Die tiefe Hirnstimulation (THS) ist ein etabliertes Verfahren zur Behandlung von Bewegungsstörungen, insbesondere des fortgeschrittenen Morbus Parkinson. Dabei werden Elektroden in spezifische Hirnregionen implantiert, um die Symptome zu lindern. Ein innovatives System von Boston Scientific setzt hier neue Maßstäbe.
Tiefe Hirnstimulation: Eine etablierte Therapie
Die Tiefe Hirnstimulation (THS, engl. deep brain stimulation, DBS) ist ein therapeutisches Verfahren zur elektrischen Stimulation subkortikaler Kerngebiete. Die DBS ist in der Behandlung des fortgeschrittenen Morbus Parkinson eine etablierte und leitliniengerechte Methode. Kerngebiete für die Stimulation sind der Nucleus subthalamicus (STN), der Globus pallidus internus (GPI) sowie bei tremordominantem M. Parkinson ggf. der Nucleus ventralis intermedius thalami (VIM). Dabei werden in einer stereotaktischen Operation meist bilateral spezielle Elektroden in das Kerngebiet implantiert und mit einem subkutan implantierten Impulsgenerator verbunden.
Innovation aus Würzburg: Vercise Cartesia X Elektroden
Am Uniklinikum Würzburg (UKW) wurde im Juni erstmals in Deutschland das innovative THS-System Vercise Cartesia X des Herstellers Boston Scientific bei einem 69-jährigen Parkinson-Patienten erfolgreich implantiert. Diese Elektroden sind die ersten und bislang einzigen direktionalen Elektroden mit 16 Kontakten auf dem Markt.
Präzision durch Directional Leads
Seit Ende 2015 ist ein neues Elektrodendesign in Europa zugelassen worden und wird seitdem bei einer Mehrzahl der Patienten verwendet. Bei diesem Design wurden zwei der ringförmigen Kontakte durch jeweils drei Segmentkontakte ersetzt. Diese sogenannten „direktionalen“ Segmente können separat aktiviert werden, sodass daraus eine gerichtete Stromabgabe ans Gewebe resultiert (sog. „direktionale Stimulation“). Bei dem Patientenkollektiv der geplanten Studie, wurden direktionale Elektroden implantiert, bei denen die beiden mittleren der insgesamt 4 Kontaktebenen in jeweils 3 Segmente unterteilt sind. Mit einer segmentierten Kontaktebene kann sowohl klassisch kugelförmig (omnidirektional) als auch gerichtet (direktional) stimuliert werden.
Funktionsweise des THS-Systems
Das THS-System lindert die Symptome von Bewegungsstörungen, indem es zarte elektrische Impulse an spezifische Gehirnregionen sendet. Hierfür werden zwei Sonden mit Elektrodenkontakten im Gehirn der Parkinson-Patientinnen und -Patienten platziert. Die Elektroden sind mit einem Hirnschrittmacher, dem sogenannten Vercise Genus, verbunden, der unterhalb des Schlüsselbeins unter der Haut implantiert wird und über feine Kabel mit den Hirnelektroden verbunden ist. Die elektrische Stimulation harmonisiert das Zusammenspiel der funktionell gestörten Hirnareale, wodurch Bewegungsabläufe wieder besser koordiniert werden können.
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Vorteile des Vercise Cartesia X Systems
Durch die Verdoppelung der Elektrodenkontakte im Vergleich zu früheren THS-Systemen, die Segmentierung in noch kleinere Kontakte und deren über 360° wählbare Ausrichtung ringsum ist es jetzt möglich, die Stimulation sehr genau zu steuern und noch individueller an die Bedürfnisse der Patientinnen und Patienten anzupassen.
Professorin Dr. Cordula Matthies, Leiterin der Funktionellen Neurochirurgie am UKW, betont: „Das innovative System erlaubt eine maßgeschneiderte, hochpräzise Therapie, die auf die individuellen Bedürfnisse abgestimmt werden kann - sowohl direkt nach der Implantation als auch im Verlauf der Erkrankung, wenn sich die Symptome verändern.”
Zudem können die Ärztinnen und Ärzte mithilfe einer neuen Software mit automatischem Algorithmus die Stimulationsprogramme anhand der Hirnbilder der Patientinnen und Patienten am Computer entwerfen, berechnen und simulieren, was die Ansteuerung der Elektrodenkontakte optimiert und die Austestung des individuellen Stimulationsprogramms wesentlich erleichtert und beschleunigt.
Individualisierung der Therapie durch Computersimulationen
Der Mix aus neuartigem Elektrodendesign, Computersimulationen, non-invasiven Bildgebungsverfahren und veränderten Stimulationstechniken wird die Therapie von Parkinson-Patienten individualisieren.
Neuartige Softwarelösungen zur Elektrodenlokalisation gehen über diese beschreibende Form der klinischen Lagekontrolle hinaus und haben eine exakte Lagebeschreibung der Elektrode, ihrer Stimulationskontakte und anatomischen Umfeldstrukturen (wie dem Zielkerngebiet und Fasertrakten) im dreidimensionalen Raum zum Ziel. Die meisten derartigen Lösungen befinden sich noch in der Entwicklung oder wissenschaftlichen Evaluationsphase.
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Das zugrunde liegende methodische Konzept der Lösungen ist jedoch stets ähnlich. Das Artefakt der THS-Elektroden und -kontakte wird in den postoperativen Bilddaten entweder manuell oder teilautomatisiert identifiziert und mittels moderner Algorithmen mit dem anatomischen Raum eines subkortikalen Atlas koregistriert. Am Beispiel der frei verfügbaren Softwarelösung Lead-DBS (4; www.lead-dbs.org) sollen diese Prozesse im Folgenden etwas genauer beschrieben werden.
So findet hier zunächst eine teilautomatisierte Lokalisation des Elektrodentrajekts statt, anschließend werden die Elektrodenkontakte manuell mit einem genau für diese Aufgabe entwickelten Tool lokalisiert. Die patientenspezifischen Daten werden mittels nonlinearer Koregistrierungsalgorithmen exakt in einen stereotaktischen Standardraum (den sogenannten „MNI-Raum“ des Montreal Neurological Institutes) transformiert. In diesem Raum wurden bereits mehrere subkortikale Atlanten definiert, welche jeweils unterschiedliche Strukturen abbilden.
Der auf Histologieschnitten basierende Morel-Atlas (5) wurde zum Beispiel im Rahmen zweier weiterer Studien digitalisiert (6) und in den MNI-Raum transformiert (7). Er beinhaltet neben dem STN und dem Nucleus ruber die thalamischen Kerne nach der Jones Nomenklatur (8). Andere subkortikale Atlanten basieren hingegen auf MRT-Bildgebung, wie zum Beispiel der ATAG- (9) oder BGHAT-Atlas (10), und stehen ebenfalls im MNI-Raum zur Verfügung. Mittels Lead-DBS können nun die Elektroden und Atlasdaten im dreidimensionalen Raum gemeinsam dargestellt werden (Abbildung 1). Somit wird auf einen Blick klar, welche der verschiedenen Elektrodenkontakte inner- oder außerhalb der anvisierten Zielregion liegen.
Die Software bietet darüber hinaus die Möglichkeit, das Stimulationsvolumen verschiedener THS-Einstellungen am Computer zu simulieren und somit die Auswirkungen der THS vorab zu erproben.
Mittels Gruppenstatistiken können ferner ganze Patientenkohorten wissenschaftlich analysiert werden, um die Effekte der THS in Zukunft weiter zu verbessern und zu verstehen.
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Parkinson: Eine wachsende Herausforderung
Die Parkinson-Erkrankung ist eine langsam fortschreitende, degenerative Bewegungsstörung, die durch den Verlust von Nervenzellen zu einer Fehlfunktion des motorischen Netzwerks des Gehirns führt. Dies kann zu verlangsamten Bewegungen, Zittern, Muskelsteifheit und Schwierigkeiten bei Gleichgewicht und Koordination führen. Mit fortschreitender Krankheit verschlimmern sich diese Symptome und beeinträchtigen zunehmend die Fähigkeit der Betroffenen, ihren Alltag selbstständig zu bewältigen. Aktuell leben mehr als 1,2 Millionen Menschen in Europa mit Parkinson - und diese Zahl wird voraussichtlich bis zum Jahr 2030 auf das Doppelte ansteigen.
Unter Bewegungsstörungen versteht man Abweichungen von normalen Bewegungsmustern, die aufgrund von neurologischen oder muskulären Problemen auftreten. Dies kann eine Vielzahl von Symptomen umfassen, z. B. unkontrolliertes Zittern, Steifheit, verlangsamte oder beschleunigte Bewegungen. Die Ursachen von Bewegungsstörungen sind nicht immer bekannt, aber sie sind in der Regel durch Veränderungen im Gehirn oder im Rückenmark bedingt.
Vergleich von direktionaler und omnidirektionaler Stimulation
Bei dem Patientenkollektiv der geplanten Studie, wurden direktionale Elektroden implantiert, bei denen die beiden mittleren der insgesamt 4 Kontaktebenen in jeweils 3 Segmente unterteilt sind. Mit einer segmentierten Kontaktebene kann sowohl klassisch kugelförmig (omnidirektional) als auch gerichtet (direktional) stimuliert werden.
Es werden für den Patienten Monopolar Review durchgeführt. Dabei wurden im medikamentösen OFF-Zustand der Patienten bei festen Stimulationsparametern die einzelnen Kontakte nacheinander aktiviert und der klinische Effekt auf Rigor, Kinese und Tremor bewertet. Ebenso wurde das Auftreten möglicher Nebenwirkungen erfasst. Die Auswertung der monopolaren Reviews zeigte, dass es in ca. 60% direktionale Kontakte gibt, deren separate Stimulation zu einem besseren klinischen Effekt oder einer höheren Nebenwirkungsschwelle im Vergleich zu der klassischen Ring-Stimulation führt.
Nun soll an zehn Patienten die direktionale Stimulation mit der omnidirektionalen Stimulation unter Alltagsbedingungen miteinander verglichen werden. Auf dem Impulsgenerator der Patienten können bis zu vier verschiedene Stimulationseinstellung (sogenannte Programme) einprogrammiert werden und durch den Patienten mittels eines Patienten-Handgeräts eigenständig ausgewählt bzw. angeschaltet werden. Im Rahmen der Studie sollen sowohl direktionale als auch nicht-direktionale Stimulationseinstellungen vorprogrammiert werden. Die Patienten sollen die unterschiedlichen Programme in einem definierten Rahmen randomisiert anschalten und hinsichtlich des klinischen Effekts im Alltag bewerten. Desweiteren können die Patienten die Stimulationsamplitude bedarfsabhängig anpassen.
Die Evaluation der Programme und Optimierung der Stimulationsamplitude im häuslichen Umfeld soll durch eine Videotherapie durch einen Arzt begleitet und unterstützt werden. Hierfür wird bei dem Patienten zu Hause eine Kamera installiert, mit welcher der Patient über den Tag verteilt Videos seiner Beweglichkeit machen soll. Die Videos werden automatisch über ein telemedizinisches Dokumentationssystem hochgeladen und dem Studienarzt unmittelbar zur Verfügung gestellt. Eine solche Videotherapie wird bereits seit langem in der regulären Patientenversorgung im Rahmen der Heilfürsorge von der Klinik und Poliklinik für Neurologie eingesetzt (Firma MVB, Koblenz). Etabliert ist dieses Prinzip bereits für die medikamentöse Einstellung und Optimierung von Parkinsonpatienten im häuslichen Umfeld.
Telemedizinische Unterstützung
Die Verbesserung der Beweglichkeit wird von zwei ärztlichen Mitarbeitenden aus der Neurologie/Neurochirugie gemeinsam überprüft. Dafür wird die tägliche Videoaufnahme evaluiert, hier wird in Anlehnung an die Unified Parkinson's Disease Rating Scale eine Videobasierte Bewertung vorgenommen.
Rehabilitation als wichtiger Bestandteil
Zusammengefasst muss der operierte Parkinsonpatient wieder lernen, mit dem für ihn neuen Zugewinn an Beweglichkeit im Alltag zurechtzukommen. Vieles ist dabei durch eine gleichbleibend gute Beweglichkeit, ein Höchstmaß an Unabhängigkeit mit Verbesserung der Teilhabe im gesamten Tagesverlauf zu erzielen. Aufgrund der offensichtlichen Intensität und Komplexität der Rehabilitation von Patienten mit tiefer Hirnstimulation kann eine Behandlung dieser Rehabilitanden i. d. R.
Multidisziplinärer Ansatz in der Rehabilitation
Die Rehabilitation des operierten Patienten mit idiopathischem Parkinsonsyndrom im multidisziplinären Team. Neben einer ausführlichen, postoperativen Austestung der einzelnen Pole der Stimulationselektroden (jeweils 4 Pole auf jeder Seite) täglich im Rahmen einer regelmäßigen (u.U. Die Dauer dieser komplizierten Einstellungsphase liegt in der Regel bei ca. 3 - 4 Wochen, manchmal auch länger, u. a. aufgrund des sog. „Setzeffektes“, der gerade zu Beginn postoperativ die Findung einer optimalen Einstellung zunächst erschweren kann.Darüber hinaus bestehen unmittelbar postoperativ zunächst weiterhin starke „On-Off Fluktuationen“, d. h.
Elemente der Rehabilitation
- Physiotherapie: Korrektur von Sitz und Haltung, Verbesserung von Gleichgewicht und Feinmotorik, Gangschulung, ADL-Training, Laufbandtherapie, Vermittlung von Hilfsstrategien, Therapeutisches Schwimmen, Tonisierung der Muskulatur, Schulung von Körperwahrnehmung und Sensibilität, Therapie der posturalen Störung mit Gleichgewichtstraining und z. B. „Schubstraining“ nach Jöbges et al. mit dem Prinzip der repetitiven Destabilisierungund Hilfsmittelerprobung zur Verbesserung der Mobilität.
- Sporttherapie: Förderung der emotionalen Stabilität und Leistungsfähigkeit, Förderung der körperlichen Belastbarkeit: Verbesserung von Kraft, Ausdauer und Beweglichkeit, Verbesserung von koordinativen Fähigkeiten und Minderung gesundheitsrelevanter Risikofaktoren.
- Physikalische Therapie: Massagen, Wärmetherapie und Balneotherapie.
- Sprachtherapie: Lee-Silverman-Voice-Treatment (LSVT-LOUD®) durch zertifizierte Therapeuten und Fazialistraining zur Verbesserung der Mimik.
- Neuropsychologie: Diagnostik und ggf. Therapie kognitiver Defizite.
- Pflege: Ausgebildete Parkinson Nurses führen eine Parkinsonsprechstunde durch, begleiten die Parkinson Patienten durch den Aufenthalt und führen bei Bedarf Schulungen durch (z. B. für die Bedienung des Patentenhandgerätes zum An-/Ausschalten des Stimulators bzw. zur selbständigen Änderung der Stimulationsparameter.
Konnektombasierte THS: Ein Blick in die Zukunft
Als Folge des Konnektomansatzes und seines Potenzials bei Bewegungsstörungen wurde somit kürzlich das Konzept der konnektombasierten Chirurgie als perspektivische Entwicklung vorgestellt (26). Das Konzept ist als Erweiterung der tiefen Hirnstimulation zu verstehen und beinhaltet, dass sich mittels Konnektivitätsanalysen effektivere und langfristig patientenspezifische Platzierungen der THS-Elektroden definieren lassen, welche das klinische Outcome der Patienten steigern und Nebenwirkungen vermeiden.
Abgeleitet von den läsionellen Verfahren ging man ursprünglich davon aus, dass die THS lediglich die jeweils stereotaktisch anvisierten Zielregionen inhibiere (27). Die heute generell akzeptierte Theorie legt jedoch nahe, dass die THS konnektivitätsbasiert auch Gehirnregionen beeinflusst, welche weit über die eigentlichen Zielregionen hinausgehen (28-31). So konnte diese Interpretationsweise mittels fMRT und kortikalen Elektroden bereits empirisch nachgewiesen werden (32, 33). Eine erste Fallstudie zeigte darüber hinaus den globalen Einfluss der THS auf das strukturelle Konnektom (34). Abbildung 3 zeigt eine beispielhafte Modellierung des konnektivitätsbasierten Analysekonzepts im Kontext der THS.
Adaptive Stimulation ("Closed-Loop")
Mit dem Ziel einer besseren Wirkung bei geringeren Nebenwirkungen werden neben den oben beschriebenen neuen Elektrodenkonfigurationen neue Ansätze zur Änderung der Stimulationsparameter verfolgt, beispielsweise durch Veränderung der Pulsbreite. So konnte kürzlich gezeigt werden, dass eine kürzere Pulsbreite von 30 µs statt den üblichen 60-90 µs eine größere thera… Neues zur Tiefen Hirnstimulation bei M.
Neurostimulator mit BrainSenseTM Technologie
Im Januar 2020 erhielt die Firma Medtronic die Zulassung für ihren neuen Neurostimulator, den Percept PC. Dieser beinhaltet eine vollkommen neue Technologie, welche sich BrainSenseTM nennt. Dieser neuen Neuromodulator gibt nicht nur Impulse ins Gehirn ab, sondern erstmals können damit rund um die Uhr Gehirnsignale von Patienten auch erfasst und anschließend vom behandelnden Arzt zur Optimierung der Therapie ausgewertet werden. Dies war bisher nur anhand vom Arzt durchgeführten Bewegungstests möglich. Das kontinuierliche Messen der Gehirnströme in Verbindung mit vom Patienten selbst aufgezeichneten Ereignissen zu Symptomen (z.B. Zittern) oder Nebenwirkungen (z.B.
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