HealthTech Nexus met Universiteit Twente

Onderzoeksteam ontdekt potentiële nieuwe standaard voor veilige 3T MRI bij DBS

In Nederland worden elk jaar ongeveer 1.700 nieuwe gevallen van de ziekte van Parkinson vastgesteld. De aandoening is niet te genezen, maar Deep Brain Stimulation (DBS) kan bij sommige patiënten de klachten verminderen. Ondanks dat DBS een veelbelovende methode is, is het op de goede plek plaatsen van de elektroden die worden gebruikt ingewikkeld. Een team van de Universiteit Twente en het Radboudumc, een samenwerking in HealthTech Nexus, heeft de eerste stappen gezet om het DBS‑proces te optimaliseren met vernieuwend onderzoek met 3T MRI.

Huidige behandeling

Bij DBS worden twee elektroden in de hersenen geplaatst die elektrische prikkels geven aan specifieke hersengebieden. Deze gebieden liggen diep in de hersenen en zijn vaak slechts enkele millimeters groot. Het plaatsen van de elektroden komt daardoor zeer nauw. Om te bepalen waar de elektroden het best geplaatst kunnen worden, wordt er vaak voorafgaand aan de operatie een MRI-scan gemaakt om de hersengebieden in beeld te brengen. Tijdens of na afloop van de operatie kan een CT-scan worden ingezet om de definitieve positie van de elektroden te controleren. Door meerdere beelden over elkaar heen te leggen, wordt bepaald of de elektroden op de juiste positie geplaatst zijn. Dankzij deze behandeling kunnen bewegingsproblemen die ontstaan bij patiënten met Parkinson worden verminderd. 

Het gebruik van van deze methode brengt helaas ook nadelen met zich mee. Zo laat een CT-scan de elektroden duidelijk zien, maar geeft dit beeld weinig detail van het omliggende hersenweefsel. Een MRI-scan daarentegen brengt het hersenweefsel goed in beeld, maar is na transplantatie niet meer mogelijk vanwege mogelijke verstoringen door het implantaat en door veiligheidsbeperkingen. Hierdoor is het soms lastig om exact te bepalen of de elektroden optimaal geplaatst zijn. ‘Met ons aangepaste 3T protocol kan dat dus wél,’ aldus het onderzoeksteam. ‘Chirurgen zouden dan direct na de operatie de positie van de elektroden kunnen bevestigen en de stimulatie daarop kunnen afstellen.’  

Waarom wordt 3T MRI nog niet gebruikt?

Om een afbeelding te maken, zendt een MRI-systeem sterke radiosignalen uit. Bij patiënten met elektroden van metaal kunnen die signalen zich ophopen rond het implantaat, waardoor het omliggende hersenweefsel ongewenst kan opwarmen. De elektroden werken dan als een soort antenne, wat daarnaast ook het beeld kan verstoren.  Een 3T MRI-scanner is krachtiger dan een conventionele MRI-scanner en levert beelden met een hogere resolutie en meer detail, maar dit verhoogt ook de kans op zulke ongewenste opwarming. 

Eerder onderzoek van een Amerikaanse onderzoeksgroep heeft aangetoond dat de radiosignalen in een 3T MRI-scanner zó kunnen worden ingesteld dat opwarming rond één enkele elektrode volledig kan worden voorkomen. ‘Maar bij Parkinson worden vaak twee elektroden geïmplanteerd,’ zegt Camille Van Speybroeck, AIOS klinische fysica bij het Radboudumc. ‘Er was nog niet onderzocht wat er dan precies gebeurt en of het ook mogelijk is om de opwarming rond beide elektrodes tegelijkertijd te voorkomen,’ legt zij uit.

Impact

Het onderzoeksteam ontdekte dat met specifieke instellingen de opwarming rond niet één maar beide elektrodes kan worden beperkt. Hierbij wordt ook de beeldverstoring verholpen. Hierdoor kan de exacte locatie van de elektroden beter bepaald worden. Daardoor kunnen hopelijk in de toekomst patiënten met twee elektroden veilig met een 3T MRI gescand worden. ‘Artsen kunnen hiermee direct na de operatie beter controleren of de elektroden goed zijn geplaatst,’ zegt Wyger Brink, assistent professor bij de UTwente. ‘Dat versnelt de nabehandeling en maakt vervolgscans van hogere kwaliteit mogelijk.’

Werkt op bestaande apparatuur

Volgens Brink is een groot voordeel dat de methode werkt op standaard 3T MRI-scanners die in de meeste ziekenhuizen al aanwezig zijn: ‘Veel onderzoeksgroepen bedenken technisch slimme oplossingen, maar die zijn niet altijd klinisch toepasbaar. Wij hebben juist een aanpak ontwikkeld die het voor veel ziekenhuizen mogelijk maakt om veilige 3T MRI-scans bij deze patiënten uit te voeren. Er is geen specialistische hardware nodig.’ 

Samenwerking

‘Door de samenwerking tussen Universiteit Twente (TechMed Centrum) en het Radboudumc kunnen we echte klinische vragen oplossen,’ zegt Brink. ‘We delen apparatuur en expertise. Een deel van het onderzoek vond plaats aan de Universiteit Twente, en de andere metingen werden verricht in het Radboudumc, waar we gebruik konden maken van de benodigde 3T MRI-scanner.’

Het onderzoeksteam bestaat uit specialisten uit verschillende vakgebieden: van neurochirurgie en scheikunde tot natuurkunde en elektrotechniek. ‘Iedereen brengt zijn eigen kennis mee,’ zegt Van Speybroeck. ‘Het is mooi om te zien dat we samen bijdragen aan veilige en betere zorg voor Parkinsonpatiënten.’

Wyger Brink (UT) en Camille van Speybroeck (Radboudumc)

Vervolgstappen

Het onderzoek laat zien dat de methode in de praktijk toepasbaar kan worden. Voorlopig is de methode getest in het laboratorium met een 3D-geprint model van een hoofd. ‘Onze resultaten laten zien dat het principe echt werkt,’ zegt Van Speybroeck. ‘De volgende stap is om voldoende bewijs te verzamelen om dit in de toekomst ook veilig bij patiënten te kunnen testen.’ 

Over HealthTech Nexus

Dit onderzoek valt onder de vlag van HealthTech Nexus, de strategische samenwerking tussen het Radboudumc en de Universiteit Twente (TechMed Centrum). Zij zetten zich samen in voor de 'unmet need' van de zorg: urgente behoeftes waar nog geen goede oplossingen voor bestaan. 

Meer informatie over parkinson: Ziekte van Parkinson - Radboudumc.

Hoe technologie de natuurlijke loopbeweging weer mogelijk maakt de bionische voet

Binnen HealthTech Nexus, de samenwerking tussen de Universiteit Twente en het Radboudumc, werken onderzoekers aan een ‘Autonomous leg’, een bionische voet. Geen passieve prothese dus of een prothese met vooraf ingestelde beweegregels, maar een prothese die de natuurlijke voetbeweging nabootst. Het doel is dat iemand met deze prothese na amputatie van de voet weer een normaal looppatroon krijgt.  

Wie op constante snelheid een lange wandeling maakt over makkelijk begaanbaar terrein, loopt moeiteloos. Je zet stap voor stap zonder erbij na te denken en kunt ondertussen genieten van je omgeving of een gesprek voeren met degene die met je meewandelt. 'We willen weten of het mogelijk is een systeem te ontwikkelen dat dit nabootst als een voet is geamputeerd, zodat de gebruiker van de prothesevoet niet meer actief het lopen hoeft te controleren', zegt Massimo Sartori, hoogleraar neuromuscular robotics & engineering Universiteit Twente.

Dit is precies de kern van het Autonomous leg onderzoek: een bionische voet, aangestuurd door een synergetisch neuromechanisch model. Dit moet het lopen op verschillende snelheden mogelijk maken voor de gebruiker van een prothesevoet, ongeacht de aard van de prothese. Het Autonomous leg project maakt onderdeel uit van het Europese project SimBionics, gericht op neuromechanische simulatie en sensorische feedback voor de controle van een bionisch been. Dit project wordt in samenwerking gedaan met Ottobock, Aalburg Universität en Roessingh Revalidatie Techniek.

Links: Massimo Sartori, rechts: Ruud Leijendekkers

Natuurlijke voetbeweging nabootsen

'Voor mensen bij wie de voet is geamputeerd, bestaan vooral passieve prothesen en prothesen waarin vooraf gestelde regels zijn verwerkt voor de bewegingen die ermee kunnen worden gemaakt', vertelt Sartori. 'Wij willen komen tot een model dat de natuurlijke voetbeweging nabootst. De beweging wordt aangestuurd door het ruggenmerg dat speciale centrale patroongeneratoren bevat. Zodra deze worden geactiveerd, bewegen ze op het ritme dat ze 'kennen', zoals de loopbeweging. Doordat het een 'ingesleten patroon' is, is het een automatische beweging die weinig denkwerk vraagt. In tegenstelling tot bijvoorbeeld pianospelen, waarbij de hersenen voortdurend actief moeten meewerken.

Om die motorische controle na te bootsen, maakten de onderzoekers een besturingssysteem voor een bionische voet. Sartori: 'Daarmee kunnen we de juiste signalen geven om de spieren aan de voor- en achterkant van het been ritmisch en in een herhalend patroon aan te sturen, zodat de gebruiker op een prettige, ontspannen manier kan lopen.'

Proef op loopband

In een eerste proef hebben de onderzoekers iemand met zo’n bionische voet op twee snelheden laten lopen op een loopband. Doel was in beeld te brengen hoe goed de centrale patroongeneratoren in het ruggenmerg de aansturing van die bionische voet kunnen toepassen. 'We willen kijken of we de meer geautomatiseerde rol van het ruggenmerg kunnen repliceren bij de controle van de benen tijdens ritmische en cyclische bewegingen zoals lopen', zegt Ruud Leijendekkers, universitair hoofddocent en fysiotherapeut Radboudumc. 'Als de hersenen hierin inderdaad geen rol meer spelen, zou dit vermoeidheid bij de gebruiker voorkomen omdat de hersenen minder worden belast.'

Vera Kooiman, postdoc (onderzoeker) afdeling revalidatie, bekijkt resultaat met Leon Winter (patiënt)

De hardware waarbij voor dit onderzoek gebruik wordt gemaakt, is hetzelfde als bij het Mind control onderzoek. 'Het prototype was er dus al', zegt Leijendekkers. 'In de huidige fase is nog een beperking dat het Autonomous leg model voor de besturing met een kabel verbonden is aan de computer. De volgende stap is dit te kunnen loslaten, zodat de gebruiker vrij kan lopen. Dit vraagt om een kleine computer die in de prothese is verwerkt en die de spierbewegingen meet. Hierbij hoort dan een goede batterij en de sensoren die nodig zijn om het model te kunnen personaliseren.'

Testen in de thuissituatie — Uitdaging?

De belangrijkste stap die nog moet worden gezet is nu dus de loskoppeling van de computer. 'Pas als we de prothese stand alone kunnen laten functioneren, kunnen we die buiten het laboratorium gaan onderzoeken', zegt Sartori, 'in huis, op straat of misschien zelfs in het bos. Op plaatsen dus waar geen sprake is van een gecontroleerde situatie.'

'Pas dan kan worden hardgemaakt of het model echt meerwaarde heeft boven passieve prothesen', stelt Leijendekkers. 'Probleem hierbij is dat het model dan wel moet voldoen aan de eisen van de Medical Device Regulation', zegt hij. 'Het wordt immers aangemerkt als een medisch hulpmiddel op het moment dat we het uit de laboratoriumsetting halen en de gebruiker er in de thuissituatie mee laten lopen. En het is wel nodig om dit gedurende langere tijd te doen, want het is een robotisch onderdeel dat gekoppeld is aan de mens. Die heeft tijd nodig om het in zijn systeem te integreren.' Sartori: 'We kunnen alleen in de praktijk vaststellen of het signaalsysteem dat zorgt voor de aansturing van de voetbeweging na langer gebruik efficiënter wordt.'

Over Health Tech Nexus

Dit onderzoek is onderdeel van Health Tech Nexus, de strategische samenwerking tussen Radboudumc en Universiteit Twente. Samen richten zij zich op het aanpakken van nog onopgeloste vraagstukken in de zorg: dringende uitdagingen waarvoor momenteel nog geen haalbare oplossingen bestaan. In dit project Autonomous leg gaat het om de wetenschappers Massimo Sartori, hoogleraar neuromuscular robotics & engineering Universiteit Twente, en Ruud Leijendekkers, universitair hoofddocent en fysiotherapeut Radboudumc.

Voor meer informatie over SimBionics zie: Simbionics – Neuromechanical Simulation and Sensory Feedback for the Control of Bionic Legs.