Come fai a sapere come si comporterà un impianto medico prima che venga prodotto? / How do you know how a medical implant will behave before it's manufactured?
Come fai a sapere come si comporterà un impianto medico prima che venga prodotto? / How do you know how a medical implant will behave before it's manufactured?
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
IT'IS ha raccolto la sfida di modellare la complessità del corpo umano, dall'anatomia dei tessuti alla fisiologia del sistema nervoso. Ottimizzazione della stimolazione della colonna vertebrale utilizzando modelli personalizzati per ripristinare la funzione degli arti inferiori nei pazienti paraplegici: (in alto) l'anatomia dei tessuti dai dati MRI viene ricostruita in Sim4Life per costruire un modello di midollo spinale specifico per il soggetto; (al centro) varie configurazioni di impulsi elettromagnetici inviati al modello del midollo spinale sono simulate nel
cloud su o 2 S 2 PARC; (in basso) i risultati della simulazione vengono utilizzati per determinare la migliore posizione dell'elettrodo e l'eccitazione per innescare il movimento naturale. / IT'IS has risen to the challenge of modelling the human body's complexity, from tissue anatomy to nervous system physiology. Optimising spine stimulation using personalised modelling to restore lower limb function in paraplegic patients: (top) tissue anatomy from MRI data is reconstructed in Sim4Life to build a subject-specific spinal cord model; (middle) various configurations of electromagnetic pulses delivered to the spinal cord model are simulated in
the cloud on o2S2PARC; (bottom) the simulation results are used to determine the best electrode position and excitation for triggering natural movement.
L’uso di campi elettromagnetici o dispositivi medici impiantati per stimolare il cervello può avere benefici, ma comporta anche dei rischi. Le simulazioni al computer che riflettono la complessità unica di ciascun paziente possono aiutare a prevedere e risolvere i problemi prima che si presentino.
Non tutti i progressi tecnici possono essere testati in sicurezza sul campo. "L'industria aerospaziale è stata una delle prime ad utilizzare modelli tecnici assistiti da computer per studiare ed ottimizzare la progettazione degli aerei quattro decenni fa", afferma Niels Kuster, direttore della Fondazione per la ricerca sulle tecnologie dell'informazione nella società (IT'IS) con sede a Zurigo. . “Avevamo l’obiettivo ambizioso di portare la stessa tecnologia dirompente nel campo della medicina”.
Gli strumenti di modellazione per la medicina sono molto più complessi di quelli per l’industria aerospaziale od automobilistica, spiega Kuster, poiché devono simulare non solo la fisica di un dispositivo medico, ma anche le sue interazioni con l’anatomia umana e le conseguenti risposte fisiologiche.
Riconoscendo l'importanza delle simulazioni per la comunità di ricerca, il National Institutes of Health degli Stati Uniti ha selezionato IT'IS per sviluppare la propria tecnologia e consentire una ricerca computazionale collaborativa, riproducibile e aperta, per portare queste complesse simulazioni nel cloud senza sacrificare le prestazioni.
IT'IS dispone di due piattaforme online che forniscono strumenti di modellazione e simulazione a ricercatori e sviluppatori di prodotti: la
piattaforma aperta o 2 S 2 PARC, per le (neuro)scienze collaborative; e la piattaforma commerciale di scienze della vita Sim4Life. "Queste piattaforme coprono tutto, dalla ricerca di base fino alla scienza traslazionale ed alle metodologie di sperimentazione in silico ", afferma Esra Neufeld, responsabile delle scienze della vita computazionali presso IT'IS.
Il gruppo di Neufeld guida lo sviluppo di queste piattaforme. Il suo gruppo collabora spesso anche con ricercatori che lavorano in prima linea nella tecnologia medica. I loro contributi includono il miglioramento della stimolazione dei nervi spinali nei pazienti paralizzati per ripristinare la mobilità, la creazione di nuove tecnologie per attivare selettivamente le strutture cerebrali profonde e la valutazione della sicurezza dei dispositivi impiantabili.
L'esperienza e la competenza di IT'IS lo hanno reso un attore vitale in una rete crescente di collaboratori internazionali che fanno avanzare collettivamente la fisica medica.
Dall'elettromagnetismo al calore
Fondato nel 1999, IT'IS ha iniziato studiando come i campi elettromagnetici ambientali influenzano gli esseri umani.
Il lavoro richiedeva modelli computazionali dettagliati “perché l’assorbimento elettromagnetico dipende dai dettagli anatomici”, afferma Kuster. E presto divenne chiaro che modelli così sofisticati avevano un’applicabilità più ampia. Ad esempio, le aziende che sviluppano dispositivi medici impiantabili potrebbero utilizzare i modelli per determinare se un paziente dotato del proprio dispositivo possa sottoporsi in sicurezza ad una scansione MRI, dove l’esposizione a massicci campi magnetici potrebbe portare al riscaldamento correlato al dispositivo.
IT'IS ha sviluppato il suo software trasformandolo in uno strumento che consente ai produttori di testare i propri progetti in silico, piuttosto che in esperimenti su animali, considerando variabili quali il tipo di scanner, il BMI e la postura di una persona e l'anatomia della parte del corpo scansionata. "Non è solo una questione di accelerare lo sviluppo", afferma Neufeld. "Si tratta anche di migliorare la sicurezza perché si coprono molte più configurazioni e condizioni."
Nel 2019, la FDA ha approvato il software come strumento di sviluppo di dispositivi medici. Oggi numerosi produttori lo utilizzano per stabilire la compatibilità con la risonanza magnetica di nuovi prodotti e per ottenere l'approvazione normativa.
Movimento scintillante
Il ripristino del movimento e della funzione nelle persone con lesioni spinali è un progetto di lunga data e mostra come la modellizzazione possa contribuire a tutte le fasi della ricerca.
Oggi IT'IS lavora a stretto contatto con Grégoire Courtine e Jocelyne Bloch presso il Centro di neuroprotesi e Brain Mind Institute del Politecnico federale (EPFL), i cui dispositivi impiantati hanno consentito a persone paralizzate di camminare, andare in bicicletta e nuotare.
Gran parte del loro primo lavoro di prova di successo aveva utilizzato roditori, dove i ricercatori stimolavano direttamente i nervi che innervavano i muscoli. Ma le differenze di dimensioni tra roditori ed esseri umani hanno fatto sì che i risultati non aumentassero, ed i primi risultati traslazionali sono stati deludenti.
Per migliorare i risultati, il gruppo di Neufeld ha contribuito a sviluppare un modello di anatomia e funzione della colonna vertebrale umana per decifrare il modo in cui la stimolazione influenzava il sistema nervoso.
"La modellizzazione è stata fondamentale per comprendere che l'obiettivo non era in realtà il midollo spinale", afferma Neufeld. "Sono state le radici spinali e gli input propriocettivi."
Gli input propriocettivi sono segnali provenienti dai sensori muscoloscheletrici che informano il sistema nervoso sui movimenti personali e sulla posizione del corpo. La stimolazione elettrica delle radici spinali suggerisce quindi un movimento continuo e attiva i circuiti neurali che innescano modelli di movimento.
Il gruppo è stato anche in grado di tenere conto della grande variabilità anatomica tra gli individui, come i diversi livelli vertebrali dei centri neurali che controllano i movimenti complessi delle gambe. "È necessario creare non solo un unico modello di riferimento, ma anche modelli personalizzati per ciascun soggetto, in particolare per progettare stimolatori delle radici spinali più sicuri ed efficaci", afferma Neufeld.
Nel cervello
Gli strumenti di IT'IS stanno inoltre rafforzando un nuovo campo di ricerca attorno ad una nuova forma di stimolazione cerebrale chiamata interferenza temporale.
Stimolare elettricamente una regione del cervello per aumentare o diminuire la sua attività può migliorare i sintomi di disturbi neurologici e psichiatrici.
I neuroni rispondono in modo più potente alla stimolazione elettrica a frequenze inferiori a 150 Hz. Tuttavia, poiché i campi decadono mentre attraversano i tessuti, non è possibile raggiungere le strutture profonde senza perturbare quelle sovrastanti. Pertanto, per colpire selettivamente le regioni profonde del cervello, i professionisti ricorrono in genere ad elettrodi impiantati chirurgicamente, limitando sia la ricerca che l’adozione clinica.
Circa dieci anni fa, Nir Grossman e Ed Boyden del MIT ebbero un'idea rivoluzionaria per modulare le strutture cerebrali profonde dall'esterno del cranio. Il loro concetto utilizzava due sorgenti di correnti ad alta frequenza con una piccola differenza di frequenza (diciamo 10.000 e 10.020 Hz). Tale stimolazione ad alta frequenza è inefficace nel modulare l’attività neuronale. Laddove queste correnti si sovrappongono, tuttavia, producono un campo di modulazione a bassa frequenza (in questo esempio, 20 Hz), che le cellule cerebrali possono seguire. Selezionando la posizione e la quantità di corrente applicata, è possibile suscitare una risposta neurale solo all'interno delle regioni cerebrali mirate.
IT'IS ha contribuito a perfezionare l'idea di Grossman e Boyden. Per ottenere una stimolazione mirata, il gruppo aveva bisogno di strumenti per l’erogazione di corrente ad alta precisione, nonché di modelli anatomici dettagliati e mappe delle proprietà dei tessuti, che hanno costruito a partire da dati di imaging medico specifici del paziente. Collaborando con i partner, IT'IS ha sviluppato uno stimolatore di fascia alta ed uno strumento di pianificazione personalizzato dedicato per supportare la ricerca sull'interferenza temporale.
Due articoli pubblicati alla fine del 2023 hanno dimostrato la modulazione selettiva dell’attività cerebrale negli esseri umani utilizzando l’interferenza temporale. Uno, mirato all'ippocampo, ha scoperto che la stimolazione ha potenziato la memoria dei volontari. Nell'altro, la stimolazione dello striato ha aiutato i volontari ad apprendere un compito di movimento più rapidamente.
"Prendere di mira così tante diverse strutture cerebrali che in precedenza non saresti stato in grado di raggiungere ha un grande potenziale terapeutico", afferma Neufeld, anche se sottolinea che questa nuova tecnologia richiede ulteriori ricerche per raggiungere il suo pieno potenziale.
Per Kuster, il vantaggio degli strumenti IT'IS è chiaro: "Contribuiscono ad accelerare la ricerca di base ed il time-to-market per terapie nuove, più efficaci e più sicure".
ENGLISH
Using electromagnetic fields or implanted medical devices to stimulate the brain can have benefits, but also carries risks. Computer simulations that reflect the unique complexity of each patient can help predict and solve problems before they arise.
How do you know how a medical implant will behave before it's manufactured?
Not all technical advances can be safely tested in the field. “The aerospace industry was one of the first to use technical computer-aided models to investigate and optimize aircraft design four decades ago,” says Niels Kuster, director of the Zurich-based Foundation for Research on Information Technologies in Society (IT’IS). “We had the ambitious goal of bringing the same disruptive technology to the field of medicine.”
Modelling tools for medicine are much more complex than those for the aerospace or automotive industries, Kuster explains, as they must simulate not only the physics of a medical device, but also its interactions with human anatomy and the resulting physiological responses.
Recognizing the importance of simulations to the research community, the US National Institutes of Health selected IT’IS to develop its technology to enable collaborative, reproducible and open computational research — to bring these complex simulations to the cloud without sacrificing performance.
IT’IS has two online platforms that provide modelling and simulation tools to researchers and
product developers: the open o2S2PARC platform, for collaborative (neuro)sciences; and the commercial life sciences platform Sim4Life. “These platforms cover everything from basic research all the way to translational science and in silico trial methodologies,” says Esra Neufeld, head of Computational Life Sciences at IT’IS.
Neufeld’s group spearheads the development of these platforms. His team also frequently collaborates with researchers working at the forefront of medical technology. Their contributions include improving the stimulation of spinal nerves in paralysed patients to restore mobility, creating new technologies to selectively activate deep brain structures, and assessing the safety of implantable devices.
IT’IS’ experience and expertise has established it as a vital player in a growing network of international collaborators collectively advancing medical physics.
From electromagnetism to heat
Founded in 1999, IT’IS started by investigating how environmental electromagnetic fields affect humans.
The work required detailed computational models “because electromagnetic absorption depends on anatomical details”, says Kuster. And it soon became clear that such sophisticated models had broader applicability. For instance, companies developing implantable medical devices could use the models to determine whether a patient fitted with their device could safely undergo an MRI scan — where exposure to massive magnetic fields could lead to device-related heating.
IT'IS developed its software into a tool for manufacturers to test their designs in silico — rather than in animal experiments — considering variables such as scanner type, a person’s BMI and posture, and the anatomy of the scanned body part. “It's not just a matter of accelerating development,” Neufeld says. “It's also a matter of improving safety because you cover many more configurations and conditions.”
In 2019, the FDA approved the software as a medical device development tool. Today, numerous manufacturers use it to establish the MRI-compatibility of new products and to gain regulatory approval.
Sparking movement
Restoring movement and function in people with spinal injuries is a longstanding project, and showcases how modelling can contribute to all stages of research.
Today, IT’IS works closely with Grégoire Courtine and Jocelyne Bloch at the Centre for Neuroprosthetics and Brain Mind Institute, Swiss Federal Institute of Technology (EPFL), whose implanted devices have enabled paralysed people to walk, cycle and swim.
Much of their successful early proof-of-concept work had used rodents, where researchers directly stimulated nerves innervating the muscles. But size differences between rodents and humans meant the results didn’t scale up, and early translational results were disappointing.
To improve outcomes, Neufeld’s team helped develop a model of human spinal anatomy and function to decipher how the stimulation affected the nervous system.
“The modelling was key to understanding that the target was actually not the spinal cord,” says Neufeld. “It was the spinal roots and the proprioceptive inputs.”
Proprioceptive inputs are signals from musculoskeletal sensors that inform the nervous system about self-movement and body position. Electrical stimulation to the spinal roots therefore suggests ongoing motion, and activates neural circuits that trigger movement patterns.
The team was also able to account for the large anatomical variability between individuals, such as the differing vertebral levels of neural centres that control complex leg movements. “There is a need to create not only a single reference model, but also personalized models for each subject, especially for designing safer and more effective spinal root stimulators,” Neufeld says.
Into the brain
IT’IS’ tools are also empowering a new research field around a novel form of brain stimulation called temporal interference.
Electrically stimulating a brain region to increase or decrease its activity can ameliorate the symptoms of neurological and psychiatric disorders.
Neurons respond most powerfully to electrical stimulation at frequencies below 150 Hz. However, because fields decay as they pass through tissues, it is not possible to reach deep structures without perturbing overlying ones. Therefore, to selectively target deep brain regions, practitioners typically resort to surgically implanted electrodes, limiting both research and clinical uptake.
Around a decade ago, MIT’s Nir Grossman and Ed Boyden had a breakthrough idea for modulating deep brain structures from outside the skull. Their concept used two sources of high-frequency currents with a small frequency difference (say 10,000 and 10,020 Hz). Such high-frequency stimulation is ineffective at modulating neuronal activity. Where these currents overlap, however, they produce a low-frequency modulation field (in this example, 20 Hz), which brain cells can track. By selecting the location and amount of applied current, it is possible to elicit a neural response only within targeted brain regions.
IT’IS helped refine Grossman and Boyden’s idea. To achieve targeted stimulation, the team needed tooling for high-precision current delivery, as well as detailed anatomical models and tissue property maps, which they built from patient-specific medical imaging data. Working with partners, IT’IS has developed a high-end stimulator and a dedicated personalized planning tool to support temporal interference research.
Two papers published in late 2023 demonstrated selective brain activity modulation in humans using temporal interference. One, targeting the hippocampus, found that stimulation boosted volunteers’ memories. In the other, stimulating the striatum helped volunteers learn a movement task more rapidly.
“Targeting so many different brain structures that previously you wouldn't have been able to reach has big therapeutic potential,” says Neufeld, though he stresses that this new technology requires additional research to reach its full potential.
For Kuster, the benefit of IT’IS’ tools is clear: “They help accelerate basic research and the time-to-market for novel, more effective, and safer therapies.”
Da:
https://www.nature.com/articles/d42473-023-00414-z?utm_source=facebook&utm_medium=paid_social&utm_campaign=LSCR_BRCON_AWA1_GL_PCFU_CFULF_ITIS-EU24&utm_content=lookalike_1&utm_id=120206621079750572&utm_term=120206622713090572&fbclid=IwAR1JTBA6pM0G8S4eOusBOmfU4jOKE20DblKK0YBcthrAOZsObTnKUNKvLbU_aem_AchEO6ZPgvgG6VaWI7McPSq8a_DGn5Mt82jXak-qEtKNDFaghc06FH_AsWZIDzbg4_dI0mWcBdeNO2y4b42CJNvd
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