Electroencephalography for Radiation-Free Orientation Estimation of Directional Deep Brain Stimulation Leads

Diep in de hersenen kunnen minuscule elektrische stromen de trillingen van de ziekte van Parkinson kalmeren of de spierkrampen van dystonie verlichten. Om deze verlichting te bieden, implanteren chirurgen dunne, geïsoleerde draden die bekend staan als leads, die elektrische pulsen van een batterijpakket naar specifieke doelwitten transporteren. Decennialang eindigden deze draden in een eenvoudige metalen ring, waarbij elektriciteit in alle richtingen tegelijk werd verzonden. Nieuwere, meer geavanceerde leads zijn echter verdeeld in afzonderlijke segmenten, zoals plakjes van een taart. Dit ontwerp stelt artsen in staat om de elektrische stroom met precisie te sturen, gericht op de nuttige hersenbanen terwijl gebieden die bijwerkingen kunnen veroorzaken worden vermeden. Maar deze toegevoegde precisie komt met een nadeel: zodra de lead in de schedel zit, kan de arts niet zien welke kant de segmenten op wijzen. Als de lead zelfs maar een klein beetje draait na de operatie, kan de elektrische straal het doel missen, wat de effectiviteit van de therapie vermindert. Momenteel vereist het vinden van de oriëntatie van deze leads dat de patiënt wordt blootgesteld aan röntgenstraling of CT-scans, die ioniserende straling gebruiken. Dit creëét een dilemma: artsen moeten de richting van de lead weten om deze correct te programmeren, maar ze willen onnodige straling vermijden, vooral als ze de positie herhaaldelijk gedurende een langere tijd moeten controleren.

Een team van onderzoekers aan University College London heeft een oplossing voorgesteld die helemaal geen straling vereist. In plaats van naar de hersenen te kijken met röntgenfoto's, luisterden zij ernaar met een standaard elektro-encefalografie, of EEG, kap. Wanneer de geïmplanteerde lead een puls uitzendt, creëert dit een minuscuul elektrisch rimpeltje dat door de hersenen en de schedel naar het oppervlak van de hoofdhuid reist. De vorm van dit rimpeltje, en hoe het zich over het hoofd verspreidt, hangt volledig af van de richting waarin de segmenten van de lead wijzen. De onderzoekers ontwikkelden een methode om dit elektrische patroon in kaart te brengen en achteruit te rekenen om de rotatie van de lead te bepalen. Ze testten dit idee eerst in een realistisch model van een menselijk hoofd en daarna op een patiënt die een operatie had ondergaan. Hun werk suggereert dat een eenvoudige, stralingsvrije EEG-opname binnenkort een routineinstrument kan worden om ervoor te zorgen dat deze levensveranderende therapieën precies werken zoals bedoeld.

De reis begon in een laboratorium met een 3D-geprinte model van een menselijk hoofd, gevuld met een zoute vloeistof die de elektrische geleidbaarheid van echt hersenweefsel nabootst. In dit model plaatsten de onderzoekers een directionele lead en monteerden de gehele opstelling op een draaibare schaal. Ze kenden de exacte hoek van de lead op elk moment, omdat ze de schaal in nauwkeurige stappen van vijf graden konden draaien. Terwijl ze de lead roteerden, stimuleerden ze deze met elektrische pulsen en registreerden ze de resulterende patronen op het oppervlak van het modelhoofd met drieëntwintig sensoren. Het doel was om te zien of de elektrische patronen op een voorspelbare manier veranderden terwijl de lead draaide. Ze kwamen erachter dat dit inder het geval was. Door de gemeten patronen te vergelijken met computermodellen van hoe elektriciteit door het hoofd zou moeten stromen, konden ze de oriëntatie van de lead met opmerkelijke nauwkeurigheid bepalen. Wanneer ze de gegevens van alle drie de paren segmenten van de lead tegelijkertijd gebruikten, daalde de fout in hun schatting tot minder dan één graad. Dit was een cruciale eerste stap, die bewees dat het elektrische "vingerafdruk" van de lead genoeg informatie bevatte om de richting te onthullen zonder beeldvorming.

Geënthousiasmeerd door de resultaten van het model, gingen de onderzoekers over op een menselijk onderwerp. Ze werkten met een vijfenvijftigjarige man bij wie bilaterale leads waren geïmplanteerd om cervicale dystonie te behandelen, een aandoening die onvrijwillige nekspiercontracties veroorzaakt. Er waren elektroden op de hoofdhuid van de patiënt geplaatst en de onderzoekers stimuleerden de leads terwijl ze de elektrische respons van de hersenen registreerden. In tegen tegenstelling tot de gecontroleerde omgeving van het model, was dit een scenario uit de echte wereld met de complexiteiten van een levend menselijk lichaam, inclusief natuurlijke hersenruis en de aanwezigheid van metalen hardware. Ondanks deze uitdagingen hield de methode stand. De elektrische patronen die van de hoofdhuid van de patiënt werden geregistreerd, toonden duidelijk de oriëntatie van de leads aan. Wanneer de onderzoekers de EEG-gebaseerde schattingen vergeleken met de standaard CT-scanmetingen, waren de resultaten dicht bij elkaar. Voor de lead aan de rechterkant van de hersenen verschilde de EEG-schatting ongeveer acht graden van de scan. Voor de linkerkant was het verschil ongeveer vijftien graden. Gezien de moeilijkheden om dit in een levend persoon te meten, werden deze resultaten beschouwd als een sterke bevestiging dat de techniek buiten het laboratorium werkt.

Een grote zorg voor elke nieuwe medische technologie is of deze gebruikt kan worden in een typische kliniek, waar de apparatuur minder geavanceerd kan zijn dan in een onderzoekslaboratorium. De onderzoekers testten dit door een eenvoudigere opstelling te simuleren. Ze namen hun hoogwaardige opnames en verminderden kunstmatig het aantal sensoren, van tweeëndertig naar slechts zes. Ze verlaagden ook de snelheid waarmee de gegevens werden verzameld, wat oudere of goedkopere machines nabootste. Zelfs met deze reducties bleef de methode stabiel. De oriëntatieschattingen schommelden niet significant, wat suggereert dat een toekomstig klinisch apparaat een kleine, draagbare kap met zeer weinig sensoren kan gebruiken en nog steeds betrouwbare resultaten kan leveren. Deze bevinding is significant omdat het betekent dat de technologie niet vereist dat er dure, onderzoeksgraad apparatuur aanwezig is om te functioneren. Het zou potentieel geïntegreerd kunnen worden in standaard poliklinische bezoeken, waardoor artsen de positie van de leads snel en veilig kunnen controleren zonder de patiënten aan straling bloot te stellen.

De studie beweert niet dat elk probleem is opgelost. De onderzoekers erkennen dat hun methode ervan afhankelijk is dat de lead wordt gestimuleerd tussen specifieke segmenten op dezelfde ring, wat het gebruik beperkt tot bepaalde soorten apparaten. Ze merken ook op dat de nauwkeurigheid afhangt van het weten van de exacte locatie van de lead in de hersenen, wat nog steeds een preoperatieve scan vereist. Bovendien werd de menselijke test uitgevoerd op een enkele patiënt, dus de methode moet worden gevalideerd in een grotere groep om te waarborgen dat het voor iedereen werkt. Echter, de kernbevinding blijft staan: de elektrische signalen gegenereerd door de lead zelf dragen een duidelijke boodschap over de oriëntatie. Door deze boodschap te decoderen, kunnen artsen de therapie mogelijk met meer vertrouwen bijsturen. Het werk suggereert een toekomst waarin de verfijning van diepe hersenstimulatie wordt gestuurd door een eenvoudige, stralingsvrije registratie, waardoor een complexe technische uitdaging verandert in een routineonderdeel van de patiëntenzorg.