EyeTSS - 3-D-Transkraniale Stromstimulation und Analyse der neurovaskulären Kopplung mittels retinaler Gefäßanalyse - Ilmenau

Die InnoProfile-Initiative "MIntEye“(2007-2011) will ihr regionales Innovationsprofil mit dem folgenden Vorhaben stärken und weiterentwickeln:

Die InnoProfile-Transfer-Initiative

Verschiedenen, häufigen neuropsychiatrischen Erkrankungen liegen Veränderungen der kortikalen Erregbarkeit bzw. der Hirnfunktion zu Grunde, was zu enormen Einschränkungen für die betroffenen Personen führen kann. Beispielsweise ist der Schlaganfall (jährlich 260.000 in Deutschland) die häufigste Ursache für eine erworbene Behinderung im Erwachsenenalter. Mit Hilfe elektrischer Stimulation (transkraniale Stromstimulation - TSS) lassen sich diese Veränderungen positiv beeinflussen, was dem Patienten hilft.

Die transkraniale Stromstimulation ist sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die Therapie von neuropsychiatrischen Erkrankungen mit pathologischen Veränderungen der kortikalen Erregbarkeit (z.B. Schlaganfall, Epilepsie, Migräne, Tinnitus, Depressionen, Multiple Sklerose, Demenz, chronische Kopfschmerzen, Parkinson usw.) von überaus großem Interesse.

In der Region Thüringen gibt es eine lange Tradition in der Medizintechnik. In den letzten Jahrzehnten hat sich daran anknüpfend das Technologiedreieck Jena-Erfurt-Ilmenau zu einem Cluster medizintechnischer Unternehmen entwickelt. Viele der hier angesiedelten Unternehmen bestimmen auf ihrem Gebiet das technologische Weltniveau. Der Interessenverbund medways e.V. ist ein wichtiger Partner bei der Entwicklung innovativer Medizintechnik. Sehr gute Forschungsmöglichkeiten auf den Gebieten der Lebenswissenschaften bieten das Institut für Biomedizinische Technik und Informatik der TU Ilmenau, die FH Jena und die Friedrich-Schiller-Universität Jena.

Durch eine fokussierte und nachhaltige Zusammenarbeit mit regionalen Unternehmen eröffnet sich für diese die Möglichkeit einer beschleunigten Entwicklung vermarktungsfähiger Produkte zur Therapie neuropsychiatrischer Erkrankungen.
 

Die Ziele

Das Gesamtziel des Vorhabens ist es, die bisher räumlich ungezielte und aselektiv eingesetzte TSS zu optimieren, damit zielvolumengenaue, krankheitsbildselektive und patientenbezogene transkraniale Stromstimulationen ermöglicht wird.

Durch die angestrebte Verbindung neurophysiologischer und ophthalmologischer Forschungsansätze entstehen multimodal getriebene Erkenntnisse über die Dynamik, den Verlauf und die exakte Ausprägung der strominduzierten biologischen Prozesse, die bislang nicht bekannt sind. Die Effekte der elektrischen Stimulation sind am Auge gut zu beobachten und werden auf das Gehirn übertragen.

Im Rahmen des Projekts werden grundlegende F&E-Fragestellungen der eingebundenen KMU betrachtet.
 

Die thematischen Schwerpunkte

Technische Umsetzung
Zur Untersuchung der neurovaskulären Kopplung am Auge sowohl bei visueller Stimulation als auch bei Stromstimulation, soll der im vorangegangenen InnoProfil MIntEye erarbeitete multimodale Stimulator zur funduskontrollierten Stimulation als gerätetechnische Basis eingesetzt werden. Dazu ist es notwendig, das bestehende System hinsichtlich Ortsauflösung, Zeitauflösung und Skalierbarkeit der Stimuli für die Paradigmen der dynamischen retinalen Gefäßanalyse anzupassen.

Modellierung der neurovaskulären Kopplung
Aus Studienergebnissen mit Hilfe des funduskontrollierten Stimulators wird ein Modell zur neurovaskulären Kopplung am Auge erstellt. Eine entscheidende Rolle spielt dabei der Vergleich bzw. Abgleich von neurovaskulärer Kopplung bei visueller gegenüber strominduzierter Stimulation mit einer entsprechenden Validierung. Über eine Beschreibung der Zusammenhänge zwischen Mikrozirkulation und neuronaler Aktivität am Auge soll eine Vorhersage der neurovaskulären Kopplung, in Abhängigkeit der Parameter einer vorausgehenden Stromstimulation, ermöglicht werden.

Kortex-Phantom
Durch die Entwicklung und den Aufbau eines Phantoms sollen unterschiedlich leitfähige Kortexschichten simulierbar werden. Innerhalb des Phantoms soll eine hochaufgelöste Tiefenprofilanalyse der Stromverteilung erfolgen. Nach einer Vorauswahl geeigneter Materialien und der Zusammenstellung wichtiger Materialeigenschaften werden schließlich die favorisierten Materialien speziellen Vermessungen unterzogen, beispielsweise Impedanzanalysen. Nach der Bewertung der Messergebnisse wird endgültig die Materialauswahl getroffen, um schließlich die unterschiedlichen Kortexphantome je nach Näherungsgrad an die reale Kopfform zu realisieren.

Simulation der Stromstimulation
In einem ersten Schritt werden die Wirkung und der Wirkort bestehender Stromstimulations-Paradigmen simuliert. Aus dem Vergleich der hieraus gewonnenen Ergebnisse mit den bisher angenommenen physiologischen Effekten und Zielgebieten der Paradigmen werden Optimierungsstrategien abgeleitet. Durch schrittweise Änderungen der Paradigmen und der damit verbundenen Annäherung an Idealparameter entsteht eine neuartige optimierte Stromstimulation.

Haube auf Basis textiler Elektroden
Zur Ableitung der kortikalen Aktivität bzw. des Elektroenzephalogramms (EEG) sowie zur gleichzeitigen Einkopplung der Stimulationssequenzen der Stromstimulation wird eine neuartige textile Haube entwickelt. Dies bietet den Vorteil, dass die gleichen Elektroden zur Stimulation und Messung verwendet werden können. Dadurch entfällt eine Repositionierung der Signalerfassungs- und Stimulationselektroden, Positionierungsfehler bei Wiederholungsmessungen werden vermieden, ggf. sind höhere Elektrodendichten erreichbar und letztlich wird die Vorbereitungszeit minimiert.

Validierung und klinische Anwendbarkeit
Mit Hilfe des Kortex-Phantoms werden Messungen bezüglich der Verteilung elektrischer, magnetischer oder elektromagnetischer Felder im Schädel durchgeführt. Beeinflussende Faktoren wie z.B. die Leitfähigkeit an der Schädeloberfläche und im Gewebe werden über einen definierten Parameterraum systematisch variiert und deren Einfluss auf die Messergebnisse untersucht. Darauf basierend wird eine engmaschigere Kombinationenauswahl in einer Probandenstudie umgesetzt, damit eine umfangreiche und fundierte Auswertung hinsichtlich der Möglichkeiten und Grenzen der Optimierung von Stromstimulationsanwendungen möglich ist.

Die Beurteilung der klinischen Anwendbarkeit basiert auf einer Aufwand-zu-Nutzen-Analyse hinsichtlich der erforderlichen Gerätetechnik, der Einarbeitung von Fachpersonal an dieser Technik, der Vorbereitung, Durchführung und Nachbereitung einer Therapiesitzung und deren konkreten Erfolg für den Patienten unter Aufarbeitung potenzieller limitierender Faktoren.

Die Partner

Im Rahmen des InnoProfile-Transfer Projekts EyeTSS sind thüringische KMU und weitere Unternehmen eingebunden:

  • OphthalmoInnovation GmbH
  • neuroConn GmbH
  • warmX GmbH
  • Universitätsmedizin Göttingen

Kontakt

Instituts- und Projektleiter:
Prof. Dr.-Ing. habil. Jens Haueisen

Wissenschaftliche Assistenz:
Dipl.-Ing. Matthias Klemm

Technische Universität Ilmenau
Institut für Biomedizinische Technik und Informatik
Gustav-Kirchhoff-Straße 2
98693 Ilmenau
Tel: 03677 691329
Fax: 03677 691311
E-Mail: matthias.klemm[at]tu-ilmenau.de
www.tu-ilmenau.de/bmti


Berichterstattung aus dem "Blickpunkt" finden Sie hier.

Nähere Informationen zum vorangegangenen InnoProfile-Projekt MIntEye finden Sie hier. Weitere Informationen zur ebenfalls aus dieser InnoProfile-Initiative hervorgegangenen InnoProfile-Transfer-Stiftungsprofessur MAMUD finden Sie hier.