Verbundprojekt: Neuromodulation bei seltenen neuropsychiatrischen Erkrankungen mit fokussiertem multi-modalen-multi-parameter Ultraschall - Akronym 3MP-FUS; Teilvorhaben: Multimodale Navigation von fokussiertem Ultraschall im MRT

Abstract

Im Vergleich zu anderen Verfahren der nichtinvasiven Hirnstimulation (NIBS) wie der transkraniellen Magnetstimulation (TMS) bietet die transkranielle Ultraschallstimulation (TUS) das Potenzial, zielgenau (Dimensionen des Schallfeldfokus im Bereich weniger Millimeter) tiefliegende Hirnregionen zu modulieren. Dabei kommen in Abgrenzung zur Anwendung von hochintensivem fokussiertem Ultraschall (HIFU) deutlich geringere Intensitäten zum Einsatz, wobei bei Einhaltung geeigneter Expositionsparameter neuromodulatorische Effekte erzielt werden sollen, ohne thermische oder mechanische Gewebeschädigungen hervorzurufen. Die genauen Wirkmechanismen sind dabei aktueller Gegenstand der Grundlagenforschung. Dennoch laufen weltweit bereits eine Vielzahl klinischer Studien verschiedener Phasen zur Behandlung neurologischer und psychiatrischer Krankheitsbilder wie Depression, Zwangsstörungen oder Suchterkrankungen mittels TUS. In der neurowissenschaftlich-klinischen Forschung werden die unterschiedlichen Krankheitsbilder dabei als Störungen der neuronalen Netzwerke des Gehirns angesehen, in die mit Hilfe von Neurostimulations- bzw. Neuromodulationsverfahren an geeigneten Knoten des Netzwerks gezielt eingegriffen werden und so eine Normalisierung des Netzwerks erreicht werden kann. Allen Anwendungen gemein ist dabei die Notwendigkeit einer Möglichkeit zur präzisen Intervention innerhalb bestimmter Hirnregionen bzw. Substrukturen dieser. Insbesondere bei NIBS-Verfahren zur Modulation tiefliegender Strukturen entscheiden dabei selbst Verschiebungen oder Winkelfehler des Applikators um wenige Millimeter bzw. Grad darüber, ob die notwendige Dosis in einer Zielstruktur appliziert wird oder nicht und damit darüber, ob ein Effekt bzw. Behandlungserfolg erzielt werden kann oder nicht. Während einer in der Regel mehrere Minuten dauernden Behandlung ist dabei zur Erreichung einer geplanten Dosis außerdem die Überwachung der initialen Platzierung des Applikators zentral. Im aktuellen Stadium der TUS-Technologie kommt darüber hinaus in vielen Fällen eine zur Applikation des Ultraschalls parallele MR-Bildgebung zum Einsatz. Diese kann einerseits dazu dienen, direkte thermische oder mechanische Effekte des Ultraschalls auf das Gewebe, bspw. mittels Protonenresonanzfrequenz (PRF)-Thermometrie oder MR Acoustic Radiation Force Imaging (MR-ARFI), zu vermessen sowie andererseits indirekte Effekte auf das adressierte Netzwerk, bspw. durch Blood-Oxygenation-Level Dependent (BOLD) funktioneller MRT (fMRT), zu ermitteln. Das übergeordnete Ziel des Teilvorhabens von Localite innerhalb von 3MP-FUS war die Integration des TUS-Systems des Projektpartners Fraunhofer IBMT sowie der bei den Projektpartnern ICCAS und MPI CBS eingesetzten MRT-Geräte von Siemens Healthineers in die bestehende Neuronavigationsplattform, um so eine sichere Platzierung und Kontrolle der TUS-Wandler innerhalb der definierten Arbeitsabläufe zu ermöglichen. Dabei brachte Localite seine langjährige Expertise im Bereich der navigierten TMS (nTMS) ein, die als alternatives Verfahren zur NIBS bereits in der klinischen Praxis, bspw. zur Depressionsbehandlung, angekommen ist. Sowohl hardware- als auch softwareseitig konnte Localite dabei auf seinen als Medizinprodukten zugelassenen (sowohl gemäß europäischer Medical Device Regulation (MDR) als auch amerikanischer FDA Clearance) Produkten, wie dem TMS Navigator, aufsetzen. Der Vertrieb dieser Produkte erfolgt in einem weltweiten Vertriebsnetz in mehr als 30 Ländern. Mit dem 3MP-FUS Projekt verfolgte Localite das Ziel, sein Produktportfolio mit Blick auf TUS zu erweitern und so zuerst im Kontext der Forschungsanwendung sowie perspektivisch in der klinischen Praxis, den sicheren und effektiven Einsatz der TUS zu ermöglichen. Die oben beschriebene Notwendigkeit einer präzisen Platzierung des TUS-Wandlers für den praktischen Einsatz der TUS unterstreicht dabei das enorme Marktpotenzial einer TUS-Neuronavigationslösung. Die Projektarbeiten von Localite im Rahmen von 3MP-FUS erfolgten dabei entlang der definierten Arbeitspakete. Diese gliederten sich grob in eine Planungs-/Analysephase (AP 0, 1), eine Umsetzungsphase (AP 2, 3, 4) sowie eine Auslieferungs-/Integrationsphase (AP 5, 6). Eine ausführliche Beschreibung der Arbeiten in den einzelnen Arbeitspaketen erfolgt in Teil II: Ausführlicher Bericht zum Verwendungsnachweis. Innerhalb der ersten Projektphase konnte Localite beratend seine Expertise im Bereich Neuronavigation innerhalb einer MR-Umgebung einbringen und so den Beschaffungsprozess des MAGNETOM Sola MRT am ICCAS unterstützen. Außerdem wurden in dieser Projektphase die Anforderungen an das Zielsystem innerhalb des Konsortiums diskutiert und eine erste Risikobewertung vorgenommen, wobei Localite durch seine etablierten Entwicklungsprozesse von Medizinprodukten wesentliche Beiträge einbringen konnte. In der Umsetzungsphase erfolgte die spezifizierte hardware- sowie softwareseitige Integration mit dem TUS-System sowie die softwareseitige MRT-Anbindung. Die Integration der vom Fraunhofer IBMT im Rahmen des Projektes entwickelten TUS-Wandler sowie der Schnittstelle zum Datenaustausch zwischen TUS- und Neuronavigationssystem erfolgte in enger Abstimmung mit den Partnern des Fraunhofer IBMT. Die MRT-Anbindung mittels von Siemens Healthineers bereitgestellter „Access-i-Schnittstelle“ fand insbesondere im Rahmen der Testung der implementierten Prototypen in Zusammenarbeit mit den Partnern des ICCAS am Sola MRT statt. MR-Kompatibilitätstests einer im Rahmen von 3MP-FUS überarbeiteten Version des MR-Kamerahalterungssystems wurden in Kooperation mit MRI-STaR durchgeführt. In der finalen Projektphase wurden die Umsetzungsergebnisse ausgerollt und am MAGNETOM Cima.X MRT der Projektpartner vom MPI CBS integriert und gemeinsam pilotiert. Mit Blick auf die Anwendung an Proband:innen bzw. Patient:innen im Rahmen wissenschaftlicher Studien generierte Localite die nötige technische Dokumentation seiner Komponenten des Gesamtsetups, um sie den Partnern des MPI CBS für die Einreichung bei deren lokaler Ethikkommission zur Verfügung zu stellen. Am Ende des Projektes stehen mit Blick auf das hier adressierte Teilvorhaben zwei mit den beiden TUS-Systemen des Fraunhofer IBMT integrierte Neuronavigationssysteme – eines für den Einsatz außerhalb des MRT, eines für den Einsatz in MR-Umgebung – zur Verfügung. Zentrale Charakteristika dieser nTUS-Plattform sind

die Möglichkeit zur navigationsgestützten Platzierung der beiden im Rahmen des Projektes entwickelten Fraunhofer IBMT-Wandler-Varianten, die echtzeitfähige Anzeige vorsimulierter Schallfelddaten, die integrierte Steuerung des TUS-Systems aus der Navigationssoftware heraus zur Ermöglichung eines durchgängigen Workflows inkl. automatischer Fokuseinstellung auf ein anatomisches Ziel, die integrierte Berechnung einer Phasenaberrationskorrektur (PAC) auf Basis segmentierter Gewebegrenzflächen zur Kompensation des Effektes des Schädelknochens auf die Schallausbreitung, sowie beim MR-kompatiblen System der Empfang medizinischer Bilddaten sowie die navigationsgestützte Aufnahme von MR-Daten über die Access-i-Schnittstelle.

Damit wurden die für das Teilvorhaben von Localite definierten wesentlichen wissenschaftlich-technischen Projektziele erreicht. Hinsichtlich einer Verwertungsperspektive der Projektergebnisse ist eine über 3MP-FUS hinausgehende Zusammenarbeit zwischen Localite und dem Fraunhofer IBMT im BMFTR-geförderten Projekt „IMPETUS“ sowie mit Blick auf erste potenzielle Kunden eines kombinierten TUS-/Navigationssystems zu nennen. Außerdem werden Teilaspekte der Projektentwicklungen, u.a. überarbeitetes MR-Kamerahalterungssystem, automatische Registrierung auf beliebige vorregistrierte Bilddatensätze, in Localites Produktportfolio überführt und so kommerzialisiert.