Artikel zur Langlebigkeit

Verwendung von Ultraschallwellen und Vibrationen zur besseren Behandlung von Hirnerkrankungen

Verwendung von Ultraschallwellen und Vibrationen zur besseren Behandlung von Hirnerkrankungen
  • Durch die Fokussierung von Ultraschallwellen durch den Schädel können Hirnerkrankungen, die von Schlaganfällen über Tumore bis hin zu neurodegenerativen Erkrankungen reichen, besser diagnostiziert und behandelt werden.

  • Diese neue Methode ermöglicht es, dass der Ultraschall durch den Schädel hindurch in das Gehirn gelangt, was 100-mal schneller ist als jede andere Methode.

Dieser Artikel wurde auf Georgia Tech Research News veröffentlicht:

Ein Team von Ingenieurforschern am Georgia Institute of Technology hofft, mithilfe von Vibrationen und Ultraschallwellen neue Wege zur Diagnose und Behandlung von Hirnerkrankungen zu entdecken, von Tumoren und Schlaganfällen bis hin zur Parkinson-Krankheit.

Das im Jahr 2019 initiierte fünfjährige 2,95 € Millionen-Projekt der National Science Foundation (NSF) hat bereits zu mehreren veröffentlichten Zeitschriftenartikeln geführt, die vielversprechende neue Methoden zur Fokussierung von Ultraschallwellen durch den Schädel bieten, was zu einer breiteren Nutzung der Ultraschallbildgebung führen könnte – gilt als sicherer und kostengünstiger als die Magnetresonanztomographie (MRT).

Konkret erforscht das Team ein breites Spektrum an Frequenzen, das von niederfrequenten Schwingungen (Audiofrequenzbereich) und mittelfrequenten geführten Wellen (100 kHz bis 1 MHz) bis hin zu hohen Frequenzen reicht, die in der Bildgebung und Therapie des Gehirns eingesetzt werden (im MHz-Bereich).

„Wir entwickeln einen einzigartigen Rahmen, der verschiedene Forschungsperspektiven einbezieht, um zu untersuchen, wie man Schall und Vibration zur Behandlung und Diagnose von Gehirnkrankheiten nutzt“, erklärte Costas Arvanitis, Assistenzprofessor an der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering der Georgia Tech das Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering an der Georgia Tech und der Emory University.

„Jeder Forscher bringt sein eigenes Fachwissen ein, um zu erforschen, wie Vibrationen und Wellen über einen Bereich von Frequenzen entweder Informationen aus dem Gehirn extrahieren oder Energie auf das Gehirn fokussieren könnten.“

Der Zugang zum Gehirn ist eine große Herausforderung

Während es möglich ist, einige Tumoren und andere Erkrankungen des Gehirns nicht-invasiv zu behandeln, wenn sie sich in der Nähe des Zentrums des Gehirns befinden, sind viele andere Erkrankungen schwieriger zu erreichen, sagen die Forscher.

„Der zentrale Teil des Gehirns ist am besten zugänglich. Selbst wenn man jedoch den vom Zentrum entfernten Teil des Gehirns anvisieren kann, muss man immer noch durch den Schädel vordringen“, sagte Arvanitis.

Er fügte hinzu, dass eine Bewegung von nur einem Millimeter im Gehirn aus diagnostischer Sicht eine „riesige Distanz“ darstelle. Die wissenschaftliche Gemeinschaft ist sich der Komplexität des Gehirns weitgehend bewusst, da jeder Teil mit einer anderen Funktion verbunden ist und sich die Gehirnzellen voneinander unterscheiden.

Laut Brooks Lindsey, einem Assistenzprofessor für Biomedizintechnik an der Georgia Tech and Emory, gibt es einen Grund, warum die Bildgebung oder Therapie des Gehirns bei manchen Menschen gut funktioniert, bei anderen jedoch nicht.

„Das hängt von den Schädeleigenschaften des einzelnen Patienten ab“, sagte er und wies darauf hin, dass manche Menschen etwas mehr Trabekelknochen – den schwammigen, porösen Teil des Knochens – haben, was die Behandlung schwieriger macht.

Mithilfe von Ultraschallwellen gehen die Forscher die Herausforderung auf mehreren Ebenen an. Lindseys Labor nutzt Ultraschallbildgebung, um die Schädeleigenschaften für eine effektive Bildgebung und Therapie zu beurteilen. Er sagte, sein Team habe die erste Untersuchung durchgeführt, bei der Ultraschallbildgebung eingesetzt werde, um die Auswirkungen der Knochenmikrostruktur zu messen – insbesondere den Grad der Porosität in der inneren, trabekulären Knochenschicht des Schädels.

„Durch das Verständnis der Übertragung akustischer Wellen durch die Mikrostruktur im Schädel eines Individuums könnte eine nicht-invasive Ultraschallbildgebung des Gehirns und die Durchführung einer Therapie bei einer größeren Anzahl von Menschen möglich sein“, sagte er und erklärte, dass eine mögliche Anwendung darin bestünde, den Blutfluss abzubilden im Gehirn nach einem Schlaganfall.

Ultraschallstrahlen im Handumdrehen neu fokussieren

Das Labor von Arvanitis hat kürzlich einen neuen Weg gefunden, Ultraschall durch den Schädel in das Gehirn zu fokussieren, der „100-mal schneller als jede andere Methode“ ist, sagte Arvanitis. Die Arbeit seines Teams an adaptiven Fokussierungstechniken würde es Ärzten ermöglichen, den Ultraschall im Handumdrehen anzupassen, um ihn besser zu fokussieren.

„Aktuelle Systeme basieren stark auf MRTs, die groß, sperrig und extrem teuer sind“, sagte er. „Mit dieser Methode können Sie den Strahl anpassen und neu fokussieren. Dies könnte es uns in Zukunft ermöglichen, kostengünstigere und einfachere Systeme zu entwickeln, die die Technologie einer größeren Bevölkerung zugänglich machen und in der Lage wären, verschiedene Teile des Gehirns zu behandeln.“ "

Verwendung von „geführten Wellen“, um auf periphere Gehirnbereiche zuzugreifen

Eine weitere Forschungskohorte unter der Leitung von Alper Erturk, Woodruff-Professor für Maschinenbau an der Georgia Tech, und dem ehemaligen Georgia Tech-Kollegen Massimo Ruzzene, Slade-Professor für Maschinenbau an der University of Colorado Boulder, führt eine hochauflösende Modellierung der Schädelknochenmechanik zusammen mit Vibrationen durch -basierte elastische Parameteridentifizierung. Sie nutzen auch geführte Ultraschallwellen im Schädel, um den Behandlungsbereich im Gehirn zu erweitern. Erturk und Ruzzene sind Maschinenbauingenieure, was ihre Erforschung von Vibrationen und geführten Wellen in schwer zugänglichen Gehirnbereichen besonders faszinierend macht.

Ertürk wies darauf hin, dass geführte Wellen auch in anderen Anwendungen wie der Luft- und Raumfahrt sowie bei zivilen Strukturen zur Schadenserkennung eingesetzt werden. „Eine genaue Modellierung der komplexen Knochengeometrie und Mikrostruktur, kombiniert mit strengen Experimenten zur Parameteridentifizierung, ist entscheidend für ein grundlegendes Verständnis zur Erweiterung der zugänglichen Region des Gehirns“, sagte er.

Ruzzene verglich Gehirn und Schädel mit dem Erdkern und der Erdkruste, wobei die vom Schädel geführten Wellen wie ein Erdbeben wirkten. So wie Geophysiker Erdbebendaten von der Erdoberfläche nutzen, um den Erdkern zu verstehen, nutzen Erturk und Ruzzene die geführten Wellen, um winzige, hochfrequente „Erdbeben“ auf der Außenfläche des Schädels zu erzeugen, um zu charakterisieren, woraus der Schädelknochen besteht.

Der Versuch, mit herkömmlichem Ultraschall auf die Gehirnperipherie zuzugreifen, birgt zusätzliche Risiken durch die Erwärmung des Schädels. Glücklicherweise wird zunehmend erkannt, dass Fortschritte wie kraniale Leaky-Lamb-Wellen Wellenenergie in diese Region des Gehirns übertragen.

Diese kranial geführten Wellen könnten fokussierte Ultraschallanwendungen ergänzen, um Veränderungen im Schädelknochenmark aufgrund von Gesundheitsstörungen zu überwachen oder akustische Signale effizient durch die Schädelbarriere zu übertragen, was den Zugang zu Metastasen erleichtern und neurologische Erkrankungen in derzeit unzugänglichen Regionen des Gehirns behandeln könnte.

Letztendlich hoffen die vier Forscher, dass ihre Arbeit die vollständige Bildgebung des Gehirns ermöglichen und gleichzeitig neue medizinische Bildgebungs- und Therapietechniken anregen wird. Die Techniken könnten nicht nur die Diagnose und Behandlung von Hirnerkrankungen verändern, sondern auch Traumata und Schädeldefekte besser erkennen, die Gehirnfunktion abbilden und eine Neurostimulation ermöglichen. Forscher sehen auch das Potenzial für die Entdeckung ultraschallbasierter Öffnungen der Blut-Hirn-Schranke für die Medikamentenverabreichung zur Behandlung und Behandlung von Krankheiten wie Alzheimer.

Diese Studie wurde veröffentlicht in Ultraschall in der Medizin in der Biologie im März 2021.



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