Yenilikler

Esnek bir mikro ekran, beyin ameliyatı sırasında beyin aktivitesini gerçek zamanlı olarak izleyebilir

Bir elektrot ızgarasını ve LED’leri birleştiren ince bir film, ameliyat sırasında beyin aktivitesini gerçek zamanlı olarak hem izleyebilir hem de görsel bir temsilini üretebilir; bu, mevcut teknolojiye göre büyük bir gelişmedir. Cihaz, tümörler ve epileptik doku da dahil olmak üzere beyin lezyonlarını ortadan kaldırmak için yapılan cerrahi müdahaleler sırasında beyin durumlarını izlemek üzere beyin cerrahlarına hastanın beyni hakkında görsel bilgi sağlamak üzere tasarlandı.

Cihazdaki her LED, birkaç bin nöronun aktivitesini yansıtıyor. Kemirgenler ve primat olmayan büyük memeliler üzerinde yapılan bir dizi kavram kanıtlama deneyinde araştırmacılar, cihazın vücudun farklı bölgelerine karşılık gelen beyindeki sinirsel aktiviteyi etkili bir şekilde izleyebildiğini ve görüntüleyebildiğini gösterdi. Bu durumda ekibin geliştirdiği LED’ler, cerrahın çıkarılması gereken bölgelerde kırmızı renkte yanıyor. Kritik işlevleri kontrol eden ve kaçınılması gereken çevredeki alanlar yeşil renkle gösterilir.

Çalışma aynı zamanda cihazın epileptik nöbetin başlangıcını görselleştirebildiğini ve beyin yüzeyindeki epileptik nöbetin yayılımını haritalayabildiğini de gösterdi. Bu, doktorların beyindeki epilepsiyle ilgili ‘düğümleri’ izole etmelerine olanak tanıyacak. Bu aynı zamanda doktorların dokuyu çıkararak veya beyni uyarmak için elektrik darbeleri kullanarak gerekli tedaviyi yapmalarına da olanak tanıyacak.

“Sinir cerrahları bir nöbeti yayılmadan önce görebilir ve durdurabilir, farklı bilişsel süreçlere hangi beyin alanlarının dahil olduğunu görebilir ve tümörün yayılmasının işlevsel kapsamını görselleştirebilir. Bu çalışma, bir tümörü en zor yerden çıkarmak gibi zorlu bir görev için güçlü bir araç sağlayacaktır. Oregon Sağlık ve Bilim Üniversitesi’nde beyin cerrahı ve yardımcı doçent olan çalışmanın yazarlarından biri olan Daniel Cleary, “hassas beyin bölgeleri” dedi. Cleary, California San Diego Üniversitesi’nde tıp asistanı ve doktora sonrası araştırmacıydı.

Cihaz, Kaliforniya Üniversitesi San Diego ve Massachusetts Genel Hastanesi’nden (MGH) mühendis ve doktorlardan oluşan bir ekip tarafından tasarlandı ve geliştirildi ve makalenin ilgili yazarı ve UC Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümünde profesör olan Shadi Dayeh tarafından yönetildi. San Diego. Ekip çalışmalarını derginin 24 Nisan sayısında anlatıyor Bilim Translasyonel Tıp.

Beyin ameliyatı sırasında doktorların, organın hangi bölgelerinin kritik işlevleri kontrol ettiğini ve çıkarılamayacağını tanımlamak için beyin fonksiyonunun haritasını çıkarması gerekir. Şu anda beyin cerrahları işlem sırasında elektrofizyologlardan oluşan bir ekiple birlikte çalışmaktadır. Ancak bu ekip ve izleme ekipmanları ameliyathanenin farklı bir bölümünde bulunuyor. Korunması gereken ve ameliyat edilmesi gereken beyin bölgeleri ya elektrofizyologlar tarafından cerraha getirilen bir kağıt üzerinde işaretlenir ya da cerraha sözlü olarak iletilir ve cerrah bu bölgeleri işaretlemek için beyin yüzeyine steril kağıtlar yerleştirir. Teknolojinin ortak yazarı ve ortak mucidi olan MGH’den Dr. Angelique Paulk, “Her ikisi de bir prosedür sırasında kritik bilgileri iletmenin verimsiz yollarıdır ve sonuçları etkileyebilir” dedi.

Ayrıca şu anda ameliyat sırasında beyin aktivitesini izlemek için kullanılan elektrotlar ayrıntılı, ince taneli veriler üretmiyor. Bu nedenle cerrahların, beyin içinde çıkardıkları alanın çevresinde, rezeksiyon sınırı olarak bilinen, 5 ila 7 milimetrelik (yaklaşık ¼ inç) bir tampon bölge tutmaları gerekir. Bu, bazı zararlı dokuları içeride bırakabilecekleri anlamına geliyor. Yeni cihaz, bu tampon bölgeyi bir milimetrenin altına kadar küçültecek düzeyde bir ayrıntı sağlıyor.

Makalenin ilgili yazarı ve Tıp Fakültesi Profesörü Shadi Dayeh, “Kritik kortikal sınırları hassas bir şekilde görüntülemek ve beyin haritalama prosedürlerini basitleştirip süresini kısaltan uygun maliyetli bir cihazla beyin cerrahisine rehberlik etmek için beyin mikro ekranını icat ettik” dedi. UC San Diego Jacobs Mühendislik Okulu’nda Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği.

Araştırmacılar LED’leri Dayeh laboratuvarındaki bir başka yeniliğin üzerine, platin nanoçubuk elektrot ızgarasının (PtNRGrid) üzerine yerleştirdiler. Dayeh’in ekibi, 2019’dan beri PtNRGrids’i kullanarak, beyin sinir aktivitesini izlemek için binlerce kanalla insan beyni ve omurilik haritalamasına öncülük etti. Bir dizi makalede erken güvenlik ve etkililik sonuçlarını bildirdiler. Bilim Translasyonel Tıp 2022’de onlarca insan denekte. (Yeni sensör ızgaraları, rekor kıran çözünürlükle insan beyni sinyallerini kaydeder ve Mikroelektrot dizisi daha güvenli omurilik ameliyatına olanak sağlayabilir) – Neuralink ve bu alandaki diğer şirketlerin önünde.

PtNRGrid ayrıca doktorların hem haritalama hem de tedavi amacıyla beyni elektrik sinyalleriyle uyarmak için probları yerleştirmesine olanak tanıyan delikler içerir.

Nasıl yapıldı

Dayeh ve ekibi, yandıklarında ısınmayan ve beyin dokularına zarar vermeyen yüksek verimli LED’ler için bir üretim tekniği geliştirmek üzere Galyum Nitrür ile çalışma konusundaki uzmanlıklarını kullandı. Malzemenin kendisi, Qromis substrat teknolojisi adı verilen düz ve sert bir substrat üzerinde büyütülüyor. Dayeh’in UC San Diego’daki ekibi, binlerce LED’i esnek filmlere yerleştirmeyi ve bunları esnek bir ekran paneli biçiminde alt tabakadan ayırmayı başardı. Araştırmacılar daha sonra mavi ışıklarını diğer birçok renge dönüştürmek amacıyla LED’lerin yüzeyine kuantum nokta mürekkepleri yerleştirmek için mürekkep püskürtmeli baskıyı kullandılar. Dayeh, “Bu, sinirsel aktivite modellerinin daha zengin ve daha incelikli görsel temsilini mümkün kılıyor” dedi.

“Organik LED’lerden önemli ölçüde daha parlak ve güç açısından verimli olan bu Galyum nitrit bazlı inorganik mikro LED’ler, doğrudan güneş ışığının parlaklığını aşabilecek cerrahi ışıklar altında net görünürlük sağlayabilir. Yalnızca birkaç on mikron kalınlığındaki iEEG mikro ekranı, Binlerce kanalda saniyede 20.000 örnekte beyin aktivitesini görüntülüyor ve bunu 40 Hz video hızında görselleştiriyor. Bu, kritik cerrahi müdahaleler sırasında kortikal dinamiklerin hassas ve gerçek zamanlı görüntülenmesini sağlıyor” dedi ilk yazar ve ortak mucit Youngbin Tchoe. Daha önce UC San Diego’daki Dayeh grubunda doktora sonrası araştırmacı olarak çalışmış ve şu anda Ulsan Ulusal Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nde yardımcı doçent olarak görev yapmaktadır.

Mikro ekranlar 5 x 5 milimetre kare ve 32 x 32 milimetre kare boyutlarındadır ve PtNRGrid’in arkasına lamine edilmiş bu LED’lerden 1024 veya 2048 adet içerir. Cihaz, LED’lere ek olarak, kortikal aktiviteyi doğrudan beyin yüzeyinden analiz etmek ve yansıtmak için edinim ve kontrol elektroniklerinin yanı sıra yazılım sürücülerini de içeriyor.

“Beyin iEEG mikro ekranı, etkileyici bir şekilde hem beynin aktivitesini çok ince bir dereceye kadar kaydedebilir hem de bu aktiviteyi bir beyin cerrahının ameliyat sırasında kullanması için görüntüleyebilir. Bu cihazın sonuçta, beyin hastalığı olan hastalar için daha iyi klinik sonuçlara yol açacağını umuyoruz. Ohio Eyalet Üniversitesi’nde beyin cerrahı ve yardımcı doçent olan çalışma yazarı Jimmy Yang, ameliyat sırasında altta yatan beynin ayrıntılı aktivitesini hem ortaya çıkarma hem de iletme yeteneği” dedi.

Sonraki adımlar

Dayeh’in ekibi, bir akıllı telefon ekranının çözünürlüğüne eşdeğer, 100.000 LED içeren bir mikro ekran oluşturmak için çalışıyor. Bu ekranlardaki her LED, birkaç yüz nöronun aktivitesini yansıtacaktır. Bu beyin mikro ekranları, üst düzey bir akıllı telefonun maliyetinin çok altında olacak.

Bu beyin mikro ekranı aynı zamanda katlanabilir bir kısım da içerecek. Bu, mikro ekranın diğer, açılmamış kısmı beynin durumunu gerçek zamanlı olarak gösterdiğinden, cerrahların katlanabilir kısım içinde çalışmasına ve prosedürün etkisini izlemesine olanak tanıyacaktır.

Araştırmacılar ayrıca çalışmanın bir sınırlaması üzerinde çalışıyorlar. LED sensörlerin ve PtNRGrid’lerin yakınlığı verilerde hafif bir girişime ve gürültüye yol açtı. Ekip, LED’leri açan atımların frekansını değiştirerek, beynin elektriksel aktivitesiyle ilgisi olmayan bu sinyali taramayı kolaylaştırmak için özelleştirilmiş donanım oluşturmayı planlıyor.

Çalışma, Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından öncelikle Dayeh Direktörünün NIBIB DP2-EB029757 numaralı Yeni Yenilikçi Ödülü ile desteklendi: “İşlevselliğe Işık Getirmek Resective’de Haritalama Beyin Cerrahisi.” Araştırma, BRAIN® Initiative NIH hibeleri R01NS123655, K99NS119291, UG3NS123723 ve 5R01NS109553 tarafından kısmen desteklenmiştir.

Beyin mikro ekranı, UC San Diego’nun Qualcomm Enstitüsü’nün Nano3 temiz oda tesislerinde üretildi ve UC San Diego’nun Cerrahinin Geleceği Merkezi’nde büyük memeliler üzerinde test edildi.

Kaynak ve İleri Okuma: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/04/240424160244.htm

İlgili Makaleler

Başa dön tuşu