grafischen Benutzeroberflächen kann das System als eigenständiges Neurostimulationsgerät eingesetzt werden. Darüber hinaus bietet es Möglichkeiten zur Integration in benutzerdefinierte Anwendungen durch ein Software-Entwicklungs-Kit („SDK“), das mehrere Programmiersprachen unterstützt.
 

Erfassung von Zielregionen mit volumetrischer Sende-Fokussierung

Das Ultraschallsystem verwendet kreisförmige 2D-Matrix-Arrays, die aus 256 individuell steuerbaren Wandler-Elementen bestehen, mit Mittenfrequenzen von 250 kHz und 500 kHz. Diese Arrays sind in einem rechteckigen Gitter angeordnet und in zwei separat oder kombiniert am System anschließbare Abschnitte unterteilt: einen inneren Kreis und einen äußeren Ring. Um lange Beschallungszyklen und eine hohe Leistung zu gewährleisten, werden die aktiven Elemente des Schallkopfs von der Rückseite her aktiv gekühlt. Die verwendeten Materialien wurden sorgfältig ausgewählt, um eine optimale Kompatibilität mit der Magnetresonanztomographie (MRT) zu gewährleisten und Artefakte in der MRT-Bildgebung zu minimieren.

Die Ultraschallwandler-Arrays werden von einer speziell entwickelten Mehrkanal-Ultraschall-Sendestufe mit 256 individuellen Sendepfaden angetrieben. Diese Stufe erzeugt fokussierten, hochenergetischen Ultraschall für therapeutische Anwendungen, wobei anpassbare komplexe Übertragungsmuster verwendet werden können. Durch die Nutzung von Phasendifferenzen auf jeden Sendepfad ermöglicht das System eine volumetrische Strahlsteuerung nicht nur über die Tiefe, sondern auch abseits der virtuellen akustischen Achse, so dass eine präzise Ausrichtung auf bestimmte Zielvolumina ermöglicht wird. Diese Funktion erhöht im Vergleich zur Nutzung einfacher Ultraschallwandler die Flexibilität bei der Platzierung der Schallköpfe am Kopf auf der Schädeloberfläche und die Möglichkeit Fehlfokussierungen durch den Einfluss der Schädelkalotte zu kompensieren.

Die integrierten Leistungsimpulsgeber erzeugen bipolare (tri-state) Übertragungssignale mit Amplituden von bis zu 180 Vpp (+/- 90 V) und können während der Ultraschallstimulationssequenzen mehrere Sekunden lang eine elektrische Leistung von bis zu 9 W pro Kanal abgeben.

Das System verfügt über zwei Steckeranschlüsse, die jeweils 128 Wandlerelemente ansteuern können. Die Benutzer können beide Anschlüsse verwenden, um sowohl die inneren als auch die äußeren Öffnungen gleichzeitig zu beschallen, oder mehrere einzelne Schallköpfe an das System anschließen. Dies ermöglicht Cross-Beam-Anwendungen, indem die inneren Aperturen von zwei im Winkel zueinander angeordneten Schallköpfen angesteuert werden, was die axiale Reduktion von Fokusausdehnungen für hochpräzise Beschallung auch kleiner Regionen ermöglicht.

Funktionale Stimulations-Sequenzierung

Das System bietet vielseitige Optionen für die Definition von Puls-Pause-Verhältnissen auf mehreren Ebenen und ermöglicht so die Erzeugung komplexer Sequenzmuster für die Stimulation, was insbesondere bei der Neurostimulation von entscheidender Bedeutung ist.
Dies umfasst nicht nur die Erstellung komplexer Stimulationssequenzen an einem einzigen Punkt im Zeitverlauf, sondern ermöglicht auch die Beschallung mehrerer Fokuspunkte, die nacheinander stimuliert werden können, um den Therapiebereich zu erweitern oder mehrere Regionen gleichzeitig zu behandeln. Diese Flexibilität verbessert die Fähigkeit des Systems, die Stimulation an spezifische Anforderungen und Anwendungen anzupassen.

Akustische Intensitäten

Das System kann hohe akustische Intensitäten mit einem Fokusdruck (Spitze-Spitze) von bis zu 8 MPa erzeugen. Bei Fokussierung auf eine Region in einer Tiefe von 48 mm kann so eine Fokusgröße von etwa 3 mm x 20 mm (laterale/axiale Abmessungen) erreicht werden.
Der resultierende akustische Druck und die Fokusgröße werden durch die Fokusposition beeinflusst, wobei die Fokusgröße mit zunehmender Entfernung steigt. Die Schallkeule kann in einem Bereich von ca. +/- 20° lateral und elevational gesteuert werden und bietet somit Flexibilität bei der Ausrichtung des Ultraschallstrahls.
Um einen klinisch relevanten Einsatz in dedizierten Studien zu ermöglichen, verfügt das System über Sicherheitsmaßnahmen. Es kann die Ausgangsspannung und/oder die zeitliche Dauer der Stimulus-Sequenzen auf der Grundlage von Richtlinien und Grenzwerten einschränken, die von Regulierungsbehörden oder Gremien wie der FDA, ITRUSST und anderen anwendbaren Standards festgelegt werden.
 

Systeminstallation & MR-Optimierung

Das Therapiesystem ist in einen Wagen integriert, so dass es ergonomisch in Labor- und Klinik-Umgebungen eingesetzt werden kann, während es an einen PC oder Laptop angeschlossen ist. Darüber hinaus ist jede Komponente des Systems sorgfältig entwickelt und konstruiert worden, um eine Optimierung der MR-Verträglichkeit zu erhalten und zusätzliche Interferenzen mit einem MR-Scanner zu minimieren, wenn es in dessen unmittelbarer Nähe und in verschränkten Betrieb eingesetzt wird. Das System bietet sowohl getriggerte (sequentielle) als auch parallele Betriebsmodi, was eine flexible Nutzung in Kombination mit einem MR-Scanner ermöglicht.
Die Integration des Systems basiert auf einem antimagnetischen Rollwagen, der über einen optionalen MR-optimierten Touchscreen und eine entfernte Dockingstation gesteuert werden kann. Bei dieser Konfiguration kann der Wagen neben dem Patientenbett im MR-Scanner-Raum positioniert werden, während sich die Stromversorgung und die Wasserkühlung in einer Ecke dieses Raums befinden.
Um eine physische Verbindung zwischen dem Gerätewagen im Untersuchungsraum und der Fernbedienungseinheit herzustellen, wird eine optische Faser verwendet, die durch eine Durchführungsplatte in den MR-Scanner-Raum führt. Dieser Aufbau ermöglicht eine effiziente und zuverlässige Kommunikation zwischen den Komponenten des Systems, wobei die gewünschte MR-Kompatibilität optimiert wird.

Befestigungen und Positionserfassungen

Um eine konsistente und zuverlässige akustische Ankopplung zu gewährleisten, sind Gel-Pads in verschiedenen Stärken erhältlich, die eine effektive Ankopplung auch auf nicht ebenen Oberflächen wie beispielsweise einem Schädel ermöglichen. Zur sicheren Befestigung des Kopplungspads auf dem Schallkopf wird ein Fixierungsring geboten. Zusätzlich wurde ein Kopf-Fixiergurt mit einem speziell entwickelten Adapter für das Schallkopfgehäuse entwickelt, der eine stabile Positionierung während der Anwendung ermöglicht.

Um die Position und Ausrichtung des Schallkopfs in Bezug auf die MR-Planungsdatensätze genau zu verfolgen, sind in das Schallkopfgehäuse MR-sichtbare Tracker integriert. Diese Funktion ermöglicht eine präzise Registrierung der Koordinatensysteme des Ultraschallsystems und der MR-Bildgebung. Darüber hinaus bietet das System eine Option für die Integration optischer Tracker an der Sonde, die zusätzliche Navigations-Funktionen für eine verbesserte (Re-)Positionierung des Schallkopfs bietet.

Sicherheitsfunktionen

Während der therapeutischen Schallerzeugung überwacht das System kontinuierlich die Temperaturen des elektrischen Systems, der aktiven Wandleroberfläche und des Ultraschallwandlerkabels. Um die Sicherheit zu erhöhen, ist das System mit einer dedizierten Überwachungsschaltung ausgestattet. Dieses Modul ist so konzipiert, dass die Beschallung automatisch unterbrochen wird, wenn elektrische Ströme oder die Temperatur entweder am aktiven Teil des Schallkopfs oder am Kabel vordefinierte Schwellenwerte überschreitet, um die Sicherheit des Benutzers während des Betriebs zu gewährleisten.

Softwaresysteme

Das Softwaremodul "Characterizer" dient als Grundlage für experimentelle Anwendungen. Es bietet eine benutzerfreundliche, graphische Oberfläche für die Definition von Sendesignalen, einschließlich der Auswahl eines Fokuspunkts, der Definition von Stimulationssequenzen (inklusive Puls-Pausen-Verhältnis, Wiederholrate, Frequenz) und der Angabe benutzerdefinierter Phasenverschiebungen oder Verzögerungen. Es ist in erster Linie für die Systemcharakterisierung, Kompatibilitätsexperimente und eigenständige Phantomexperimente gedacht. Eine Software für einen MR-geführten Workflow ist ebenfalls verfügbar und kann an spezifische Anforderungen angepasst werden.

Darüber hinaus ist für das System ein Software Development Kit (SDK) verfügbar, das eine direkte Programmierschnittstelle bietet und die Integration in andere Softwaresysteme ermöglicht. Die Schnittstelle ist für mehrere Programmiersprachen verfügbar und ermöglicht die Einrichtung grundlegender Parameter und den Betrieb des Geräts inklusive der Überwachung des Systemzustands und die Fehlerbehandlung. Es ist zu beachten, dass diese Schnittstelle als experimentell gilt und für fortgeschrittene Forschungszwecke gedacht ist. Dies umfasst binäre Bibliotheken und Quellcode-Beispiele, die demonstrieren, wie das System in die Entwicklung kundenspezifischer Anwendungen integriert werden kann. Diese Flexibilität ermöglicht es den Nutzern, maßgeschneiderte Lösungen auf der Grundlage ihrer spezifischen Anforderungen und Forschungsbedürfnisse zu entwickeln.

Korrektur der Schädelknochenaberration

In das System sind Algorithmen für die Korrektur der Defokussierung integriert, die durch die Präsenz des Schädelknochens zwischen Ultraschallwandler und Zielfokus verursacht werden. Anhand dieser Verfahren wird eine Verbesserung der Ultraschallfokussierung in diesem komplexen Szenario erreicht. Eine Berechnung der Korrektur erfolgt auf Basis der geometrischen Lage/Position des Schallkopfs und der Extraktion der darunter liegenden Schädelknochengeometrie und der relativen Zielfokusregion. Bei einer experimentellen Auswertung des Verfahrens wurde festgestellt, dass diese Aberrationskorrektur nicht nur die maximale akustische Intensität im gewünschten Zielfokus wieder erhöht und vor allem den tatsächlichen Fokuspunkt wieder repositioniert. Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit und Wirksamkeit der Korrektur in der therapeutischen Zielapplikation, um Fehlstimulationen zu verhindern.

Charakterisierung und Prüfungen

Bei der Entwicklung, Dokumentation und Prüfung des Systems und seiner Komponenten wurden Elemente der Standards der Medizinprodukteverordnung (MDR 2017/745) berücksichtigt. Da das System die Flexibilität eines Forschungsgeräts bietet, ist es wichtig zu beachten, dass es nicht als eigenständiges Medizinprodukt CE-gekennzeichnet ist und nicht außerhalb klinischer Studien eingesetzt werden soll.
Zur Ermöglichung solcher Studien bieten wir zu dem System ein technisches Risikomanagementverfahren und die Bereitstellung von Prüfberichten durch zertifizierte Labore. Diese Prüfberichte decken unterschiedliche Aspekte wie beispielsweise elektrische Sicherheit, elektromagnetische Verträglichkeit, akustische Sicherheit und den Softwareentwicklungsprozess ab. Diese Maßnahmen zeigen unser Engagement für die Einhaltung strenger Qualitätsstandards und die Gewährleistung der Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems.