DE10242542A1

DE10242542A1 - Positioniersystem für die navigierte transkranielle Magnetstimulation

Info

Publication number: DE10242542A1
Application number: DE2002142542
Authority: DE
Inventors: Sven Donisi; Ernst Nennig; Eckhard Dr. Hempel
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2004-04-01

Abstract

Positioniersystem für die navigierte transkranielle Magnetstimulation, umfassend eine Auflage für einen Kopf mit einem Gesichtsfeld eines Patienten, sowie ein verstellbares Stativ für eine Stimulationsspule. Aufgabe ist es, ein Positioniersystem für die navigierte transkranielle Magnetstimulation (TMS) vorzuschlagen, welches die Therapiemöglichkeiten der TMS erweitert. Die Aufgabe wird durch ein Positioniersystem gelöst, welches die Auflage Fixierungselemente für den Kopf aufweist, wobei die Auflage und die Fixierungselemente das Gesichtsfeld durch teilweises oder ganzes Abdecken nicht einschränken, sowie das verstellbare Stativ eine motorische Positionierung für die Stimulationsspule aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Positioniersystem für die navigierte transkranielle Magnetstimulation (TMS) gemäß des ersten Anspruchs.
Psychiatrische und neurologische Erkrankungen wie schizophrene Psychosen, depressive Störungen, das Parkinson Syndrom, Schlaganfälle und die Alzheimer Demenz belasten durch ihre Symptomatik mit kognitiven Störungen und Persönlichkeitsveränderungen Patienten und ihre Angehörigen außerordentlich. Darüber hinaus kann die gesellschaftliche Bedeutung dieser Erkrankungen angesichts ihrer Häufigkeit kaum überschätzt werden.
Eine Diagnose derartiger Krankheitsbilder erfolgt im Rahmen der biologischen Psychiatrie über die Identifikation von cerebralen Veränderungen bei schizophrenen Psychosen und depressiven Störungen. Die einschlägigen Studien setzen hierzu meist bildgebende Verfahren zur Darstellung anatomischer bzw. funktioneller cerebraler Veränderungen ein. Offenbar kommt es bei schizophrenen Psychosen und depressiven Erkrankungen zu Störungen der kortikalen Aktivierung, die sich mit bildgebenden Verfahren lokalisieren lassen.
Lässt sich ein Befund exakt lokalisieren, ist es naheliegend, diesen auch lokal therapeutisch zu beeinflussen. Dies ist mit einer im Allgemeinen noch üblichen Behandlung mit Psychopharmaka nicht gegeben, da sich die eingesetzten Wirkstoffe und Substanzen über einen größeren Bereich des Hirns des Patienten verteilen und dort auch ungewollte Nebenwirkungen hervorrufen.
Eine lokale Behandlungsmethode dagegen ist die transkranielle Magnetstimulation (TMS), welche eine regionale Stimulation kortikaler Areale ermöglicht. Bei der Methode wird durch ein kurzfristig aufgebautes, starkes Magnetfeld transkranial eine Depolarisation der unter der Applikationsspule liegenden Hirnareale erzeugt. Hierdurch lassen sich die Nervenzellen einzelner ausgewählter Hirnareale gezielt und schmerzfrei, in jedem Falle aber nicht invasiv, d.h. durch die Haut und den Knochen hindurch aktivieren. Durch die Induktion eines elektrischen Stromes in das Hirngewebe moduliert die TMS Neuronen sowohl direkt, als auch indirekt über neuronale Netzwerke, die an den Symptomen der Krankheiten beteiligt oder verantwortlich sind.
Die große Variabilität der therapeutischen Effekte bei einer TMS kann z.B. den sich stark unterscheidenden Behandlungsparametern zugeschrieben werden. Zu diesen Parametern zählen u.A. die Stimulationsstärke in Abhängigkeit zur motorischen Schwelle, die Gesamtanzahl der Stimuli, die Frequenz der Stimulation, die Dauer der Stimulationsblöcke, die Anzahl der TMS-Behandlungen, die präzise anatomische Lokalisation der Stimuli, die Spulengeometrie sowie die Verhältnisse der Placebostimulation.
Bei einer transkraniellen Magnetstimulation wird in einem ersten Schritt der zu therapierende Gehirnbereich mit Hilfe von vorher ermittelten Schnittbildern des Patientenkopfes beispielsweise mit einer Untersuchung in einem Magnetresonanztomgraphen (MRT) lokalisiert. In einem zweiten Schritt erfolgt die Positionierung einer magnetischen Stimulationsspule auf der Kopfoberfläche des Patienten.

[1] zeigt ein entsprechendes Positionierungs- und Haltesystem für eine Stimulationsspule. Es ermöglicht eine Positionierung der magnetischen Stimulationsspule für die TMS am Kopf des Patienten. Dabei wird die Lage des Kopfes, der an Kinn und Stirn feste Auflagen hat, sowie die Lage der Spule, die an einem Stativ befestigt ist, über Marker und ein optisches kameragestütztes Navigationssystem bestimmt. Stativ und Auflagen sind über einen Rahmen fest miteinander verbunden. Auf einer Workstation kann die entsprechende Zuordnung zu vorab ermittelten existierenden MRT-Aufnahmen gemacht werden. Es soll eine Genauigkeit von unter einem Millimeter erreicht werden.

Das beschriebene Positionierungs- und Haltesystem ist nur manuell einstellbar, d. h. nicht nachjustierend. Insofern darf der Patient seinen Kopf während der Therapie nicht bewegen, was bei bestimmten Krankheitsbefunden bei Behandlungszeiten von mehreren Minuten nicht akzeptabel ist. Außerdem muss die Stimulationsspule im Falle mehrerer zu therapierenden Gehirnbereiche für jeden dieser manuell separat einjustiert werden, was zu erheblichen Rüstzeitanteilen in der Therapiezeit führt.

Ferner greifen die Auflagen für den Patientenkopf im Gesicht an, was bestimmte Therapien, bei denen der Patient während der TMS etwas lesen, sprechen oder tun soll, signifikant einschränkt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Positioniersystem für die navigierte transkranielle Magnetstimulation (TMS) vorzuschlagen, welches die genannten Einschränkungen und Nachteile nicht aufweist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten, sowie des zehnten bis zwölften Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Wesentliche Merkmale der Erfindung betreffen eine Auflage für einen Kopf mit einem Gesichtsfeld eines Patienten sowie ein verstellbares Stativ für eine Stimulationsspule. Die Auflage weist Fixierungselemente für den Kopf auf, wobei weder die Auflage noch die Fixierungselemente das Gesicht des zu therapierenden Patienten teilweise oder ganz abdeckt und somit das Gesichtsfeld einschränkt. Hierdurch erschließt sich für den Therapeuten in vorteilhafter Weise während einer TMS mit dem Patienten zu kommunizieren. Zudem ist der Patient in der Lage, insbesondere Augen und Mund für die Bewältigung bestimmter Aufgaben während einer TMS einsetzen zu können. Als Fixierungselemente eigenen sich insbesondere ein Gurt, welcher, um den Patientenkopf geschlungen, diesen an die Auflage drückt und somit für eine TMS ausreichend führt und fixiert. Alternativen hierfür sind Auflagen mit zusätzlichen form- und/oder kraftschlüssigen Klemmvorrichtungen oder Einspannungen für den Patientenkopf.

Das verstellbare Stativ umfasst zudem eine motorische Positionierung für die Stimulationsspule. Dies dient insbesondere einer schnelleren und reproduzierbareren Positionierung der Stimulationsspule, insbesondere dann, wenn die Positionierung mit einer automatischen oder programmierbaren Steuerung erfolgt und die Position und die Ausrichtung der Stimulationsspule gegenüber dem Kopf des Patienten mit geeigneten Mitteln erfassbar und als Positionssignal in die Steuerung einspeisbar ist. Dies ist eine Grundvoraussetzung dafür, das Positionierungssystem so auszulegen, dass die Stimulationsspule mit Hilfe von Bilddaten, beispielsweise mit Hilfe von vorher ermittelten Schnittbildern des Patientenkopfes, automatisch. an der bezüglich Magnetfeldverteilung optimalen Schädelposition platziert wird.

Es ist selbstverständlich und liegt deswegen im Rahmen der Erfindung, dass die Stimulationsspule nicht nur tangential zur Oberfläche des Patientenkopfes verschiebbar, sondern auch in der Ausrichtung der Hauptabstrahlrichtung der Stimulationsspule zum Patientenkopf beispielsweise über eine motorische Winkelverstellung einstellbar ist.

Vorteilhafter Weise wird die Auflage durch das Stativ gehalten. Durch diese mechanische Kopplung von Stativ und Auflage als Fixierung des Patientenkopfes ist darüber hinaus mit einer Reduzierung der Patientenbewegung zu rechnen. Dies ist durch eine mögliche mechanische Anbindung des Stativs an den Sitz für den Patienten während der TMS noch effektiver realisierbar.

Die motorische Positionierung umfasst vorzugsweise mindestens eine Führungsschiene, auf denen eine motorisch angetriebene Laufkatze als Träger für die Stimulationsspule aufgesetzt ist. Es bietet sich an, die Führungsschiene oder die Laufkatze mit einem inkrementalen oder analogen Positionssensor auszustatten und alle elektrischen Verbindungen, insbesondere die der Stimu lationsspule sowie des Antriebs über eine flexible Kabelverbindung und nicht über Schleifkontakte zu realisieren. Der Antrieb ist entweder in der Laufkatze integriert oder an der Schiene angeordnet und entspricht den in der Technik üblichen und verbreiteten Techniken.

Notwendig für eine vollautomatische oder programmgestützte Positionierung der Stimulationsspule sind Mittel zur Ermittlung von Positionsdaten von Patientenkopf und Stimulationsspule. Beispielsweise umfasst das Positioniersystem eine kameragestützte Überwachungseinrichtung mit optischen Markierungen auf dem Kopf und auf der Stimulationsspule. Mit bekannten Positionen der Markierungen auf dem Kopf und der Stimulationsspule ist eine Steuerung grundsätzlich in der Lage, unter Zugrundelegung der vorher ermittelten Schnittbildern des Patientenkopfes entsprechende Positionierungsbefehle für die motorischen Antriebe zu generieren und zu überwachen. Die Steuerung greift somit für eine Positionierung auf ermittelte Daten der kameragestützten Überwachungseinrichtung sowie auf vorab ermittelte Bilddaten des Kopfes zurück. Dabei ist die Steuerung vorzugsweise eine rechnergestützte und softwaregesteuerte Einheit, welche einen Mikroprozessor sowie eine Speichereinheit mit einer Bilddatenbank umfasst und mit einem softwaregestützten Algorithmus betreibbar ist.

Die Erfindung wird im Folgenden mit einem Ausführungsbeispiel anhand einer Figur erläutert. Die Figur zeigt eine perspektivische Darstellung des Positioniersystems mit einem schematisch dargestellten Kopf.
Die Figur gibt das Positionierungssystem perspektivisch wieder. Es besteht aus einem Rundbügel 1, der über zwei Drehaufhängungen 2 um eine Schwenkachse 3 in einem zweiten Bügel 4 einen im wesentlichen halbkugelförmigen Behandlungsraum, dargestellt durch einen schematisch dargestellten Kopf 5, einschließend schwenkbar gelagert ist. Auf dem Rundbügel 1 ist eine Laufkatze 6 angeordnet, die über die Drehaufhängungen 2 des Rundbügels 1 hinweg auf dem Rundbügel motorisch bewegbar ist. An der Laufkatze 6 ist ei ne motorische Verstellmöglichkeit 7 und an diese eine Stimulationsspule 8, befestigt. Die Verstellmöglichkeit 7 dient einerseits einer Winkelverstellung und damit der Ausrichtung der Stimulationsspule und andererseits einer lateralen Verstellung der Stimulationsspule radial in den Behandlungsraum hinein. In Grundstellung der Verstellmöglichkeit 7 ist die Spule stets radial vom Rundbügel 1 nach innen in den Behandlungsraum ausgerichtet, wobei sich die Stimulationsspule in einem gewissen Abstand zum Kopf 5 befindet und die Stimulationsspule in jeder Stellung der Positionierung in Richtung des Kopfes ausgerichtet ist. Ferner umfasst das dargestellte Positionierungssystem eine oder mehrere einstellbare Auflagen 9 für den Kopf 5, einen Gurt 10 für die Fixierung des Kopfes 5 an den Auflagen 9 sowie eine Stativstange 11 als höhenverstellbare Halterung für die Auflagen 9 und den Bügel 4. Dabei wird das Gesichtsfeld des Kopfes 5 durch den Gurt allenfalls nur im Stirnbereich abgedeckt, während Augen, Mund, Nase und Ohren frei verbleiben und für bestimmte Aufgaben oder für eine Kommunikation während der TMS zur Verfügung stehen. Es bietet sich an, die Stativstange an einem nicht dargestellten Behandlungsstuhl für den Patienten zu befestigen.
Im Ausführungsbeispiel stellen die Stativstange 11, der Bügel 4, die Drehaufhängungen 2, der Rundbügel 1, die Laufkatze 6 sowie die Verstellmöglichkeit 7 funktionell die wesentlichen Bestandteile eines Stativs für die Stimulationsspule 8 dar.
Konstruktiv sind die motorischen Antriebe als Elektromotoren mit Getriebe und aus Sicherheitsgründen mit je einer Reibkupplung gestaltet. Die Reibkupplungen ermöglichen einerseits ein manuelles Eingreifen in den Positionierungsvorgang in Notsituationen, wie z. B. bei einem Anfahren der Stimulationsspule auf den Patientenkopf, andererseits die Alternative einer manuellen Positionierung. Ferner sind auch bestimmte Positionierungsantriebe, beispielsweise der der Verstellmöglichkeit 7 aus dem motorisch betriebenen Positionierungsvorgang herausnehmbar.
Zum Antrieb des Bügels und der Laufkatze werden handelsübliche DC-Motoren benutzt, die mit Getriebe, Endschaltern und Impulsgebern kombiniert leicht anzusteuern sind. Es gibt einige Motorsteuerkarten für einen als Hardware für eine Steuerung einsetzbaren Rechner, die die gesamte Ansteuerung inklusive Regelung mittels Impulsgebern und Endschaltern abdecken. Dieses Antriebskonzept ist daher einfach in einen softwaregestützten Steuerungsalgorithmus zu integrieren. Position und Ausrichtung der Stimulationsspule sind dadurch in jeder Stellung reproduzierbar erfassbar. Ferner ist die Leistung der internen Treiberstufen einer derartigen Motorsteuerkarte bei geeigneter Auslegung der Antriebe ausreichend, wodurch keine externen Treiberstufen notwendig sind.
Die motorischen Antriebe für die Laufkatze, umfassend im Ausführungsbeispiel als Reibradantrieb auf eine Lauffläche auf dem Rundbügel, und der Verstellmöglichkeit sind in bzw. an der Laufkatze 6 angebracht. Sie sind gemeinsam mit der Stimulationsspule 8 über eine flexible Kabelverbindung 12 mit einer Steuerung (in der Figur nicht dargestellt) verbunden. Eine weitere Steuerleitung ist für die motorisch schwenkbare Drehaufhängung 2 erforderlich. Hier sind die Motoren im oder am Bügel 4 angebracht, wobei sich eine Anordnung der erforderlichen Steuerleitung ebenfalls im Bügel anbietet.
Da eine TMS auf der Wirkung des magnetischen Feldes der Stimulationsspule basiert, sind alle Einflussfaktoren für magnetische Felder zu eliminieren oder deren Wirkung zu minimieren. Insofern sind alle motorischen Antriebe sowie die elektrischen Leitungen zu diesen in üblicher Weise zur Vermeidung von unzulässigen elektrischen oder elektromagnetischen Emissionen abzuschirmen.
Zu Beginn einer Behandlung muss der Patient eine eindeutig bestimmbare Lage zum Positioniersystem einnehmen. Zu diesem Zweck wurden drei auch auf MRT-Bildern leicht wiederzufindende Punkte auf der Oberfläche des Kopfes 5 des Patienten ausgewählt, durch optische Markierungen gekennzeichnet und mit einem kameragestützten Überwachungssystem überwacht. Zu beiden Seiten des Kopfes befindet sich je eine Markierung am Ohr 13 (Interauralregion) und über der Nase 14 (Naseon). Durch diese 3 Markierungen ist die Position des Kopfes im Raum eindeutig bestimmt. Zum Abgleich der Position erhält das Positioniersystem als Teil des kameragestützten Überwachungssystems drei Laserdioden, mit deren Hilfe zu Beginn der Behandlung die drei charakteristischen Punkte anvisiert werden. Der Patient sitzt dabei und während der Behandlung auf dem Behandlungsstuhl, der Kopf 5 ruht auf den Auflagen 9 und wird durch den Gurt 10 fixiert, so dass der Kopf mit den Markierungen nicht mehr bewegbar ist. Die Lage und die Ausrichtung der Stimulationsspule zum Kopf 5 sind über die Antriebseigenen Aufnehmer durch die Steuerung erfassbar.
Die Steuerung umfasst einen Rechner mit softwaregestützten Auswerte- und Steuerungsalgorithmen. Im Ausführungsbeispiel wurde die Steuerung des Positioniersystems mittels Standard-PC unter dem Betriebssystem Microsoft Windows 2000 realisiert. Als Navigationsgrundlage für die Positionierung werden medizinische Bilddaten im DICOM-Format verarbeitet, welche prinzipiell verschiedenen Voruntersuchungen entnehmbar sind. Erfolgreich wurden hierzu die Daten aus MRT-, fMRT-, CT- oder Ultraschalluntersuchungen importiert und für die Positionierung herangezogen, wobei Bilddaten sowohl zwei- und dreidimensional visualisierbar sind. Ein hiermit generierbares 3D-Modell des Kopfes ist mit einer entsprechenden Visualisierungssoftware aus allen Perspektiven und aus verschiedenen Entfernungen betrachtbar, wobei für den Vorgang der Positionierung für eine TMS eine Darstellung in Echtzeit und eine intuitiv bedienbare Benutzeroberfläche erforderlich ist. Anhand dieses Modells ist der zu stimulierenden Bereich im Kortex zu lokalisieren und davon ausgehend die ideale Spulenposition und die erforderliche Stärke des Magnetfeldes zu berechnen. Im Anschluss daran wird die zu erwartende Feldverteilung im Kortex im Rechner simuliert. In einem letzten Schritt werden Steuerungsbefehle an die motorischen Antriebe generiert, mit denen die Stimulationsspule an eine berechnete Idealposition geführt wird.
Literatur

[1] http://www.rogue-research.com/frameless/frameless.htm (Stand: 19.08.2002, 14:03 Uhr)

1: Rundbügel
2: Drehaufhängung
3: Schwenkachse
4: Bügel
5: Kopf
6: Lauf katze
7: Verstellmöglichkeit
8: Stimulationsspule
9: Auflage
10: Gurt
11: Stativstange
12: Kabelverbindung
13: Markierung am Ohr
14: Markierung über der Nase

Claims

Positioniersystem für die navigierte transkranielle Magnetstimulation (TMS), umfassend a) eine Auflage (9) für einen Kopf (5) mit einem Gesichtsfeld eines Patienten, sowie b) ein verstellbares Stativ für eine Stimulationsspule (8) dadurch gekennzeichnet, dass c) die Auflage (9) Fixierungselemente für den Kopf (5) aufweist, wobei die Auflage und die Fixierungselemente das Gesichtsfeld durch teilweises oder ganzes Abdecken nicht einschränkt, sowie d) das verstellbare Stativ eine motorische Positionierung für die Stimulationsspule (8) aufweist.
Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflage (9) durch das Stativ gehalten wird.
Positioniersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierungselemente mindestens einen Gurt (10) umfassen, welcher den Kopf (5) gegen die Auflage (9) drückt.
Positioniersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die motorische Positionierung mindestens eine Führungsschiene (1) umfasst, auf denen eine motorisch angetriebene Laufkatze (6) als Träger für die Stimulationsspule (8) aufgesetzt ist.
Positioniersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsschiene bügelförmig gebogen um den Kopf (5) des Patienten angeordnet ist und an zwei Drehaufhängungen (2) um eine Achse (3) motorisch schwenkbar um den Kopf (5) gela gert ist, wobei die Stimulationsspule (8) in jeder Stellung der Positionierung in Richtung des Kopfes (5) ausgerichtet ist.
Positioniersystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Positioniersystem eine kameragestützte Überwachungseinrichtung mit optischen Markierungen (13, 14) auf dem Kopf (5) umfasst.
Positioniersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung für die motorische Positionierung vorgesehen ist, welche für die Positionierung auf ermittelte Daten der kameragestützten Überwachungseinrichtung sowie auf vorab ermittelte Bilddaten des Kopfes zurückgreift.
Positioniersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung einen Mikroprozessor sowie eine Speichereinheit mit einer Bilddatenbank umfasst und mit einem softwaregestützten Algorithmus betreibbar ist.