Förderprojekte

Förderbeginn 01.01.2024

Untersuchung komplexer Stimulationsmuster unter Verwendung verschiedener räumlicher Konfigurationen von Ultraschallwandlern für die Neuromodulation

Dr. Alexander Paulus
Technische Universität München
Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik

Prof. Dr. Kim Butts Pauly
Stanford University
Department: Rad/Radiological Sciences Laboratory

Die fokussierte Ultraschallstimulation (FUS) ist eine neuartige Technik zur nicht-invasiven Gehirnstimulation. Gegenwärtig wird FUS üblicherweise über einen Schallwandler am Kopf angewandt, wobei ein bestimmter fokaler Punkt im Gehirn anvisiert wird (abhängig von der gewünschten Hirnregion).

Zur Erforschung neuronaler Schaltkreise und Behandlung neurologischer Erkrankungen sind jedoch weitaus komplexere Stimulationsmuster zur Erzeugung multifokaler Punkte und unbeschallter Zonen erforderlich. Die erreichte Auflösung und Genauigkeit dieser Muster korreliert mit der Anzahl und den Positionen der räumlich verteilten Ultraschallwandler. Die Phasenterme der einzelnen Ultraschallelemente können durch die numerische Lösung eines nichtlinearen inversen Problems korrigiert und optimiert werden.

Wir beginnen mit der Implementierung einer Lösungsmethode in Kombination mit dem neuronalen Netzwerk TUSNet, welches kürzlich von Stanford-Doktoranden entwickelt wurde und die Phasenkorrektur für Konfigurationen mit einem einzelnen fokalen Punkt ermöglicht. Unser Ansatz besteht darin, dieses Netzwerk mit 2D-Karten anstelle von einzelnen fokalen Punkten als Eingangsgrößen zu erweitern und anzupassen. Dabei wenden wir Methoden zur sogenannten Phasenkorrektur an, um optimale Phasenterme für verschiedene Stimulationsmuster zu erhalten, die dann in das erweiterte Modell eingespeist werden.

Der Löser soll nützliche räumliche Konfigurationen von Ultraschallwandlern für verschiedene Stimulationsmuster und Gehirnregionen identifizieren. Letztendlich fokussieren wir uns auf ein System, das die erforderlichen Phasenbeziehungen basierend auf einer zeitlichen Abfolge von Stimulationsmustern in Echtzeit liefern kann.

Abschlussbericht
Innerhalb des Projektrahmens wurde eine echtzeitfähige Optimierungsmethode zur Beschallung volumetrischer Zielregionen im Gehirn unter Verwendung orthogonal ausgerichteter Phased-Array-Ultraschallwandlern entwickelt. Die Methode ermöglicht eine präzise Kontrolle intrakranieller Schallfelder durch Optimierung von Phasen- und Amplitudenparametern innerhalb weniger Sekunden und erlaubt damit eine zeitgleiche Stimulation mehrerer Ziele bei gleichzeitiger Begrenzung unerwünschter Off-Target-Aktivierungen. Die Robustheit gegenüber Schallwandler-Verschiebungen wurde evaluiert, und ein Ray-Tracing-Korrekturschema konnte die Fokalpräzision bei Fehlanordnung der Schallwandler erfolgreich wiederherstellen. Diese Fortschritte erweitern die Möglichkeiten und die Zugänglichkeit zur Erstellung von Behandlungsplänen für den Einsatz von fokussiertem Ultraschall in der Neuromodulation. Die Arbeit wurde auf zwei internationalen Konferenzen (FUN24 und ISTU24) präsentiert und als Preprint veröffentlicht (https://doi.org/10.36227/techrxiv.174776554.48018180/v1).