Vielkanal-Mikroelektrodensonden zur Ableitung neuronaler Signale aus dem Tiefenhirn

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1 Vielkanal-Mikroelektrodensonden zur Ableitung neuronaler Signale aus dem Tiefenhirn Dr. Peter Detemple, IMM Institut für Mikrotechnik Mainz , Fachhochschule Gießen-Friedberg

2 Anwendung Behandlung neuro-degenerativer Erkrankungen (z.b. Morbus Parkinson, Dystonie,..) Intraoperative Aufzeichnung neuronaler Signale im Tiefenhirn bei stereotaktischen Hirnoperationen Präzisere, schnellere Lokalisierung der Zielregion im Tiefhirn durch lang-gestrecktes Vielfach-Mikroelektrodenarray Bilder: Thomas Recording (TREC)

3 Zielgebietlokalisierung mit Mikroelektrodensonden Typische Zielgebiete bei der invasiven Parkinsontherapie: Nucleus Subthalamicus (STN) Globus pallidus internus (GPi) Signalsignatur unterschiedlicher Hirnregionen Quelle: Moll et al., Neuroforum 01/05 STN Modifiziert nach Nieuwenhuys, GPi

4 Chirurgische Behandlungsformen Klassisch: Elektro-Koagulation von Gewebe mit Mikroelektrode (Deep Brain Stimulation - Pallidotomie, Thalamotomie) Ein- oder beidseitige Implantation eines Neurostimulators Stimulationselektroden Quelle: Medtronic Signalzuführung Elektronik und Stromversorgung Quelle: Medtronic Beide Verfahren erfordern für maximale Effizienz und Nebenwirkungsfreiheit eine sehr präzise Lokalisierung des Zielgebiets!

5 Operationsvorplanung erfolgt anhand computertomographischer Aufnahmen Die OP erfolgt am geöffneten Schädel Folge: Volumen- und Lageverschiebungen ("brainshift ) Reale Lage des Zielgebiets kann von den CT-Daten abweichen Abhilfe: Feinlokalisierung und Verifikation des Zielgebiets durch Neuronavigation mittels Mikroelektrodensonden

6 Mikroelektrodensonden für den Einsatz am Menschen Wesentliche Anbieter: - Einzelelektroden - TREC-Tetrode - Einzelelektroden

7 Vergleich Einzel- zu Vielfach-Ableitung Einzelelektroden messen punktuell Erfordern daher, langsames schrittweises Vortasten an das Zielgebiet (0.5 1 mm Schrittweite) Lange Operationsdauer (typ. 6-9 Stunden) am wachen (!) Patienten Starke Belastung für Patient, Neurochirurg und OP-Personal Erhöhtes Komplikationsrisiko Langgestrecktes Vielfach-Mikroelektrodenarray erlaubt simultane, ortsaufgelöste Ableitung schnellere, präzisere Lokalisierung der Zielregion Reduzierte OP-Zeiten Geringeres Komplikationsrisiko

8 Grundsätzliche Designforderungen Länge 340 mm Durchmesser kleiner 700 µm Anzahl der Elektroden min. 30 Elektrodendurchmessser 30 µm Zentralelektrode Mechanisch stabil Geringe Traumatisierung Materialien: biokompatibel, mit med. Zulassung Integrierbar in bestehende Stereotaxiesysteme Autoklavierbar bei 135 C Fertigungsverfahren Kleinserien-tauglich Moderate Herstellungskosten (Disposable)

9 Designvarianten Helical array Linear array

10 Helikale Sondenausführung 400 µm stainless steel core Rasine shell with 31 embeded wires

11 Laserstrukturierung der Elektrodenöffnungen

12

13 Komponenten der Linearen Sonde

14 LINEARE SONDE Vakuum-gegossene Epoxidharz-Kammstrukturen

15 LINEARE SONDE Überätzten der Drahtenden Aufgalvanisierte Goldpads

16

17 Helical Probe Linear probe Vs.1 Linear probe Vs.2 Total length Up to 340 mm Up to 340 mm Up to 340 mm Diameter 550 µm 650 µm Electrodes Array length 0 10 mm 3 8 mm 3 6 mm Logitudinal pitch µm µm µm Electrode diameter 30 µm 35 µm 45 µm

18 Spikeraten aufgenommen am Rattencortex vorklinische Testungen am Tiermodell - MPI für Hirnforschung, Frankfurt (Prof. Singer) - Uniklinik Hamburg-Eppendorf (Prof. Engel) - Uniklinik Mineapolis, USA - Universität Ferrara, Italien (geplant)

19 Sonden für die Hirnforschung am Tiermodell 8-Kanal-Sonde mit Impedanzwandler 8-Kanal-Sonde mit versetzten Elektroden Mantel: Edelstahl (1.4301) Außendurchmesser 300 µm Elektroden: Au C300 Durchmesser 40 µm

20 Closed-Loop-Neurostimulator Fernziel: Closed-Loop - Neurostimulator zur bedarfsgeregelten Behandlung von Morbus Parkinson Nahziel: Schaffung der wissenschaftlichen, technologischen und präklinischen Grundlagen zur Closed-Loop - Neurostimulation Prototyp einer Flexsonde für in-vivo- Untersuchungen am Rattenmodell Elektrodenmaterial: Gold Trägermaterial: PI Stimulationselektrode Ableitelektrode

21 Flexible, implantierbare Mikrosonden bis zu 32 Ableitelektroden, zur Erfassung des aktuellen Zustandes bis zu 8 Stimulationselektroden applizieren ein bedarfsgerechtes Stimulationssignal Ableitung Stimulation Einsatz nanoskaliger Oberflächenmodifizierungen zur besseren und dauerhafteren Ankopplung an das biologische System

22 Kooperationspartner BrainLAB AG, Heimstetten Institut für Physik, AG Biophotonik Institut für Signalverarbeitung, Med. Universität Lübeck Thomas RECORDING GmbH, Giessen navegate Mikrosonden zur Neuronavigation bei Hirnoperationen BMBF-Verbundprojekte Medizintechnik GmbH, Teningen BiCIRTS Flexible, implantierbare Vielfach- Mikroelektrodensonden für die rückgekoppelte Tiefenhirn-Stimulation

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

24 IMM Institut für Mikrotechnik Mainz GmbH IMM ist eine Gemeinnützige, anwendungsorientierte F&E-Einrichtung des Landes Rheinland-Pfalz - gegründet bisher ca. 18 Ausgründungen - derzeit ca. 160 Mitarbeiter

25 Arbeitsschwerpunkte Chemical Process Engineering Bio - Micro Fluidics 3D Microstructuring Technologies Fuel Processing

26 Kerntechnologien des IMM Mechanische Präzisionsbearbeitung, µedm Einstichtiefe 0,2mm Ø0,05 mm Ø 0,6 mm Laser-Mikrobearbeitung mixer inlay, stainless steel, d=0.2 mm 1 mm slit width: 40 µm Silizium u. Dünnschichttechnik 3D-Kraftsensor Masenfluss-Sensor für Gase

27 MARKETING

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