Die Tiefenhirnstimulation (THS) hat sich als besonders wirksam bei der Behandlung von Symptomen erwiesen, die mit Bewegungsstörungen wie Parkinson verbunden sind. Um die effektivsten Stellen im Gehirn finden zu können sowie eine automatisiere Methode zum Testen der implantierten Elektroden, bedarf es entsprechender Instrumente für Chirurgen.
Im Rahmen seiner Doktorarbeit, die im Rahmen des AFR-Promotionsprogramms vom Nationalen Forschungsfonds (FNR) in Luxemburg finanziert wurde, entwickelte der Informatiker Dr. Andreas Husch innovative bildbasierte Berechnungsansätze (sogenannte Algorithmen), die die Genauigkeit der THS verbessern und die bereits von Wissenschaftlern und Klinikern weltweit eingesetzt werden. Diese Arbeit wurde am Centre Hospitalier de Luxembourg (CHL) und am Luxembourg Centre for Systems Biomedicine (LCSB) der Universität Luxemburg durchgeführt.
Die Tiefenhirnstimulation (THS) ist eine Intervention, bei der Elektroden permanent ins menschlichen Gehirn implantiert werden, um die Symptome verschiedener Bewegungsstörungen und neuropsychiatrischer Störungen wie Zittern, Dystonie und Parkinson zu lindern. Die ersten THS-Experimente fanden vor etwa 60 Jahren statt, wobei moderne THS-Verfahren seit etwa 30 Jahre zum Einsatz kommen.
„Ein Tiefenhirnstimulator ist ähnlich wie ein Herzschrittmacher: er wird normalerweise unter der Haut im Brustbereich eingesetzt. Ein Kabel führt von dort aus bis zum Gehirn, wo es mit einer flexiblen Elektrode verbunden ist“, erklärt Dr. Andreas Husch. „Die Elektrode verfügt über mehrere Kontakte, die mit dem "Schrittmacher" verbunden sind. Während der Operation muss der Schrittmacher programmiert werden, um festzulegen, welcher der vier Kontakte wie stark stimuliert wird. Die Stimulation kann an den Patienten angepasst werden, um die beste Wirkung zu erzielen und im Idealfall keinerlei Nebenwirkungen zu verursachen.“
Trotz der jahrzehntelangen Erfahrung mit THS könnten jedoch einige Aspekte von einer weiteren Verbesserung profitieren. Eine zentrale Frage in der THS-Forschung ist beispielsweise, wie die optimalen Stimulationsziele für die Behandlung verschiedener Krankheiten - in diesem Fall für die Parkinson-Krankheit - genau definiert werden können. Hier können Informatiker, wie Dr. Andreas Husch helfen, der sich in seinem Studium mit Softwareentwicklung, Machine Learning und bildgebenden Verfahren befasste.
Von Methoden zur Hochwasservorhersage bis hin zur computergestützten Tiefenhirnstimulation
Während seines Bachelor-Studiums an der Fachhochschule Trier arbeitete Andreas an einem Projekt, das sich mit Hochwasservorhersagen für die Mosel befasste. Der Zusammenhang zwischen Hochwasservorhersage und THS ist vielleicht nicht gleich offensichtlich, Andreas erklärt jedoch die verblüffenden Gemeinsamkeiten:
„Bei einem Fluss kann man zum Beispiel messen, wie sich der Wasserstand im Laufe der Zeit ändert. Im Gehirn messen wir kleinste elektrische Ströme von einzelnen Nervenzellen. Dies ist auch ein Signal über die Zeit – daher ist es im Bezug auf die Daten sehr ähnlich. Das bedeutet, dass wir ähnliche Algorithmen am Computer anwenden können.“
Während seines Masterstudiums arbeitete Andreas mit dem Informatiker Prof. Peter Gemmar zusammen, der an Projekten im Bereich THS und Hochwasserprognose beteiligt war. In Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Frank Hertel, Leiter der Nationalen Neurochirurgischen Abteilung am Centre Hospitalier de Luxembourg (CHL), hatte Gemmar die Idee Computeralgorithmen aus der Flutprognose auf THS anzuwenden und schlug vor, Informatiker in den THS-Operationssaal zu holen.
„Ich habe viel Zeit damit verbracht, Operationen zu beobachten und zu versuchen, die Bedürfnisse der Chirurgen zu verstehen: was brauchen sie wirklich und wie können wir mit der Informatik helfen?“, erklärt Andreas.
Reaktion auf den Bedarf an postoperativen Hilfsmitteln
„Ursprünglich sollte mein Projekt auf die Verbesserung der intraoperativen Phase abzielen, aber während des Projekts haben neue Entwicklungen in diesem Bereich den Fokus auf die postoperative Phase geändert“, erklärt Andreas. Grund waren Neuentwicklungen bei der Verwendung von Elektroden für THS: traditionell wurden für THS Elektroden mit vier Kontakten ins Gehirn implantiert. Mittlerweile können jedoch bis zu acht Kontakte mit komplexeren Formen verwendet werden, die eine "Steuerung" des Stroms in eine bestimmte Richtung ermöglichen.
„Dies macht den postoperativen Teil natürlich viel komplexer, da wir mit mehr Kontakten arbeiten und die Programmierung des Stimulators erheblich länger dauert. Dies hat zu einer dringenden Notwendigkeit geführt, postoperative Hilfsmittel für Chirurgen zu entwickeln “, erklärt Andreas.
Dies führte dazu, dass Andreas den Algorithmus "PaCER" entwickelte, der derzeit der präziseste und einzige vollautomatische Algorithmus ist, der zur Wiederherstellung der postoperativen Elektrode aus CT-Daten veröffentlicht wurde. Das übergeordnete Ziel des Projekts bestand darin, eine objektive und möglichst automatische Bewertung und Unterstützung eines personalisierten Tiefenhirnstimulationsprozesses zu ermöglichen. Dies trägt zu einem besseren Verständnis der Wirkung von THS bei individuellen Patienten bei und kann durch eine personalisierte Berechnung und damit Empfehlung an den Arztes eine verbesserte Therapie ermöglichen.
Patent oder Open Source?
Da die PaCER-Software öffentlich zugänglich ist, kann sie von allen Forschern und Ärzten weltweit frei verwendet werden. Eine Forschungsgruppe der Charité Berlin in Deutschland hat sie in ihr Lead DBS-Softwarepaket integriert und somit Forschern weltweit zugänglich gemacht.
Automatisierte Lösung für Chirurgen
Andreas wollte jedoch noch einen Schritt weiter gehen und die Routine der Chirurgen weiter automatisieren.
„Wir haben mit Mikkel Petersen von der Universität Aarhus, Dänemark kooperiert und versucht, PaCER in eine automatische Pipeline zu integrieren. Um einem Arzt zu helfen, benötigen wir eine Schätzung der individuellen Gehirnstruktur des Patienten. Dank unseres nächsten Projektes können wir dem Arzt nun eine vollständig interaktive 3D-Karte des Gehirns zur Verfügung stellen “, erklärt Andreas.
„Mit dem neuen 3D-Tool können Chirurgen sehen, wie gut die Elektroden platziert sind und wie sie verbessert werden können, ohne alles testen zu müssen. Obwohl dies immer noch ein Prototyp ist, soll schon jetzt gezeigt werden, wie es klinisch eingesetzt werden kann.“ Seine Kooperationspartner in Dänemark führten bereits eine kleine unabhängige klinische Validierungsstudie durch, in der sie die Methoden schnell auf ihre klinischen Daten anwenden konnten.
Auf die Frage, ob PaCER zum Standard für postoperative THS werden könnte, erklärt Andreas, dass dies möglich sei, dass jedoch noch einige Erweiterungen und die Einbindung von Unternehmen erforderlich seien, um eine CE-Kennzeichnung zu erhalten. Mit einer solchen Kennzeichnung für Medizintechnikprodukte, für die Qualitätssicherung, Überwachung und Nutzen gesetzlich festlegt sind, wird deutlich, dass eine Methode zugelassen ist und binnen der Europäischen Union bei Patienten angewendet werden darf.
Auszeichnung für die Verbesserungen in der postoperativen DBS-Phase
Im September 2018 wurde Andreas Husch für seine Doktorarbeit, insbesondere für die Verbesserung der postoperativen Phase von THS, von InSilico Trials und dem VPH-Institut ausgezeichnet. Dr. Husch wurde kürzlich zu einem Vortrag in Shanghai eingeladen, bei dem er die wichtigsten Aspekte seiner Doktorarbeit vorstellte. Der Vortrag wurde zusammen mit Prof. Dr. Frank Hertel, dem zweiten Doktorvater von Dr. Husch, gehalten. Die interdisziplinäre Forschung aus Luxembourg ist nun weltweit anwendbar.
> Schauen Sie hier sich das ausführliche Interview mit Dr. Andreas Husch an.
> Patienten mit Bewegungsstörungen wie Parkinson, Tremor-Erkrankungen (essentieller Tremor und seltener Tremor-Erkrankungen) oder Dystonie (Erwachsene oder Kinder) können sich bei Fragen ans Center für Tiefenhirnstimulation in Luxemburg wenden.
Photo: LCSB/scienceRELATIONS