Best Practice: Ontwikkeling van een nieuwe generatie implantaten voor diepe hersenstimulatie

Michel Decré, 13 juli 2015
Deep Brain Stimulation

Tijdens Technology For Health 2014 stond er een inspirerende lezing op het programma over Deep Brain Stimulation (DBS): bij optimaal therapeutisch resultaat kunnen Parkinson- of tremorpatiënten hiermee bijna geheel en constant van hun trillingen en van hun rigiditeit bevrijd worden, wat vaak door hen als een wonder ervaren wordt. In deze Best Practice het succesverhaal van Michel Decré (Director Research & Technology, Medtronic Eindhoven Design Center).

 

Sinds ongeveer 25 jaar wordt deze techniek wereldwijd gebruikt om symptomen van de ziekte van Parkinson, essentiële tremor — en recenter ook dystonie en dwangneurose — te onderdrukken. Andere, vooral psychiatrische indicaties, worden actief onderzocht. Sinds de allereerste, toen beperkte goedkeuring van DBS-therapie in de VS, hebben naar schatting meer dan 140.000 patiënten een DBS-implantaat gekregen. DBS geneest de ziekte echter niet, en houdt ook het degeneratieve verloop ervan, indien aanwezig, niet tegen.

 

DBS-therapie wordt met behulp van een volledig geïmplanteerd systeem toegediend; het bestaat uit een implanteerbare pulsgenerator (IPG) en een daarmee verbonden geleidingsdraad met een diameter van
1,3 mm, die door een neurochirurg zeer nauwkeurig via een klein gaatje in de schedel in het gewenste hersengebied wordt geplaatst. Meestal moet er een geleidingsdraad in elk van beide hersenhelften worden geïmplanteerd. De implanteerbare pulsgenerator stuurt milde elektrische pulsjes naar de gekozen elektrode(s) die zich aan het einde van de draden bevinden, en deze verstoren c.q. herstellen de hersenactiviteit. De neuroloog bepaalt de optimale parameters van de stimulatiepulsen in de weken na de implantatie. Bij de traditionele DBS-therapie worden typisch geleidingsdraden gebruikt die aan het uiteinde (distaal) vier ringvormige elektrodes hebben, elk met een oppervlakte van ongeveer 4 mm2. Deze elektrodes bestaan uit massief platina en hebben een dikte van rond de 0,1 mm.

 

Als de geleidingsdraad perfect in het midden van het therapeutische doelgebied wordt geplaatst, leidt dat tot perfecte stimulatie. Dit is echter heel moeilijk: de neurochirurg moet een geleidingsdraad met een diameter van 1,3 mm meerdere centimeters diep in een kern – de subthalamische nucleus – plaatsen die niet groter is dan een kleine sperzieboon (zie links op de afbeelding). Doordat de ringvormige DBS-elektrodes de stimulatiestroom nagenoeg homogeen over het omliggende hersenweefsel verdelen, worden alle naburige structuren gelijk gestimuleerd. Zodra de geleidingsdraad maar een beetje zijwaarts misplaatst is, dreigt er stimulatie van ongewenste hersengebieden. Dit is de reden waarom naar schatting 15 tot 30% van de patiënten bijwerkingen kan ervaren (zie Burdick et al. (2010), Neurosurgery Focus).

 

Sapiens Steering Brain Stimulation werd in 2011 opgericht als spin-off van Philips Research Eindhoven met als doel de ontwikkeling van innovatieve hoge-resolutie DBS-implantaten om patiënten een betere DBS-therapie met minder bijwerkingen te kunnen bieden. Het Sapiens-team heeft nieuwe systemen ontwikkeld geïnspireerd door technologie voor flexibele elektronica: gebruikmakend van microfabricage en microlithografische technieken wordt een dunne biocompatibele film voorzien van een regelmatige matrix van kleine platina elektrodes (< 1 mm2) die zijdelings naar acht verschillende richtingen wijzen. De stimulatie kan selectief in het weefsel gericht worden, vandaar de naam “steering brain stimulation” (SBS).

 

Om het SBS-concept toe te gaan passen bij de mens stond het ontwikkelteam van Sapiens voor een aantal technologische uitdagingen. Aangezien bestaande DBS-geleidingsdraden traditioneel vier contactpunten hebben, die via robuuste connectoren met de IPG verbonden worden, moest er een ontwerp bedacht worden die de verbinding van tientallen elektrodes tijdens de chirurgie mogelijk maakt. Sapiens loste het op door controle-elektronica met schakelaars in de geleidingsdraad te integreren. Er bestonden echter geen chronisch implanteerbare geleidingsdraden met geïntegreerde elektronica: Sapiens moest dus de noodzakelijke circuits zodanig ontwerpen en miniaturiseren dat ze binnen een behuizing passen die klein genoeg is om door de neurochirurg acceptabel onder de schedelhuid geplaatst te worden. Daarnaast moeten de tientallen elektrodecontacten hermetisch verbonden en door de behuizing heen geleid worden, en wel voor de levensduur van de behandeling (10 tot soms 30 jaar) intact kunnen blijven.

 

Het oplossen van deze hardwareproblemen was echter niet voldoende geweest om SBS overtuigend bij de neurologen en neurochirurgen te brengen: het programmeren van een implantaat met tientallen elektrodes vergt een compleet nieuwe aanpak, een methode waarmee de clinici snel genoeg de beste stimulatieparameters kunnen bepalen. Daarom heeft Sapiens van begin af aan voor een holistische, systeeminnovatiestrategie gekozen. Een ervaren team van software-ingenieurs heeft met behulp van zowel stimulatiemodellen, medische beeldverwerkingssoftware als user interfaces, ervoor gezorgd dat de artsen een softwaresuite krijgen die hen ondersteunen bij het visualiseren van de therapeutische doellocaties en het hierop afstemmen van de sturingsparameters.

 

Dankzij de matrixlay-out van de Sapiens-elektrodes wordt de resolutie van DBS met een ordergrootte verhoogd. Zoals Martens en collega’s in 2011 in Clinical Neurophysiology aantoonden, is de elektrodematrix in staat elektrische pulsjes zodanig te sturen dat ze alleen hersengebieden treffen die therapeutisch relevant zijn. Op deze manier kunnen ook gebieden vermeden worden die anders bijwerkingen zouden kunnen opwekken (zie rechts op de afbeelding hoe het numeriek berekende stimulatiegebied – in het rood – beperkt wordt tot de omtrek van de STN, in tegenstelling tot de berekende homogene stimulatie links, die in dit geval naar de capsula interna (CI) “lekt”). Na de initiële “proof of concept” in dieren, werd Sapiens Steering Brain Stimulation B.V. op de High Tech Campus opgericht.

 

Twee jaar later werden de resultaten van de toepassing bij mensen bevestigd, dankzij een kleinschalige studie op het Academisch Medisch Centrum bij acht patiënten (Contarino et al. (2014), Neurology; L..J. Bour, et al. (2015) Brain Stimulation (in press)). Na de publicatie van de studieresultaten werd Sapiens B.V. in augustus 2014 gekocht door Medtronic Inc. De inspanning om vernieuwende neuromodulatietherapieën bij patiënten te brengen gaan nu onder de naam Medtronic Eindhoven Design Center door.

>> Blijf op de hoogte van innovaties tijdens Technology for Health 2015

Op 6 en 7 oktober is vakbeurs en congres Technology for Health wederom het trefpunt voor professionals die betrokken zijn bij de ontwikkeling van nieuwe medical devices.

Op het programma staan o.a. succesvolle marktintroducties,E-Health,  embedded software, 3D printing, fotonica, robotica, domotica, hart- en vaatziekten.