Die Tiefe Hirnstimulation (THS), umgangssprachlich auch als "Hirnschrittmacher" bezeichnet, ist ein neurochirurgisches Verfahren zur Behandlung verschiedener neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen. Sie wird vor allem bei Bewegungsstörungen wie Morbus Parkinson, essentiellem Tremor und Dystonie eingesetzt, findet aber auch Anwendung bei psychischen Erkrankungen wie Zwangsstörungen und Depressionen. Weltweit wurden bereits über 80.000 Patienten mit diesem Verfahren behandelt.
Was ist ein Hirnschrittmacher?
Die Tiefe Hirnstimulation (THS) ist ein neurochirurgisches Verfahren, bei dem Elektroden in spezifische Hirnregionen implantiert werden, um deren Aktivität zu beeinflussen. Diese Elektroden sind mit einem Impulsgeber verbunden, der unterhalb des Schlüsselbeins unter die Haut eingesetzt wird. Der Impulsgeber sendet elektrische Impulse aus, die die Aktivität der Nervenzellen in den Zielgebieten modulieren.
Das Gehirn und neurologische Erkrankungen
Das Gehirn ist das zentrale Organ unseres Körpers und besteht aus mehreren Billionen Nervenzellen (Neuronen), die miteinander vernetzt sind. Neurologische Erkrankungen können die Funktion dieser Nervenzellen beeinträchtigen, was zu verschiedenen Symptomen führen kann, je nachdem, welche Hirnareale betroffen sind.
Wirkungsweise der Tiefen Hirnstimulation
Das Prinzip der THS beruht darauf, dass eine Elektrode in bestimmten Arealen des Gehirns eingebracht wird und die dort vorhandenen Neurone durch einen dauerhaften hochfrequenten Reiz in ihrer Aktivität beeinflusst. Die THS arbeitet über eine (meist) kontinuierliche hochfrequente elektrische Stimulation von Kerngebieten des Gehirns. Es wird angenommen, dass über diese hochfrequente Stimulation eine Hemmung des Kerngebietes stattfindet, die sich daraufhin auch auf das gesamte Netzwerk der Basalganglien auswirkt. Wie diese Hemmung genau zustande kommt, ist bislang nicht geklärt. Wichtig ist, dass die THS durch die Modulation von Netzwerken nur eine symptomatische Behandlung ist, d.h. nach heutiger Kenntnis nur die Symptome reduziert, aber keinen Einfluss auf das Vorhandensein oder Voranschreiten der zugrunde liegenden Erkrankung hat. Daher ist der Effekt der THS auch reversibel: nach Ausschalten des Stimulators stellt sich ein Zustand ein, wie er zu diesem Zeitpunkt ohne Stimulation wäre.
Anwendungsgebiete der Tiefen Hirnstimulation
Hirnschrittmacher kommen in erster Linie zur Therapie von Bewegungsstörungen bzw. deren Symptomen zum Einsatz. Hauptanwendungsgebiet der Tiefen Hirnstimulation ist Morbus Parkinson. Aber auch für andere Bewegungsstörungen, wie das Tourette-Syndrom, multiple Sklerose, Dystonie oder essentieller Tremor, die auf Medikamente nur ungenügend ansprechen, ist die tiefe Hirnstimulation zugelassen. Auch bei einer Epilepsie, bei der ein genauer Ursprung ausgemacht werden kann, ist die Tiefe Hirnstimulation eine mögliche Therapieoption.
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Man nimmt an, dass die THS auch auf psychische Erkrankungen (Depression und Zwangsstörungen) einen positiven Einfluss haben kann. Die Verwendung auf diesem Gebiet ist allerdings noch im experimentellen Stadium. Zu beachten ist hierbei vor allem, ob die Depression oder Zwangsstörung wirklich als eigenständige Erkrankung oder als Begleiterscheinung einer anderen Krankheit auftritt.
Die zu erwartende Wirkung auf die klinische Symptomatik ist zum einen von dem Zielpunkt, zum anderen von der zugrunde liegenden Erkrankung abhängig. Sowohl die Muskelsteifigkeit (Rigor) als auch die Bewegungsarmut (Hypokinese / Bradykinese) sowie das Zittern (Tremor) beim Morbus Parkinson werden bei einer THS im Nucleus subthalamicus (STN) effektiv behandelt; weniger gut sprechen die axialen Symptome des M. Parkinson (Gangunsicherheit, Haltefunktionen, Schlucken, Sprechen …) an. Die THS im Nucleus ventralis intermedius (VIM) des Thalamus zur Behandlung vieler Tremorformen wirkt nur auf den Tremor allein und führt daher nicht zu einer Reduktion der Begleitsymptome (wie Ataxie, Rigor, Bradykinese, Dystonie …). Durch eine Stimulation des Globus pallidus internus (GPi) können dystone Bewegungsstörungen, der dystone Tremor, tardive Dyskinesien und Dyskinesien beim Morbus Parkinson effektiv reduziert werden. Eine Stimulation des anterioren Thalamus reduziert die Anfallshäufigkeit bei Patienten mit fokaler Epilepsie.
Voraussetzungen für einen Hirnschrittmacher
Vor der Operation muss festgestellt werden, ob sich der Patient für die Therapie eignet und ob eine Operation durchgeführt werden kann. Dazu wird zunächst der allgemeine Gesundheitszustand festgestellt. Zudem muss die Diagnose, aufgrund derer der Patient für eine Tiefe Hirnstimulation in Frage kommt, gut gesichert sein. Es wird empfohlen, die Indikationsstellung in einem spezialisierten Zentrum überprüfen zu lassen, in dem verschiedene neurologische Untersuchungen erfolgen.
Dazu gehören psychologische Untersuchungen, bildgebende Verfahren des Gehirns und, im Falle einer Parkinson-Erkrankung, eine Beurteilung der Symptome mit und ohne Medikamenteneinfluss. Gegebenenfalls können die motorischen Symptome der Patienten auf einem Video festgehalten werden, sodass ein genauer Vergleich der Situation vor und nach der Operation möglich ist. Hierfür ist es auch sinnvoll, eine Skala zu verwenden, auf der die Symptome der entsprechenden Erkrankung festgehalten und eingeordnet werden.
Zu den zusätzlichen Untersuchungen vor der Operation gehören eine logopädische Untersuchung, neurochirurgische Mitbeurteilungen sowie eine allgemeine Prüfung der Operationsfähigkeit des Patienten. Aufgrund von möglichen Nebenwirkungen ist in Abhängigkeit von Zielpunkt und Erkrankung eine ambulante oder stationäre Abklärung zur Selektion der geeigneten Patienten notwendig. Stationär werden in der Regel Patienten mit Morbus Parkinson oder einer Dystonie abgeklärt. Neben der Dokumentation der klinischen Symptomatik im tageszeitlichen Verlauf über den stationären Beobachtungszeitraum wird eine Bildgebung des Gehirns (Kernspintomographie ), neuropsychologische Testungen (Gedächtnistests), eine Vorstellung bei einem Psychiater zum Ausschluss einer schwerwiegenden psychiatrischen Erkrankung, apparative Zusatzuntersuchungen sowie das Ansprechen der Symptome auf verschiedene Medikamente durchgeführt, um Argumente für und wider eine Operation zu sammeln. Die Patienten werden gegen Ende des stationären Aufenthalts in einer interdisziplinären Konferenz gemeinsam mit den Kollegen der Sektion für Stereotaktische Neurochirurgie ausführlich besprochen und das individuelle Operationsrisiko gegen den möglichen Gewinn durch diesen Eingriff abgewägt. Die Entscheidung, ob eine THS-Operation stattfinden kann oder nicht, ist daher immer ein interdisziplinärer Konsens.
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Ablauf der Tiefen Hirnstimulation OP
Wie vor jedem operativen Eingriff muss auch bei der Tiefen Hirnstimulation eine ausführliche Aufklärung des Patienten erfolgen, bei der die verschiedenen Risiken und Nebenwirkungen erklärt werden und der Patient die Möglichkeit erhält, Fragen zu stellen.
Es empfiehlt sich im Vorwege, die Erwartungen des Patienten an die Operation zu erfragen. So können Patienten genau darüber informiert werden, welche Symptome durch die THS verbessert werden können und welche Symptome davon unbeeinflusst bleiben. Dies kann Patienten dabei helfen, die Wirkungsweise der Therapie besser zu verstehen.
Idealerweise wird der Eingriff unter örtlicher Betäubung durchgeführt. Dadurch kann der Patient mitarbeiten und dem Chirurgen mitteilen, falls unerwünschte Nebenwirkungen wie Taubheitsgefühl oder Sprachstörungen auftreten.
Essentiell für die exakte Implantation der Elektroden ist eine möglichst präzise Darstellung der verschiedenen Strukturen des Gehirns, sodass der Zielort der Stimulation möglichst genau eingegrenzt werden kann. Man nennt dies elektrophysiologisches Mapping. Hierbei wird die elektrische Aktivität von Neuronen mit Hilfe von Mikroelektroden registriert. Dies dient der Verbesserung der Positionierung der letztlich verwendeten Elektrode.
Für den Eingriff selbst wird pro einzubringende Elektrode ein kleines Bohrloch in der Schädeldecke angelegt. Vor der endgültigen Implantation der Elektroden erfolgt eine Teststimulation. Dabei werden die Wirkung auf die vorhandenen Symptome sowie eventuell bestehende Nebenwirkungen beurteilt.
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Der Chirurg platziert dann unter bildgebender Kontrolle (CT und/oder MRT) äußerst präzise die Elektroden in der Hirnregion, die beeinflusst werden soll. Meist handelt es sich dabei um die so genannten Basalkerne, Regionen, die großen Einfluss auf die Ausführung von Bewegungen haben. Die Positionierung der Elektrode kann schließlich etwa vier bis acht Stunden dauern.
Entweder im direkten Anschluss oder mit einer zeitlichen Verzögerung von wenigen Tagen wird ein kleines Gerät, das die elektrischen Impulse aussendet (umgangssprachlich Hirnschrittmacher genannt) mit den Elektroden verbunden und auf Höhe des Schlüsselbeins unter der Haut fixiert. Das ermöglicht es dem Patienten, die elektrische Stimulation auch selbstständig zu steuern.
Detaillierter Ablauf einer stereotaktischen Operation zur Tiefen Hirnstimulation
Die THS-Operation wird durch die Ärzte der stereotaktischen Neurochirurgie durchgeführt, sie dauert insgesamt ca. 6 Stunden. Am Operationstag wird zunächst ein stereotaktischer Ring am Schädelknochen nach vorangegangener örtlicher Betäubung befestigt. Dieser Ring dient der Planung und Navigation des Neurochirurgen. Anschließend wird eine Computertomographie des Schädels veranlasst. Diese Bilddaten werden mit Daten aus einem vor dem Operationstag angefertigten Kernspintomogramm in Übereinstimmung gebracht. So erhält man die gute Auflösung des Kernspintomogramms mit Darstellung der Gefäße in Kombination mit dem stereotaktischen Ring. Hierdurch kann eine Planung des Zugangswegs zu dem jeweiligen Kerngebiet des Gehirnes unter Berücksichtigung der Gefäßverläufe erfolgen. Diese Prozedur ist wichtig, um die Komplikationsrate des Eingriffs minimal zu halten. Nach Planung wird ein zusätzlicher Bügel am stereotaktischen Ring befestigt, der die Navigation ermöglicht.
Nach örtlicher Betäubung erfolgt zunächst ein Hautschnitt, danach wird ein Loch mit ca. 8 mm Durchmesser in die Schädeldecke gebohrt. Anschließend werden 2 bis 5 Mikroelektroden in das Gehirn eingeführt (das Gehirn selbst kann keinen Schmerz empfinden), die elektrische Ableitungen aus dem Kerngebiet ermöglichen und so eine Orientierungshilfe für den Neurochirurgen bieten. Über diese Mikroelektroden erfolgt auch eine Teststimulation, um den Effekt der THS auf die jeweiligen Symptome zu untersuchen. Gemeinsam mit dem Patienten wird so der optimale Stimulationsort detektiert und die endgültige Stimulationselektrode dort platziert. Ebenso wird mit der anderen Gehirnseite verfahren, da in der Regel eine beidseitige Operation durchgeführt wird.
Anschließend erfolgt in Vollnarkose die Implantation der Kabel und des Stimulators (Impulsgebers) unter der Haut. Der Impulsgeber ist durch die Haut programmierbar und wird einige Tage nach der Operation erstmals eingeschaltet. Die Anpassung der Stimulationsparameter erfolgt langsam und über viele Tage, hier ist gerade in den ersten Tagen und Wochen viel Geduld von Seiten des Patienten notwendig. Die Weiterbehandlung nach dem stationären Aufenthalt erfolgt in der Regel in einer Rehabilitationseinrichtung. Anschließend sind die Patienten regelmäßig in ambulanter Kontrolle.
Was gibt es nach der Operation zu beachten?
Grundsätzlich sollten Patienten nach der Operation zunächst einige Tage zur Überwachung im Krankenhaus verweilen. Nach dem sich der Allgemeinzustand des Patienten wieder verbessert hat, muss entschieden werden, wann die Einstellung des Hirnschrittmachers erfolgen kann. In der Regel findet dies in einem Zeitraum von ein bis fünf Wochen nach der Operation statt.
Da für eine optimale Einstellung Symptome vorhanden sein sollten, kann es sinnvoll sein, die bislang eingenommenen Medikamente zu reduzieren oder ganz abzusetzen. Dann werden die Elektrodenkontakte mit unterschiedlicher Impulsbreite und Frequenz angesteuert. Anschließend werden Wirkung auf die Symptomatik und Nebenwirkungen beurteilt. Die optimale Einstellung ist immer diejenige mit dem günstigsten Verhältnis von Effekt und Nebenwirkung. Die Einstellung kann einige Zeit dauern und verlangt vom Patienten eine gewisse Geduld ab.
Nachdem die optimale Einstellung gefunden wurde, kann die Kontrolle des Hirnschrittmachers vom Arzt an den Patienten weitergegeben werden. Dieser kann das System mit Hilfe eines Handgerätes innerhalb bestimmter vom Arzt festgelegten Grenzen selbst steuern. Wichtig ist hierbei eine ausführliche Einweisung in die Funktionsweise und Steuerbarkeit des Gerätes.
Welche Nebenwirkungen hat die Hirnschrittmacher-Implantation?
Im Verlauf der Operation kann es in seltenen Fällen zu Komplikationen wie Blutungen oder Infektionen kommen. Das Risiko ist allerdings sehr gering. Trotz sorgfältiger Planung des Zugangsweges und akkurater Durchführung der chirurgischen Handgriffe lassen sich Komplikationen durch den stereotaktischen Eingriff nicht ganz verhindern. Bei etwa 2% der operierten Patienten kommt es durch Verletzung eines Gefäßes zu einer Gehirnblutung, die in der Regel sehr klein und umschrieben ausfällt. Aufgrund des Zugangswegs und der Lage dieser Blutungen verursachen etwa die Hälfte dieser Blutungen (d.h. bei etwa 1% aller Patienten) auch neurologische Symptome wie Halbseitenlähmungen, Gefühlsstörungen, Sprach- oder Sprechstörungen. In der Regel bilden sich diese Symptome vollständig oder zumindest teilweise wieder zurück. Sehr, sehr selten kommt es zu einer Dislokation (Fehlplatzierung) der Elektrode mit Wirkverlust oder Auftreten von Nebenwirkungen. Häufig tritt eine solche Dislokation im Verlauf auf. Zunächst wird die entsprechende Elektrode nicht mehr stimuliert. Ein weiteres Risiko, das über den chirurgischen Eingriff hinaus auch noch im langfristigen Verlauf zu Problemen führen kann, stellt das Infektionsrisiko dar. Bakterien haften sich sehr gerne an Implantaten an und sind einer Antibiotikatherapie nur schwer zugänglich. Dies bedeutet, dass eine Infektion nur selten durch Antibiose effektiv zu behandeln ist, häufig wird daher eine Explantation der Implantate notwendig. Meist ist es ausreichend, nur den Impulsgeber und einen Teil des Kabels zu entfernen; selten jedoch kann die Explantation des gesamten Systems notwendig werden, um die Entwicklung einer Hirn- und Hirnhautentzündung zu vermeiden. Selbstverständlich sind die verwendeten technischen Bauteile sorgfältig geprüft und für den Gebrauch am Menschen zugelassen. Dennoch kann es im Verlauf - wie bei anderen elektrischen Apparaturen auch - zu einem Ausfall des Impulsgebers kommen, die zu einem Funktionsverlust der THS führen können. In diesem Fall kann ein Austausch des entsprechenden Kabels oder Stimulators durchgeführt werden. Notwendig wird der Austausch des Impulsgebers bei Erschöpfung der Batterie, die in Abhängigkeit von den Stimulationsparametern etwa 2 bis 7 Jahre lang hält. Dieser Eingriff wird durch die Ärzte der stereotaktischen Neurochirurgie in örtlicher Betäubung durchgeführt und dauert ca. Je nach Stimulationsort und Elektrodenlage bzw. der verwendeten Spannung können durch die hochfrequente Stimulation neben den erwünschten Wirkungen auch Nebenwirkungen auftreten. Diese können vorübergehender Natur sein oder dauerhaft vorliegen. Zu nennen sind Sprechstörungen, Gefühlsstörungen, Verkrampfungen oder Doppelbilder. Im Falle des Nucleus subthalamicus bei M. Parkinson können auch mal psychiatrische Nebenwirkungen wie Apathie, depressive Verstimmung oder submanische Zustände provoziert werden, auf die natürlich besondere Aufmerksamkeit bei der Einstellung der Stimulationsparameter gerichtet wird.
Nebenwirkungen der Stimulation selbst sind, falls sie auftreten, psychischer Natur und meist nur vorübergehend. Dies können Depressionen oder Euphorie sein. Durch Anpassung der Impulsgebung können sie in der Regel gut kontrolliert werden.
Vor- und Nachteile der Tiefen Hirnstimulation
Grundsätzlich gilt in der Medizin, dass eine Therapie einen möglichst großen Nutzen bei möglichst geringen Nebenwirkungen haben muss. Dies gilt vor allem für sehr invasive Verfahren wie die Tiefe Hirnstimulation. Daher erfolgt im Vorwege die genaue Abwägung der verschiedenen Vor- und Nachteile.
Die jeweilige Symptomatik des Patienten gibt dabei vor, welche Vorteile von der THS zu erwarten sind. Im Falle der Parkinson-Erkrankung beispielsweise gilt, dass die Therapie vor allem gegen Symptome wie Bewegungsunruhe oder einen erhöhten Muskeltonus wirksam ist. Haltung, Sprache, psychiatrische und kognitive Funktionen sprechen hingegen kaum auf eine Tiefe Hirnstimulation an. Je nachdem welche Symptome im Vordergrund stehen, kann die Methode mehr oder weniger sinnvoll sein.
Ein wichtiger Vorteil der Tiefen Hirnstimulation besteht darin, dass bei einer guten Wirksamkeit die bisher eingenommenen Medikamente stark reduziert werden können. Dies erspart Patienten daraus resultierende Nebenwirkungen sowie Wechselwirkungen mit anderen Medikamenten.
Ein weiterer Vorteil kann darin liegen, dass die Stimulation auch durch den Patienten selbst gesteuert werden kann. Jedoch darf dabei nicht vergessen werden, dass der Patient hierzu auch kognitiv befähigt sein muss. Bei älteren oder stark erkrankten Patienten ist die selbstständige Steuerung also eventuell nicht möglich. In diesem Fall kann die Einstellung jedoch auch durch einen Arzt übernommen werden.
Nachteile der Tiefen Hirnstimulation werden durch die oben genannten Nebenwirkungen abgebildet. Zudem kann der Nutzen der Therapie vor einer Operation nicht immer sicher abgeschätzt werden. Es empfiehlt sich also immer, die Vor- und Nachteile im individuellen Fall zu betrachten und die Entscheidung gemeinsam mit dem Arzt und eventuell auch Angehörigen zu treffen.
Spezialisten für Tiefe Hirnstimulation
Obwohl die Methoden und Techniken der Tiefen Hirnstimulation stetig weiterentwickelt und verbessert werden, handelt es sich dennoch um einen invasiven Eingriff. Studien zeigen, dass der Erfolg der Operation maßgeblich von der Erfahrung und Expertise des Operateurs abhängt. Daher sollte die Behandlung möglichst in einem spezialisierten Zentrum erfolgen.
Eine umfassende Betreuung erhalten Patienten durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Fachärzten der Neurologie, Neurochirurgie und Psychosomatik. Hinzu kommen nicht-ärztliche Mitarbeiter, beispielsweise aus der Neuropsychologie oder Logopädie.
Innovationen in der Tiefen Hirnstimulation
Closed-Loop-Systeme
Die Funktionsweise bisheriger Verfahren der Tiefen Hirnstimulation bedingt, dass -bei eingeschaltetem Impulsgeber - jene Hirnareale unentwegt - sozusagen chronisch - stimuliert werden, von denen die dystonen Bewegungsstörungen ausgehen. Künftige Verfahren der Tiefen Hirnstimulation sollen indes bedarfsgemäß elektrische Impulse abgeben. Bei den sogenannten adaptiven Verfahren kommt es technisch zu einer „Feedback“-kontrollierten Stimulation, die fachsprachlich auch als „closed loop“ bezeichnet wird.
Das eine stimulatorische Anpassung auslösende Moment, also der Trigger, kann entweder über klinische Symptome ausgelöst werden, etwa aufgrund eines vermittels Sensortechnik festgestellten Zitterns. Alternativ vermögen die neuesten Elektroden gar im Gehirn besondere neuronale Aktivitäten in den Basalganglien zu detektieren, nämlich die sogenannten Betawellen, deren jeweilige Intensität wiederum den Stimulationsbedarf bestimmt.
Diese fortschrittlichen Systeme werden, sobald sie sich weltweit durchgesetzt haben, zum einen die unerwünschten Nebenwirkungen der Tiefen Hirnstimulation zu lindern vermögen. Zum anderen dürften die Closed-Loop-Technik zu einem besseren Verständnis der Ursachen von dystonen Bewegungsstörungen beitragen.
Künstliche Intelligenz in der THS
Künstlich erzeugte mikroelektrische Impulse werden in bestimmten Rhythmen in bestimmte Hirnregionen gelenkt, um dort einen korrigierenden Einfluss auf die natürlichen, jedoch warum auch immer abnormalen Nervenimpulse zu nehmen. Die Wirkung einer THS ist von implantierter Person zu Person, die von einer dystonen Bewegungsstörung betroffen ist, höchst unterschiedlich. Somit sind dystone Bewegungsstörungen nur dann nachhaltig in den Griff zu bekommen, wenn die Medizintechnik lernt, mit dem Gehirn wechselwirkend zu kommunizieren. Das wiederum setzt voraus, dass die THS mit großen Datenmengen würde umgehen und verstehen müssen. Künstlicher Intelligenz (KI), die es von sogenannten Medizindatentechnikerinnen und -technikern in die Implantate zu integrieren gilt.
Demgemäß zielen die neuen Ansätze der THS darauf ab, die Impulsdynamik gestörter Netzwerkaktivität zu erfassen, um diese sodann anpassend stimulieren zu können; ein Verfahren, das als "Closed Loop" bezeichnet wird. Das neue KI-gestützte Implantat ist damit gleichzeitig Sensor und stimulierende Elektrode. Es erkennt über intelligente Algorithmen krankhafte Erregungsmuster und kann an die Stimulation entsprechend anpassen.
"Schädel-Impulsgeber"
Die britische Firma "Bioinduction" hat einen Impulsgeber entwickelt, der nur noch 2cm x 2cm groß ist und unmittelbar in die Schädeldecke eingelassen wird. Er trägt den Namen "Picostim". Der Mini-Impulsgeber birgt mehrere Vorteile. Kabelverbindungen von der Schädeldecke bis unter das Schlüsselbein entfallen. Weniger Technik bedeutet zudem weniger "Operation" nebst weniger Wunden. Weniger Technik heißt überdies weniger Möglichkeiten technischer Defekte. Weniger implantiertes Material reduziert zudem die Gefahr von Infektionen und Allergien. Nicht zuletzt entfällt das von zahlreichen THS-Implantieren empfundene Spannungsgefühl, was die Kabel hinterm Ohr und entlang des Halses auszulösen vermögen. Aktuell wird der Picostim in Großbritannien Parkinsonpatient:innen eingesetzt. Es dürfte jedoch nur eine Frage der Zeit sein, wann der Stimulator den "medizinisches Weltmarkt" erobern und demgemäß auch eine Zulassung in der EU sowie in Deutschland erfahren wird.
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