مقالة منهجية

خط أنابيب لتخطيط وتنفيذ تجارب التعديل العصبي بالموجات فوق الصوتية عبر الجمجمة في البشر

2.8K مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/66972

⸱

يونيو 28, 2024

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Clinical Neurosciences, Cumming School of Medicine, University of Calgary, 2Hotchkiss Brain Institute, Cumming School of Medicine, University of Calgary, 3Department of Radiology, Cumming School of Medicine, University of Calgary, 4Department of Biomedical Engineering, Schulich School of Engineering, University of Calgary

في هذه المقالة

ملخص

التحفيز بالموجات فوق الصوتية عبر الجمجمة (TUS) هو تقنية تعديل عصبي ناشئة غير جراحية تتطلب تخطيطا دقيقا للمحاكاة الصوتية والحرارية. تصف المنهجية خط أنابيب معالجة الصور ومحاكاة الموجات فوق الصوتية من أجل التخطيط الفعال وسهل الاستخدام والمبسط لتجارب TUS البشرية.

الملخص

التحفيز بالموجات فوق الصوتية عبر الجمجمة (TUS) هو تقنية تعديل عصبي ناشئة غير جراحية قادرة على التعامل مع كل من الهياكل القشرية وتحت القشرية بدقة عالية. يتطلب إجراء التجارب التي تشمل البشر تخطيطا دقيقا للمحاكاة الصوتية والحرارية. هذا التخطيط ضروري لضبط تداخل العظام مع شكل شعاع الموجات فوق الصوتية ومساره ولضمان تلبية معلمات TUS لمتطلبات السلامة. يتم الحصول على T1- و T2 ، جنبا إلى جنب مع التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) بالصدى في وقت الصفر (ZTE) بدقة الخواص 1 مم ، (بدلا من ذلك التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية (CT)) لإعادة بناء الجمجمة والمحاكاة. يتم تنفيذ رسم خرائط الهدف والمسار باستخدام منصة الملاحة العصبية. يستخدم SimNIBS للتجزئة الأولية للجمجمة والجلد وأنسجة المخ. يتم نقل محاكاة TUS باستخدام أداة BabelBrain ، والتي تستخدم مسح ZTE لإنتاج صور CT اصطناعية للجمجمة لتحويلها إلى خصائص صوتية. نحن نستخدم محول طاقة بالموجات فوق الصوتية صفيف مرحلي مع قدرات التوجيه الكهربائي. يتم ضبط التوجيه Z لضمان الوصول إلى عمق الهدف. يتم أيضا دعم تكوينات محول الطاقة الأخرى في أداة التخطيط. يتم تشغيل المحاكاة الحرارية لضمان أن تكون متطلبات درجة الحرارة والمؤشر الميكانيكي ضمن الإرشادات الصوتية ل TUS في البشر على النحو الموصى به من قبل إدارة الغذاء والدواء. أثناء جلسات تسليم TUS ، يساعد الذراع الميكانيكي في حركة محول الطاقة إلى الموقع المطلوب باستخدام نظام توطين تجسيمي بدون إطار.

المقدمة

تشمل تقنيات التحفيز العصبي غير الغازية شائعة الاستخدام تحفيز التيار المباشر عبر الجمجمة (tDCS) والتحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS). ومع ذلك ، فإن كلاهما لهما عمق اختراق محدود ودقة منخفضة 1,2. على النقيض من ذلك ، فإن الموجات فوق الصوتية عبر الجمجمة (TUS) هي تقنية ناشئة غير جراحية قادرة على تعزيز أو قمع النشاط العصبي3،4،5 واستهداف الهياكل القشرية أو تحت القشرية بدقةملليمتر 6,7. أظهرت النماذج الحيوانية التي تستخدم القوارض4،8،9 والأرانب10 والأغنام5،11 والخنازير6 والرئيسيات غير البشرية7،12،13،14 فعالية وسلامة TUS. أظهرت الدراسات أن استهداف مناطق الدماغ المختلفة يمكن أن يثير حركات الأطراف8 في الفئران ، والإمكانات الحسية الجسدية (SSEPs) في الخنازير6 ، والتغيرات في النشاط الحركي البصري12 ، واتخاذ القرارات المعرفية والتحفيزية في الرئيسيات غير البشرية13 من بين تغييرات أخرى في السلوك. في البشر ، لوحظ أن TUS يغير الإمكانات الحركية المستحثة (MEPs) والأداء في مهمة وقت رد الفعل عند استهداف القشرة الحركية الأولية 15,16 وتغيير الأداء في مهمة التمييز عن طريق اللمس و SSEPs عند استهداف القشرة الحسية الجسدية17 والمهادالحسي 18. كشفت التحليلات النسيجية عن عدم وجود تغييرات هيكلية إجمالية أو مجهرية مرتبطة ب TUS في الخنازير6 والأغنام5،11 والأرانب10 والرئيسيات غير البشرية14 ، ولم يلاحظ أي آثار جانبية تختلف اختلافا كبيرا عن تقنيات التحفيز العصبي غير الغازيةالأخرى 19.

يستخدم TUS الموجات فوق الصوتية المركزة منخفضة الكثافة النبضية بتردد يتراوح بين 200 كيلو هرتز و 700 كيلو هرتز لإنتاج تأثير عصبي عابر. يبلغ متوسط شدة النبض النموذجي للذروة المكانية (Isppa) في الموقع 10 واط / سم2 أو أقل ، مع دورات العمل المبلغ عنها (النسبة المئوية للوقت عند تشغيل الموجات فوق الصوتية) تتراوح من 0.5٪ إلى 70٪ في البشر20،21،22،23،24. على الرغم من أن آليات التعديل العصبي TUS قد تم اقتراحها بشكل أساسي لتشمل التحريض الميكانيكي للأغشية الدهنية مما يؤدي إلى فتح القنوات الأيونية25،26،27 ، لا يمكن تجاهل التأثيرات الحرارية والتجويف المحتملة. يتم تقييمها من خلال المؤشرات الميكانيكية (MI) والحرارية (TI). يصف MI التأثيرات الحيوية المتوقعة المتعلقة بالتجويف والتي ستحدث مع TUS ، بينما يصف TI الزيادة المحتملة في درجة الحرارة داخل الأنسجة بعد تطبيق الموجات فوق الصوتية28,29. علاوة على ذلك ، يؤدي تغيير التردد وكثافة الإدخال أيضا إلى تغيير MI و TI. الترددات الأعلى لها دقة مكانية أفضل وتقلل من احتمال التأثيرات الحيوية الميكانيكية ؛ ومع ذلك ، لديهم امتصاص أقوى في الأنسجة ، مما يزيد من احتمال ارتفاع درجة الحرارة28. بدلا من ذلك ، تزيد الترددات المنخفضة بنفس الشدة من MI. وبالمثل ، فإن زيادة الكثافة تميل إلى زيادة حجم التأثيرات الحيوية الميكانيكية والحرارية30. لذلك ، من الضروري إجراء تخطيط ومحاكاة دقيقين قبل جلسات التجريب لجميع معلمات TUS التي سيتم تنفيذها.

يتطلب التخطيط لتجربة TUS تحديد الهدف ومسار الاهتمام وأداء المحاكاة الحرارية والصوتية. تساعد عمليات المحاكاة في تحسين التأثيرات الميكانيكية والتخفيف من الآثار الحرارية ل TUS على الأنسجة. إنها تتطلب فهم التنبؤ بتسخين الجمجمة ، وسعة ضغط الموجات فوق الصوتية في النقطة البؤرية ، والتصحيح البؤري ، والتدفئة الأخرى داخل الجمجمة والجلد. تضمن المحاكاة الكافية أن تصل النقطة المحورية إلى هدف الاهتمام ومعايير السلامة لاستخدام الموجات فوق الصوتية المنصوص عليها في إرشادات السلامة بشأن السلامة الفيزيائية الحيوية على النحو الموصى به من قبل الاتحاد الدولي لسلامة ومعايير التحفيز بالموجات فوق الصوتية عبر الجمجمة (ITRUSST) 31 ، والتي تستند إلى توصيات إدارة الغذاء والدواء ووزارة الصحة الكندية. أبرزت الدراسات الحديثة أيضا تأثيرا مربكا سمعيا مصحوبا ب TUS32،33،34 في والبشر ، حيث يمكن لتحفيز TUS تنشيط المسارات السمعية في الدماغ لاستنباط الاستجابات32،33،34. تم استخدام استئصال الأعصاب السمعية32 ، أو إزالة سائل القوقعة32 ، أو الصمم الكيميائي33 في القوارض لتقليل هذه التأثيرات في. في البشر ، تم استخدام إدارة نغمة سمعية من خلال سماعات الرأس لإخفاء الضوضاء السمعية بشكل فعال من TUS ، والتحكم في النشاط السمعي الناجم عن TUS يربك34. هذا يسلط الضوء على الحاجة إلى التحكم في الضوضاء السمعية في ظروف التحفيز الوهمي ، والتي يجب دمجها في تخطيط البروتوكول وتصميمه وتنفيذه.

هنا ، نقدم دليلا حول كيفية إكمال التحضير بشكل مناسب (الخطوة 1 ، الخطوة 2) ، والتخطيط (الخطوة 3) ، والمحاكاة (الخطوة 4) ، وتسليم TUS (الخطوة 5) المطلوبة لإجراء تجربة التعديل العصبي TUS في البشر.

البروتوكول

تم تنفيذ جميع الطرق التي تنطوي على استخدام الموضوعات البشرية وفقا للسلوك الأخلاقي للمجلس الثلاثي للبحوث التي تشمل البشر ، وتمت الموافقة على البروتوكول من قبل مجلس أخلاقيات البحوث الصحية المشتركة (CHREB) في جامعة كالجاري. قدمت جميع الموضوعات موافقة خطية مستنيرة قبل المشاركة. طلب من المشاركين من البشر أن يكونوا بالغين أصحاء ويستخدمون اليد اليمنى وتتراوح أعمارهم بين 18 و 40 عاما مستعدين وقادرين على إكمال فحص التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). وشملت معايير الاستبعاد التاريخ العائلي للنوبات ، أو اضطرابات المزاج ، أو القلب والأوعية الدموية ، أو صدمة الأذن ، أو الاعتماد على الكحول أو المخدرات ، واستخدام الأدوية الموصوفة ، والغرسات المعدنية بما في ذلك جهاز تنظيم ضربات القلب ، والحمل ، واضطرابات القلب والأوعية الدموية ، وتاريخ الاضطراب العصبي أو النفسي ، وعدم القدرة على التواصل مع المحقق وموظفي الدراسة ، والعجز القانوني أو الأهلية القانونية المحدودة. يتبع البروتوكول الموصوف أدناه توصيات ITRUSST بشأن الإبلاغ الموحد لدراسات TUS35. يتم سرد تفاصيل المعدات والبرامج وروابط الويب الضرورية المستخدمة في هذه الدراسة في جدول المواد.

1. التصوير بالرنين المغناطيسي عالي الدقة

  1. تخيل المشارك باستخدام ملف رأس / عنق مكون من 24 قناة.
    ملاحظة: بدلا من ذلك ، فإن أفضل ملف للرأس / الرقبة متاح في الموقع يكفي للحصول على التصوير بالرنين المغناطيسي التشريحي.
  2. اجمع صور الرنين المغناطيسي المرجحة T1 و T2 وتسلسلات الصدى في وقت الصفر (ZTE) بدقة 1 مم.
    ملاحظة: يوصى بجمع صور التصوير بالرنين المغناطيسي دون أن يرتدي المشارك سماعات فوق الأذن ، حيث يمكن أن يؤثر ذلك على إعادة بناء الصورة ويجعل خطوات التخطيط والتنفيذ اللاحقة صعبة. بدلا من ذلك ، يوصى بأن يرتدي المشارك سدادات الأذن فقط لسلامة التصوير بالرنين المغناطيسي.
    1. بالنسبة للتصوير المرجح T1 ، استخدم تسلسل صدى التدرج المفسد السريع (FSPGR) المعد لاستعادة الانعكاس ثلاثي الأبعاد مع المعلمات التالية: وقت التكرار (TR) = 8.4 مللي ثانية ، وقت الصدى (TE) = 3.2 مللي ثانية ، وقت الانعكاس (TI) = 650 مللي ثانية ، زاوية قلب 10 درجات ، مجال رؤية بقياس 256 مم × 256 مم × 188 مم ، حجم المصفوفة 256 × 256 × 188 ، عامل GRAPPA (ARC) 2 في اتجاه تشفير الطور ، والاتجاه المائل السهمي للمحاذاة التقريبية مع AC-PC.
      ملاحظة: إجمالي وقت المسح الضوئي هو 5 دقائق و 21 ثانية.
    2. بالنسبة للتصوير المرجح T2 ، استخدم صدى سريع الدوران ثلاثي الأبعاد (FSE) مع المعلمات التالية: TR = 3000 مللي ثانية ، TE = 60-90 مللي ثانية ، طول قطار صدى 130 ، مجال الرؤية بقياس 256 مم × 225 مم × 188 مم ، حجم المصفوفة 256 × 256 × 188 ، واتجاه سهمي مائل يقترب من المحاذاة مع محور AC-PC. تم استخدام عامل GRAPPA (ARC) المكون من اثنين في ترميز الطور واتجاه الشريحة.
      ملاحظة: إجمالي وقت المسح الضوئي هو 3 دقائق و 58 ثانية.
    3. بالنسبة لصور ZTE ، استخدم مسح 3D ZTE الخواص مع الإعدادات التالية: TR = 698 مللي ثانية ، TE = 16 μs ، زاوية قلب 1 درجة ، عرض النطاق الترددي لجهاز الاستقبال 62.5 كيلو هرتز ، عدد المتوسطات = 3.5 ، مجال رؤية يبلغ 256 مم × 256 مم × 256 مم ، حجم المصفوفة 256 × 256 × 256.
      ملاحظة: إجمالي وقت المسح الضوئي هو 5 دقائق و 23 ثانية.
      ملاحظة: يجب إكمال صور MR قبل بدء تخطيط TUS.

2. المعالجة المسبقة لصور المشاركين

  1. قم بتحويل ملفات المسح الضوئي T1-w و T2-w و ZTE DICOM من تنسيق DICOM إلى تنسيق Nifti باستخدام أداة dcm2niix. في نافذة طرفية ، تنفيذ: dcm2niix <المسار إلى ملفات فحص DICOM>.
    ملاحظة: تتوفر أداة dcm2niix على GitHub (انظر جدول المواد). تشارك أداة BabelBrain في تسجيل صور المشارك لاستيعاب الصور التي تم جمعها في أيام منفصلة. إذا لم تكن صور T1-w متباينة الخواص ، يتم إعادة تشكيلها إلى فوكسل متساوي الخواص 1 مم ؛ ومع ذلك ، فإن صور CT / ZTE ليست كذلك. بدلا من ذلك ، يتم إعادة تشكيل أقنعة المحاكاة إلى الدقة النهائية من حيث PPW. لا يلزم التسجيل المشترك أو المواءمة الإضافية.
  2. تنفيذ التسجيل المشترك واستخراج قناع الأنسجة باستخدام أداة سحر SimNIBS. في نافذة طرفية ، تنفيذ: سحر <المسار إلى ملف T1-W Nifti> <المسار إلى ملف T2-W Nifti> --forceqform ، حيث عبارة عن سلسلة لتحديد الهوية. في هذه المرحلة ، يمكن إيقاف تخطيط التجربة مؤقتا ومتابعته في وقت آخر.
    ملاحظة: سيتم حفظ الملفات التي تم إنشاؤها في دليل فرعي m2m ، والذي سيتم استخدامه في مراحل التخطيط اللاحقة. تعد المعالجة المسبقة للصور باستخدام أداة السحر ضرورية لأغراض تجزئة الأنسجة ، حيث أن هذا مطلوب للاستخدام في أداة BabelBrain36.

3. تخطيط المسار

  1. افتح Brainsight ، وانقر فوق مشروع فارغ جديد ، وقم بتحميل صورة T1-w Nifti الخاصة بالمشارك ، والتي تم إنتاجها في الخطوة 2.1.
    ملاحظة: في حالة استخدام إصدار Brainsight قبل الإصدار 2.5.3 ، يمكن اختيار "مشروع فارغ جديد" أو "مشروع SimNIBS جديد". في حالة استخدام Brainsight v2.5.3 وما بعده ، هناك تكامل بين Brainsight و BabelBrain ويوصى بشدة بالنقر فوق "مشروع SimNIBS الجديد" ؛ ومع ذلك ، لا يزال كلاهما كافيا لإكمال خطوات التخطيط. يتطلب "مشروع فارغ جديد" تحميل صورة T1-w ، بينما يتطلب "مشروع SimNIBS الجديد" تحميل ملف .msh يقوم بتحميل صورة T1-w مباشرة. تظل جميع الوظائف والخطوات الأخرى كما هي.
  2. انقر فوق تراكبات ، ثم على تكوين تراكبات لإنشاء تراكب وعرضه. انقر فوق إضافة لتحديد الملف المراد تراكبه.
    ملاحظة: إذا تعذر تصور الهدف على صورة T1-w ، فيجب أولا ترجمته على صورة T2-w مسجلة بشكل مشترك (بحيث تكون إحداثيات T1-w و T2-w هي نفسها). بعد ذلك ، انقل الإحداثيات إلى صورة T1-w لخطوات التخطيط اللاحقة. تنتج أداة الرمز في الخطوة 2.2 صورة T2-w مسجلة بشكل مشترك في مسار الملف m2m /T2_reg.nii.gz.
  3. أغلق قسم التراكبات ، وانقر فوق علامة التبويب الأهداف ، متبوعة بتكوين الأهداف. انقر فوق زر المعلومات الأزرق لتغيير عتامة ولون وعتبة التراكب للسماح بمقارنة الصور.
    ملاحظة: يمكن إجراء ذلك لتصور صور Nifti المسجلة بشكل مشترك ويجب استخدامه لمراقبة كيفية تراكب المحاكاة الصوتية مع الهدف.
  4. انقر فوق علامة التبويب إعادة البناء ، ثم على القائمة المنسدلة إعادة بناء جديدة ... انقر فوق الجلد ، متبوعا بحساب الجلد في النافذة الجديدة. بمجرد الانتهاء ، انقر فوق زر الإغلاق في الزاوية اليسرى العليا من النافذة.
  5. ضمن علامة التبويب "إعادة البناء" ، انقر فوق القائمة المنسدلة إعادة الإعمار الجديدة ... متبوعة بانحناء الدماغ الكامل.
    1. اضبط كل مربع على الصور السهمية (الشكل 1 أ) والإكليلية (الشكل 1 ب) والمستعرضة (الشكل 1 ج) عن طريق سحب حواف المربع الأخضر ، بحيث تحيط الخطوط بالدماغ بإحكام (الشكل 1).
    2. قم بالتمرير خلال جميع الشرائح للتأكد من عدم تداخل حواف الأنسجة. انقر فوق حساب منحني واضبط عمق التقشير على 4 مم (الشكل 1 د).
      ملاحظة: يوفر انحناء الدماغ الكامل إعادة بناء 3D للقشرة ، والتي يمكن تقشيرها لمراقبة أعماق مختلفة. يسمح بوضع دقيق ومتسق لملف TMS على الدماغ لتحديد المنطقة محل الاهتمام.
  6. انقر فوق علامة التبويب "المعالم" في Brainsight ، متبوعة بتكوين المعالم.
    1. ضع الشعيرات المتصالبة (المؤشر) على طرف الأنف ، وفي حقل "الاسم:" ، قم بتسمية المعلم "الأنف" (الشكل 2 أ). ضع الشعيرات المتصالبة بين العينين فوق جسر الأنف وقم بتسمية المعلم "Nasion" (الشكل 2 أ).
    2. ضع الشعيرات المتصالبة على الأذن اليسرى وقم بتسمية المعلم "L Ear" (الشكل 2B). ضع الشعيرات المتصالبة على الأذن اليمنى وقم بتسمية المعلم "R Ear" (الشكل 2C).
  7. انقر فوق علامة التبويب الأهداف واستخدم الشعيرات المتصالبة (المؤشر) لتوطين الهدف محل الاهتمام.
    1. ضع الشعيرات المتصالبة (المؤشر) على موقع الهدف المطلوب واستخدم مفاتيح تبديل الزاوية على الجانب الأيمن من الشاشة لضبط زاوية المسار.
    2. بمجرد تحديد الهدف والمسار المطلوبين ، انقر فوق القائمة المنسدلة جديد ، واختر المسار. قم بتسمية الهدف عن طريق الكتابة في مربع النص بجوار "الاسم:".
    3. قم بتصدير الهدف بالنقر فوق تصدير ... واحفظه في مجلد الموضوع المناسب. بمجرد حفظ الملف، يمكن أن يتوقف التخطيط مؤقتا، ويمكن إعادة تشغيل التجربة لاحقا.
      ملاحظة: سيتم استخدام الهدف في الخطوات اللاحقة لإكمال عمليات المحاكاة الحرارية والصوتية.

figure-protocol-1
الشكل 1: إنشاء انحناء كامل للدماغ في Brainsight. (أ) مربع مضبوط على حافة صورة التصوير بالرنين المغناطيسي السهمي. ( B) صندوق مضبوط على حافة صورة التصوير بالرنين المغناطيسي الإكليلي. ( C) صندوق مضبوط على حافة صورة التصوير بالرنين المغناطيسي المستعرضة. د: إعادة بناء الدماغ المنحنية بالكامل بعمق تقشير 4 مم. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-protocol-2
الشكل 2: المعالم الموضوعة على إعادة بناء الجلد وصورة التصوير بالرنين المغناطيسي. (أ) وضع معالم الأنف والأنف. (ب) وضع معلم الأذن اليسرى. (ج) وضع معلم الأذن اليمنى. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

4. المحاكاة مع بابل برين

ملاحظة: يمكن الرجوع إلى تفاصيل المحاكاة مع BabelBrain في دليل BabelBrain: https://proteusmrighifu.github.io/BabelBrain/index.html.

  1. افتح BabelBrain وحدد الملفات المطلوبة للمحاكاة الصوتية والحرارية.
    ملاحظة: يستخدم هذا التقديم محول صفيف مرحلي. ومع ذلك ، فإن محولات الطاقة الأخرى متوافقة تماما مع برنامج التخطيط هذا. يمكن لهذا البرنامج إكمال عمليات المحاكاة ل Single و CTX_500 و H-317 و H-246 ومحولات الطاقة. في الطريقة التالية ، سيتم استخدام H-317 كمحول الطاقة المحدد.
    1. حدد ملف txt الذي تم تصديره مسبقا من Brainsight خلال الخطوة 3.7.3 بالنقر فوق تحديد المسار ... واختيار ملف المشارك المناسب. انقر فوق تحديد SimNIBS ... لاختيار ملف SimNIBS (اسم m2m_folder) الذي تم إنشاؤه في الخطوة 2. انقر فوق تحديد T1W ... واختر صورة T1-w التي تم إنتاجها في الخطوة 2.1 المستخدمة سابقا لتعيين الهدف والمسار.
    2. ضمن القائمة المنسدلة بجانب تسمية "استخدام التصوير المقطعي المحوسب؟" ، اختر التصوير المقطعي المحوسب الحقيقي إذا كنت تستخدم فحصا بالأشعة المقطعية ، أو ZTE إذا كنت تستخدم فحص ZTE ، أو لا إذا كنت تستخدم قناعا مبسطا تم إنشاؤه بواسطة أداة الرمز في حالة توفر صور T1- و T2-w فقط. عند استخدام صورة CT أو ZTE ، انقر فوق القائمة المنسدلة Correg.? متبوعة ب CT إلى MR. انقر فوق تحديد واختر الصورة المقابلة من ملف المشارك المناسب.
    3. انقر فوق "تحديد ملف التعريف الحراري ..." واختر ملف التعريف الحراري الذي يصف معلمات صوتنة التجربة من حيث المدة ومدة الإيقاف ودورة العمل.
      ملاحظة: يمكن الرجوع إلى التفاصيل في دليل BabelBrain: https://proteusmrighifu.github.io/BabelBrain/index.html. تتوفر أمثلة على الملفات الشخصية في https://github.com/ProteusMRIgHIFU/BabelBrain/tree/main/Profiles.
    4. انقر فوق القائمة المنسدلة بجانب "محول الطاقة" وحدد محول الطاقة المستخدم للتجريب. انقر فوق القائمة المنسدلة بجانب "الواجهة الخلفية للحوسبة" واختر الواجهة الخلفية للحوسبة للكمبيوتر الذي يقوم بتشغيل المحاكاة. بمجرد إدخال جميع المعلومات ، انقر فوق "متابعة " لإكمال بقية عمليات المحاكاة.
  2. الخطوة الفرعية أ: حساب القناع.
    1. حدد تردد الموجات فوق الصوتية لمحول الطاقة والنقطة المناسبة لكل طول موجي (PPW).
      ملاحظة: 6 PPW كافية لمعظم السيناريوهات.
    2. اترك نطاق ZTE الطبيعي ووحدات Hounsfield (HU) كما هي.
      ملاحظة: في حالة استخدام التصوير المقطعي المحوسب الحقيقي ، سيظهر عتبة HU فقط. إذا لم يتم توفير فحص ZTE أو CT ، فسيكون هذا الإدخال غائبا.
    3. انقر فوق حساب قناع التخطيط. افحص الصورة ، وتحقق للتأكد من التعرف بدقة على حدود الجلد والجمجمة والدماغ.
      ملاحظة: في حالة وجود أي اختلافات ، اضبط نطاق ZTE الطبيعي و / أو عتبة HU.
  3. الخطوة الفرعية ب: المحاكاة الصوتية. انقر فوق علامة التبويب الخطوة 2 - Ac Sim لفتحها.
    ملاحظة: ستبدو علامة التبويب هذه مختلفة وفقا لمحول الطاقة المحدد. ما يلي خاص بمحول الطاقة H-317.
    1. اضبط المسافة من المخروط للتركيز لتعكس المسافة من سطح المخروط إلى الهدف عن طريق كتابة المسافة المناسبة.
      ملاحظة: هذا تمليه المخروط المادي لاستخدامه في التجارب.
    2. قم بتنفيذ المحاكاة بالنقر فوق الزر "حساب الحقول ".
    3. اضبط قيمة التوجيه Z (مم) بحيث تكون الشعيرات المتصالبة (التي تشير إلى الهدف) في وسط النقطة البؤرية (الشكل 3). اضغط على السهمين لأعلى أو لأسفل أو أدخل القيمة المطلوبة يدويا ، ثم انقر فوق حساب الحقول.
      ملاحظة: ستوجه القيم الإيجابية النقطة البؤرية إلى عمق الدماغ ، في حين أن القيم السلبية ستؤدي إلى تحرك النقطة البؤرية بشكل سطحي.
    4. اضبط ميكانيكية X / Y إذا كانت النقطة البؤرية جانبية للهدف المقصود. اترك Z الميكانيكية كما هي. انقر فوق حساب الحقول.
      ملاحظة: يعاد حساب ميكانيكا Z كدالة للمسافة من المخروط في 4.3.1. إذا لزم الأمر لضبط التوجيه Z أو الميكانيكي X / Y أو أقصى عمق يتجاوز الهدف بعد إكمال الحساب ، فيجب إعادة حساب ملفات المحاكاة الصوتية. انقر فوق حساب الحقول وحدد نعم لإعادة الحساب. حدد لا لإعادة تحميل الملفات الموجودة.
  4. الخطوة الفرعية ج: المحاكاة الحرارية. انقر فوق علامة التبويب الخطوة 3 - Thermal Sim ، ثم انقر فوق حساب الحقول الحرارية. تقييم عمليات المحاكاة الميكانيكية والحرارية (الشكل 4) للتأكد من أنها تلبي الإرشادات الصوتية في البشر على النحو الموصى به من قبل ITRUSST31 (المؤشر الميكانيكي (MI) في الأنسجة الرخوة ≤1.9 ؛ الارتفاع الحراري ≤2 درجة مئوية ، الجرعة الحرارية ≤0.25 CEM43 ، وقت التعرض يقتصر على 80 دقيقة لمدة 1.5 < مؤشر حراري للجمجمة (TIC) ≤ 2.0 ، 40 دقيقة لمدة 2.0 < TIC ≤ 2.5 ، 10 دقائق ل 2.5 < TIC ≤ 3.0 ، 160 ثانية ل 3.0 < TIC ≤ 4.0 ، 40 ثانية ل 4.0 < TIC ≤ 5.0 ، و 10 ثوان ل 5.0 < TIC ≤ 6.0).
    ملاحظة: يحل BabelBrain معادلة نقل الحرارة الحيوية لتقدير ارتفاع درجة الحرارة36. في حالات نادرة ، قد تحدث فوكسل غير طبيعية ذات درجة حرارة عالية ، وفي هذه الحالة يجب تحليل صور التصوير بالرنين المغناطيسي إذا كانت أي ميزات تشريحية يمكن أن تفسر الارتفاع غير العادي في درجة الحرارة.
    1. اضبط Isppa بالنقر فوق السهمين لأعلى أو لأسفل بجانب مربع Isppa (W / cm2) أو إدخال قيمة أعلى من 0.1 يدويا لمراقبة كيفية تغير المعلمات بكثافة مختلفة.
      ملاحظة: يمكن تصدير ملخص لجميع الشدة وتغيرات درجة الحرارة والمؤشرات الميكانيكية كملف CSV كمرجع. يحسب البرنامج الكثافة المطلوبة في ظروف المياه (Isppa في الماء) التي يجب تطبيقها لتحقيق الكثافة المطلوبة في الموقع.
    2. انقر فوق أزرار MTB و MTS و MTC في المنطقة السفلية من الواجهة لعرض الشريحة ذات أعلى درجة حرارة في الدماغ والجلد والجمجمة. بعد الانتهاء من خطوة المحاكاة الحرارية ، تكتمل عمليات المحاكاة.
      ملاحظة: سيتم حفظ الملفات تلقائيا في نفس موقع صورة T1-w.
      ملاحظة: الملفات الصوتية ذات النهاية < ... يمكن تحميل FullElasticSolution_Sub_NORM.nii.gz> في Brainsight لتصور تراكب المجال الصوتي في مساحة T1. ستكون هناك ملفات لشروط المياه فقط (مع وجود بادئة "الماء" في اسم الملف) وملفات لظروف الأنسجة الحالية (لا توجد بادئة في اسم الملف). اتبع الخطوات الواردة في الملاحظة التالية للخطوة 3.1 لإضافة تراكب. بعد خطوة المحاكاة الحرارية ، تكتمل عمليات المحاكاة ، ويمكن إيقاف التجربة مؤقتا حتى جلسة تسليم TUS.

figure-protocol-3
الشكل 3: المحاكاة الصوتية باستخدام BabelBrain. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-protocol-4
الشكل 4: المحاكاة الحرارية باستخدام BabelBrain. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

5. جلسة تسليم TUS

  1. افتح Brainsight وانقر على فتح مشروع موجود. حدد ملف Brainsight الذي تم إنشاؤه وحفظه أثناء تعيين المسار والهدف.
  2. انقر فوق الجلسات لبدء جلسة تجريبية جديدة. انقر فوق القائمة المنسدلة وحدد جديد ، متبوعا بجلسة عبر الإنترنت. انقر فوق اسم الهدف متبوعا بإضافة، والتالي لإضافة الهدف إلى جلسة التجربة والمتابعة إلى نافذة التجريب.
    ملاحظة: إذا تم تنفيذ تسليم TUS باستخدام جهاز كمبيوتر مختلف عما تم استخدامه للتخطيط، فسيتطلب Brainsight اختيار صورة T1-w المناسبة. في هذه الحالة ، ستفتح نافذة جديدة وتطالبك بتحديد صورة المشارك T1-w المرتبطة من ملف المشارك الخاص به.
  3. انقر فوق نافذة ، ومعايرة الأداة ، وحدد الأدوات المراد استخدامها ، متبوعا بإعادة المعايرة.
    ملاحظة: يجب إكمال هذه الخطوة لمحول الطاقة وجميع الأدوات الأخرى المستخدمة أثناء الجلسة التجريبية ، مثل ملف TMS.
    1. قم بتأمين جهاز تعقب الملف الكبير وكتلة المعايرة بمحول الطاقة. تأكد من أن الكاميرا يمكنها رؤية الإيمانات على كلتا الأداتين. انقر فوق بدء العد التنازلي للمعايرة لإعادة المعايرة.
      ملاحظة: سيضمن حفظ المعايرة بقاءها كما هي في ذلك اليوم من التجارب. إذا لم يتم تنفيذ ذلك وتم إيقاف تشغيل الكمبيوتر ، فسيتطلب الجهاز إعادة المعايرة.
  4. قم بإعداد محول الطاقة وفقا لإجراءات الإعداد الخاصة به للتجريب. قم بإزالة جهاز التعقب الموجود على محول الطاقة قبل إعداده حتى لا يتلف.
    ملاحظة: الإعداد الموصوف هو لمحول الطاقة H-317 مع مخروط اقتران مخصص.
    1. قم بتجميع المخروط كما هو مطلوب ، مع وضع فيلم محول الطاقة بين المخروط والغطاء النهائي. قم بتوصيل مخروط التوصيل بالحافة الموجودة على محول الطاقة باستخدام البراغي والغسالات والصواميل ، مع التأكد من إحكام جميعها حتى لا يكون هناك تسرب.
    2. املأ محول الطاقة بالماء غير المتأين وقم بتوصيل الأنابيب من المضخة بمحول الطاقة ، وقم بتوصيل الأنبوب المسمى "IN" ب "OUT" و "OUT" ب "IN". قم بتوصيل فتحة الماء أثناء الضغط على "DRAIN" على المضخة لتخفيف الضغط.
    3. اقلب محول الطاقة رأسا على عقب لعزل فقاعات الهواء على الفيلم ، ثم قم بتدويره لأعلى ، مما يسمح لها بالخروج من خلال أنبوب محول الطاقة المسمى "OUT". كرر هذا حتى تتم إزالة جميع فقاعات الهواء المرئية. قم بإعداد محول الطاقة بحيث يكون أنبوب "OUT" بزاوية للأمام وفي أعلى نقطة ، واتركه مع تشغيل المضخة لمدة 30 دقيقة.
    4. اقلب محول الطاقة رأسا على عقب للتحقق من إزالة جميع فقاعات الهواء. إذا بقي البعض ، اعزل فقاعات الهواء على الفيلم ، وقم بتدوير محول الطاقة كما كان من قبل لضمان خروجها من خلال أنبوب "OUT". كرر حتى تتم إزالة جميع الفقاعات.
    5. قم بإيقاف تشغيل المضخة ، وافصل الخراطيم ، وأغلق محول الطاقة في الوضع المحايد. أعد توصيل المتعقب بمحول الطاقة وتابع إعداد المشارك.
  5. قم بتوصيل جهاز تعقب الموضوع برأس المشارك باستخدام إما النظارات أو عصابة رأس موضوعة فوق الأذنين والحاجبين (الشكل 5) أو جهاز تعقب لاصق خفيف الوزن. تأكد من توجيه العقبات بحيث تكون مرئية للكاميرا ولن يتم حظرها أو ضربها بواسطة محول الطاقة عند التحرك نحوها أو بمجرد وصولها إلى موضعها النهائي.
    1. ضع الكاميرا أمام المشارك حتى يتمكن من رؤية متتبع الهدف والمؤشر.
      ملاحظة: إذا لم تكن مرئية ، فسيكون المؤشر الموجود أسفل يسار الشاشة أحمر. يمكن أيضا التحقق من ذلك عن طريق إدخال علامة التبويب "Polaris" على Brainsight.
  6. انقر فوق علامة التبويب "تسجيل " في Brainsight. ضع المؤشر على جميع المعالم الأربعة المحددة خلال الخطوة 3.6 ، وقم بتثبيته بكلتا يديك ، ثم انقر فوق نموذج وانتقل إلى المعلم التالي.
    ملاحظة: من المهم أن تظل عصابة الرأس أو النظارات ضيقة على رأس المشارك وأن لا يتحرك متعقب الموضوع. إذا حدث هذا ، فقم بإجراء التسجيل مرة أخرى. إذا كان يجب تدوير fiducials لاستيعاب حركة محول الطاقة بعد اكتمال التسجيل ، فقم بإعادة التسجيل.
  7. انقر فوق علامة التبويب التحقق من الصحة للتحقق من صحة تسجيل المشارك. ضع المؤشر برفق على مواضع مختلفة على طول فروة الرأس وتأكد من أن جميع النقاط أقل من 3 مم.
    ملاحظة: يتم استخدام أنظمة الملاحة العصبية التجارية التي تم إنشاؤها ل TMS لتجربة TUS على البشر. خطأ متعدي 3 مم مقبول لمعايرة محول الطاقة المحمول37 ، لأنه يتوافق مع دقة الهدف38,39 وأنظمة الملاحة العصبية الأخرى40. يتم تضمين قيمة 3 مم في برنامج الملاحة العصبية Brainsight .
    1. إذا كانت أي نقاط أكبر من 3 مم ، فانقر فوق الزر "إضافة " لإضافة نقاط معلم إضافية بحد أقصى ثلاث نقاط. إذا كانت هناك حاجة إلى أكثر من ثلاث نقاط لتحقيق تحقق ثابت أقل من 3 مم ، فأعد التسجيل.
      ملاحظة: لتحسين نجاح التسجيل ، يوصى بجمع صور التصوير بالرنين المغناطيسي دون أن يرتدي المشارك سماعات فوق الأذن ، حيث يمكن أن يؤثر ذلك على إعادة بناء الصورة ويجعل التسجيل صعبا. كن حذرا من وضع المؤشر بالقرب من المعلم قدر الإمكان قبل النقر فوق نموذج والانتقال إلى المعلم التالي ، وتأكد من استقرار المؤشر باستخدام كلتا يديك. يوفر التحقق من الصحة الطمأنينة بأن متوسط جميع النقاط على طول سطح فروة الرأس أقل من العتبة. لا تستمر حتى تكون جميع المواقع العشوائية على فروة الرأس أقل من عتبة 3 مم.
  8. ثبت رأس المشارك بمسند الذقن ووضع المثبت على مؤخرة الرأس لمنع الحركة (الشكل 5). تأكد من جلوسهم بشكل مريح على الكرسي طوال مدة التجربة.
  9. انقر فوق تنفيذ. استخدم الذراع الميكانيكية لوضع محول الطاقة فوق الهدف محل الاهتمام على طول المسار المحدد.
    ملاحظة: تأكد من التدرب والتعرف على كيفية تحرك مكونات الذراع الميكانيكية للوصول إلى الهدف. يأتي النجاح في وضع الذراع الميكانيكية من خلال فهم حركة الذراع والتعرف على كيفية تحركها حول اتجاه الرأس ، لأن هذا يعتمد بشكل كبير على موقع الهدف.
    1. استخدم الشعيرات المتصالبة على نافذة عين الثور لتحقيق الموضع والزاوية الصحيحين (الشكل 6). قم بمحاذاة كلتا الدائرتين (متعدية ودورانية) بحيث يتم وضعهما على الشعيرات المتصالبة والرجوع إلى قراءة الدقة للتحقق.
    2. قم بتقسيم شعر الشخص على طول جزءه الطبيعي وقم بتمشيطه في جل الموجات فوق الصوتية لضمان عدم وجود جيوب هوائية داخل الشعر. إذا كانت مساحة كبيرة تتطلب اقتران ، فقم بتطبيق هلام الموجات فوق الصوتية على فيلم محول الطاقة. املأ أي جيوب هوائية متبقية بجل إضافي للموجات فوق الصوتية باستخدام حقنة.
    3. اخفض محول الطاقة إلى الارتفاع المناسب من خلال ملاحظة متى تكون الشعيرات المتصالبة في منتصف الصندوق المحيط بالهدف (الشكل 6). سيشير هذا إلى وقت الوصول إلى عمق الهدف المناسب.
  10. يستخدم برنامج Python النصي المصمم خصيصا نتائج عمليات المحاكاة في الخطوة 4 لبرمجة وحدة مكبر الصوت 128 وتوليد الصوت من خلال سماعات الرأس (https://github.com/ProteusMRIgHIFU/TUSApp). في حالة إجراء تجربة عبر الإنترنت و / أو مزدوجة التعمية ، تأكد من تشغيل صوت التقنيع من خلال سماعات الرأس 34,41 أو قم بزيادة التحفيز والإزاحة على مدار مدة الاندفاع 42,43,44 كطرق لتقليل التأثيرات المربكة السمعية المحتملة.
    ملاحظة: في هذه الخطوة ، في حالة استخدام وحدة متاحة تجاريا ، مثل محول CTX-500 ، وصف الكثافة التي تمت محاكاتها في ظروف المياه ، إلى جانب المعلمات الأخرى (PRF ، المدة ، دورة العمل). يستخدم محول الطاقة H-317 برنامجا نصيا مخصصا لتشغيل محول الطاقة. ولذلك، حذفت هذه الخطوة من هذا التقرير.
    1. قم بإنشاء صوت التقنيع في MATLAB لتشغيله عند بدء تسليم TUS. يجمع الصوت أثناء التحفيز الوهمي بين موجة خطيئة مستمرة عند 250 كيلو هرتز ، وموجة مربعة بتردد انفجار 100 هرتز يتم أخذ عينات منها عند 48 كيلو هرتز ، مع ضوضاء عشوائية لتكرار الصوت الناتج من محول الطاقة عن كثب. أثناء TUS ، يتم تشغيل الضوضاء العشوائية فقط من خلال سماعات الرأس ، حيث سيتم أيضا سماع الصوت المنبعث من محول الطاقة بواسطة الموضوع.
  11. بعد الانتهاء من تسليم TUS ، قم بإزالة محول الطاقة والهلام والمتعقب من رأس المشارك قبل أي إجراءات تجريبية لاحقة.
  12. لتنظيف جهاز TUS ، قم بإزالة جهاز التعقب من محول الطاقة لتجنب التلف. قم بتفكيك محول الطاقة عن طريق إزالة القابس الموجود في الأعلى وقلبه رأسا على عقب لتصريف المياه. قم بإزالة مخروط التوصيل وفكه للسماح للقطع بالهواء الجاف.
    1. أعد المجس إلى الوضع المحايد وتأكد من قفل جميع مكونات الذراع بإحكام عند 90 درجة للتخزين حتى جلسة TUS التجريبية التالية.

figure-protocol-5
الشكل 5: الفيدوسيالات التي تستخدم في الملاحة العصبية. نظارات (يسار) وعصابة رأس (يمين) مع إيمانات مرفقة لتتبع الموضوع. يتم تأمين رأس الشخص بمسند الذقن ومثبت خلف رأسه. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-protocol-6
الشكل 6: شاشة الملاحة العصبية Brainsight لتحديد موقع الهدف أثناء جلسة تسليم TUS لهدف القشرة الحركية الأولية (M1). توجه المؤشرات الدورانية والانتقالية المجرب إلى مكان وضع محول الطاقة فوق فروة الرأس ومتى تم تحقيق زاوية المسار. تشير دقة الهدف إلى مدى قرب الاتجاه الانتقالي والدوراني من الهدف ويجب استخدامه لضبط الحركة. يظهر مؤشر العمق عمق النقطة البؤرية ويجب استخدامه لخفض محول الطاقة إلى الارتفاع المناسب. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

النتائج

يوضح الشكل 7 عينات جلسة مقارنة من إحدى دراساتنا42 ، تضم مشاركين متميزين يستخدمان معلمات محددة للموجات فوق الصوتية (التردد الأساسي 250 كيلو هرتز ، ومدة الصوتنة 120 ثانية ، وتردد تكرار النبض (PRF) 100 هرتز ، ودورة عمل بنسبة 10٪ ، و ISPPA من 5 واط / سم²). في هذا البحث ، تم الحصول على فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي T1- و T2-w و ZTE بدقة 1 مم من الأشخاص الأصحاء عصبيا. استهدفت TMS القشرة الحركية الأولية (M1) لتقييم تأثير TUS PRFs المتنوعة (10 هرتز و 100 هرتز و 1000 هرتز) على استثارة القشرية الشوكية في نقاط زمنية مميزة قبل وبعد TUS (30 قياس TMS أحادي النبضة في كل نقطة زمنية كما هو موضح بالنقاط الفردية في الشكل). يشمل الشكل 7 نتائج من تجربة ناجحة ، ويعرض تأثيرا مثبطا مطولا بعد TUS (الشكل 7 أ) ، إلى جانب بيانات من أحد المشاركين حيث لم يلاحظ تأثير كبير (الشكل 7 ب). أفادت دراسات TUS السابقة أن بعض المشاركين لا يظهرون أي آثار مهمة مرتبطة بالتحفيز بالموجات فوق الصوتية45,46. وقد لوحظت نتائج مماثلة في الدراسات التي تستخدم TMS47,48 و tDCS49,50 ، مما يدل على أن تقنيات NIBS لا تؤدي دائما إلى تأثيرات متوقعة. هذا يسلط الضوء على ضرورة التخطيط الدقيق وتنفيذ تجارب TUS في البشر باستخدام بروتوكولات مثل تلك الموصوفة لزيادة فرصة تحقيق النجاح التجريبي.

تبرز الدراسة التي أجراها Zadeh et al.42 التأثيرات التفاضلية ل TUS ، مما يدل على أن 10 هرتز و 100 هرتز PRFs يمكن أن تحفز تأثيرات مثبطة طويلة الأمد ، على عكس التأثير الضئيل الذي لوحظ مع PRF 1000 هرتز. الأهم من ذلك ، يوضح البحث أن PRF 100 هرتز هو الأكثر فعالية ، حيث يحقق قمعا ممتدا ل MEPs يتجاوز 60 دقيقة ، على عكس قمع 30 دقيقة الذي تم تحقيقه باستخدام PRF 10 هرتز. يمكن استخدام طرق بديلة لتقييم تأثير TUS ، مثل قياس SSEPs أو أداء المهمة ، كل منها يتطلب تفسيرا فريدا للنتائج.

figure-results-1
الشكل 7: التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) الذي يستهدف القشرة الحركية الأولية (M1) لتقييم تأثير ترددات تكرار نبض TUS المتنوعة (PRF) على استثارة القشرية الشوكية. تم تسليم TUS بتردد أساسي يبلغ 250 كيلو هرتز ، ومدة صوتنة 120 ثانية ، وتردد تكرار النبض (PRF) يبلغ 100 هرتز ، ودورة عمل بنسبة 10٪ ، و ISPPA تبلغ 5 واط / سم2. تم تسجيل ثلاثين تجربة في كل نقطة زمنية ، كما هو موضح في النقاط الفردية. تسلط النتائج المقدمة الضوء على الاختلافات في متوسط سعة MEP الطبيعية خلال 5 دقائق و 30 دقيقة و 60 دقيقة بعد التعرض ل TUS. تظهر أشرطة الخطأ النطاق الربيعي للتجارب في كل نقطة زمنية. (أ) أظهر الموضوع نتائج تجريبية ناجحة تمثل التأثيرات المثبطة لفترات طويلة. (ب) الموضوع الذي لا يظهر أي تأثير كبير. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

المناقشة

في هذه الطريقة ، يتم إجراء عمليات محاكاة خاصة بالموضوع للتنبؤ وتقييم الآثار الحرارية والميكانيكية المحتملة الناتجة عن تطبيق TUS على الدماغ. يجب أن تظل مجموعات البيانات بين المشاركين منفصلة وموثقة بعناية ، لأن استخدام مسح أو ملف بيانات غير صحيح سيؤدي إلى محاكاة غير دقيقة. عندما يتم جمع العديد من عمليات مسح المشاركين ، ويتم تنفيذ التخطيط معا ، من المهم ضمان وضع العلامات المناسبة للصور والمجلدات والمتابعة بحذر عند فرز الملفات وحفظها.

لإجراء عمليات المحاكاة بدقة ، يجب تصميم الجمجمة بشكل صحيح للحصول على فهم خاص بالموضوع للخصائص الصوتية والهندسية. BabelBrain ، لذلك ، يتطلب الانتهاء من الأشعة المقطعية أو ZTE. إذا لم يكن أي منهما متاحا ، يمكن ل BabelBrain استخدام قناع مبسط لعظم الجمجمة تم الحصول عليه باستخدام أداة السحر. توفر فحوصات التصوير المقطعي المحوسب أدق المعلومات حول خصائص الجمجمة للتنبؤ بكيفية انتشار الموجات فوق الصوتية في الدماغ بمجرد اتصالها بالجمجمة. يتم تحقيق ذلك باستخدام المعلومات الصوتية لعظم الجمجمة ، على الرغم من أنه لا يزال من الصعب التنبؤ بتقدير حجم العظام بسبب طبيعتها غير المتجانسة51. ومع ذلك ، في الآونة الأخيرة ، تم استخدام تسلسل التصوير بالرنين المغناطيسي TE القصير جدا ، مثل مسح ZTE ، لتحديد الخصائص الصوتية للجمجمة وإجراء محاكاة TUS. دقة بكسل العظام والتباين ليست عالية في صورة ZTE كما هي في CT. ومع ذلك ، بالمقارنة مع الأقنعة المبسطة المشتقة من التصوير بالرنين المغناطيسي T1-w و T2-w فقط ، لا تزال صور ZTE توفر تقديرا محسنا للتدفئة باستخدام محاكاة TUS52 التي تحتوي على تنبؤات مماثلة لتلك التي تم إجراؤها باستخدام الأشعة المقطعية53. إن استخدام عمليات مسح ZTE في عمليات المحاكاة يلغي أي تعرض غير ضروري للإشعاع والوقت الإضافي المطلوب للحصول على صور الأشعة السينية المقطعية، حيث يمكن إضافة تسلسلات ZTE إلى جلسة مسح التصوير بالرنين المغناطيسي الأصلية. ومع ذلك، فإن بروتوكولات ZTE ليست منتجا قياسيا في معظم ماسحات التصوير بالرنين المغناطيسي، وهناك حاجة إلى إجراء أبحاث إضافية لتحسين المعالجة اللاحقة القائمة على ZTE لاستخدامها في نمذجة TUS. في حالة عدم توفر صور CT أو ZTE ، تقوم أداة السحر المستخدمة مع BabelBrain بإنشاء قناع مبسط من صور T1- و T2-w للتنبؤ بخصائص الجمجمة. شهدت مقارنة عمليات المحاكاة التي أجريت باستخدام التصوير المقطعي المحوسب مقابل قناع مبسط اختلافات طفيفة في التوجيه (1.00 مم ± 1.3 مم) وإعادة التموضع الميكانيكي (الاتجاه x 0.2 مم ± 0.4 مم ؛ الاتجاه y 0.1 مم ± 0.5 مم) المطلوبة للوصول إلى الهدف ، ولكن توزيع شدة مختلف قليلا (طول التركيز 6٪ ± 8٪ ؛ عرض التركيز 2.7٪ ± 2٪ ؛ حجم التركيز 10.4٪ ± 16٪ ؛ ضغط الذروة -0.5٪ ± 15٪ للقناع المبسط بالنسبة إلى CT)36. هذا يكشف أن التصوير المقطعي يوفر محاكاة أكثر دقة. ومع ذلك ، إذا لم تتمكن من استخدام التصوير المقطعي المحوسب أو ZTE ، فإن القناع المبسط مناسب لإكمال عمليات المحاكاة لتجربة TUS على البشر.

تظل طرق رسم خرائط الخصائص الصوتية مجالا ضروريا للبحث ، حيث لا يزال التنبؤ بسرعة الصوت والتوهين من صور التصوير المقطعي المحوسب والرنين المغناطيسي يتطلب فهما أفضل وسير عمل مبسط. لذلك ، يبقى تحذير من الانحراف المحتمل في التأثيرات الحرارية أو الميكانيكية عما هو متوقع في المحاكاة. يتم تحقيق نمذجة التأثيرات الصوتية في BabelBrain باستخدام مكتبة BabelViscoFDTD54,55 مفتوحة المصدر ، والتي تسمح بنمذجة كل من انتقال الموجات الانضغاطية الخطية والقص. تم التحقق من صحة هذا النموذج مقابل نماذج أخرى متعددة لموضع وحجم وحجم التركيز ، وتختلف أقل من 10٪ في الضغط البؤري وأقل من 1 مم في تحديد المواقعالبؤرية 56. وبالتالي ، فإن المحاكاة الصوتية تتفق مع نماذج المحاكاة الأخرى. التنبؤات الحرارية أكثر صعوبة ولم يتم التحقق من صحتها تجريبيا حيث لا يمكن إجراء قياس الحرارة بالرنين المغناطيسي في الجمجمة ، ومن المتوقع أن تكون التغيرات في درجات الحرارة صغيرة جدا ، مما يخلق مصدرا لعدم اليقين. النمذجة الحرارية المستخدمة في BabelBrain متسقة بين الأوراق ، وحل معادلة نقل الحرارة الحيوية (BHTE) لمحاكاة تسخين الجمجمة من خلال نمذجة الانتشار الحراري ، وتأثيرات التروية ، والطاقة الصوتية36,51. تستخدم تقديرات الارتفاع الحراري من نماذج التوهين والامتصاص للتنبؤ بالتأثيرات في الجمجمة باستخدام TUS بناء على الأدبيات المنشورة الأخرى57 ، والتي تعمل كأفضل بديل حتى الآن لمحاكاة تسخين الجمجمة. كما هو موضح في الطرق الموصوفة ، يحدد المستخدم مدة الموجات فوق الصوتية ، والإجازة بعد الموجات فوق الصوتية ، ودورة العمل ، ومتوسط كثافة النبض المكاني المطلوب في ظروف الدماغ ، والتي يتم حساب معلمات السلامة كدالة لاختيار المعلمة. لذلك ، يجب على المستخدم فحص جميع المعلمات التي سيتم استخدامها للتأكد من أنها ضمن متطلبات السلامة. كما لوحظ أن العديد من أنظمة الملاحة العصبية المستخدمة لوضع محول الطاقة فوق المنطقة محل الاهتمام بها خطأ في تسجيل الهدف يبلغ حوالي 3 مم38،58،59. ومع ذلك ، اعتمادا على التردد المستخدم وحجم الهدف ، قد تظل النقطة البؤرية كبيرة بما يكفي لتغطية الهدف ، حتى مع وجود 3 مم من الخطأ. على الرغم من أن هذا قد يكون قيدا ، إلا أنه لا يزال يقدم فائدة أكبر على أنظمة الملاحة البديلة بسبب غزو طرق التوطين التجسيمية.

يبسط BabelBrain خطوات التخطيط المطلوبة لإكمال تجارب TUS على البشر لأنها فعالة وسهلة الاستخدام وهي أداة التخطيط الوحيدة مفتوحة المصدر التي يمكن الوصول إليها حتى الآن. وهذا يسمح بالشفافية في الأساليب التجريبية في الأدبيات المنشورة ، حيث يمكن الوصول إلى النصوص المستخدمة بشكل مفتوح. تكمل الطريقة الموضحة خطوات إعداد البيانات ومعالجة الصور ، مما يلغي الحاجة إلى نصوص مخصصة أو أي تعاون خارجي لتشغيل عمليات المحاكاة. وبالتالي ، فإنه يزيل حاجزا رئيسيا أمام المجربين ، مما يسمح لهم بإكمال التخطيط والمحاكاة مباشرة وتمكين المزيد من المختبرات من إكمال تجارب TUS الناجحة. بالإضافة إلى التخطيط المستقبلي للتجارب ، فإن هذه الطريقة لها أيضا تطبيقات محتملة في التخطيط لعلاج FUS بوساطةالتجويف 36 ، مثل فتح الحاجز الدموي الدماغي59. بشكل عام ، توفر هذه الطريقة نهجا فعالا ومبسطا لتخطيط وتنفيذ تجارب TUS على البشر وتطوير TUS للاستخدام في البيئات السريرية.

الإفصاحات

ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للإعلان عنه.

شكر وتقدير

تم دعم هذا العمل جزئيا من قبل منحة اكتشاف مجلس أبحاث العلوم الطبيعية والهندسة في كندا ، وبرنامج INNOVAIT ، وصندوق كومينغ للبحوث الطبية ، والمؤسسة الكندية للابتكار (المشروع 36703) ، ومنحة معهد هوتشكيس للدماغ CAPRI ، وجمعية باركنسون لتمويل ألبرتا. يقر GBP بالدعم المقدم من المعاهد الكندية للبحوث الصحية (FDN-143290) وبرنامج كرسي Campus Alberta Innovates Chair.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
وحدة مكبر للصوت ذات 128 قناةالعلاجبالصور هذه الوحدة تقود ملف رأس محول الطاقة H-317
ذو 24 قناةجنرال إلكتريك
ثلاثية الأبعادRaise3DPro2بسماكة خيوط 1.75 مم.
ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي 3Tوحدة التحكم بالرنين المغناطيسي جنرال إلكتريكديسكفري 750 HDMR DV26.0_R05_2008
BabelBrainصموئيل بيشاردو (جامعة كالجاري)الإصدار 0.3.0يمكن الوصول إليه في https://github.com/ProteusMRIgHIFU/BabelBrain. ينفذ عمليات المحاكاة الحرارية والصوتية.
BlenderBlenderFoundation الإصدار 3.4.1يمكن الوصول إليه في https://www.blender.org. يتم استدعاء الخلاط تلقائيا بواسطة BabelBrain.
BrainsightRogue Researchالإصدار 2.5.2يستخدم لتحديد الهدف وتخطيط المسار وتنفيذ جلسات تسليم TUS.
الكرسي والذقن / حامل الرأسRogueResearch لاستخدامه أثناء جلسة تسليم TUS لضمان استقرار المشارك s للاستهداف الأمثل.
مخروط اقتران مخصص لفريقجامعة كالجاري3D مخروط مطبوع في أكريلونيتريل بوتادين ستايرين (ABS) ، مطلوب فقط لمحول H-317.
dcm2niixكريس روردن (جامعة ساوث كارولينا) الإصدار 1.0.20220720يمكن الوصول إليه في https://github.com/rordenlab/dcm2niix/releases. تستخدم للمعالجة المسبقة لصور التصوير بالرنين المغناطيسي للموضوع.
Fiducials وعقال أو نظاراتBrainsight, Rogue Research ST-1325 (تعقب الموضوع) ، LCT-583 (تعقب ملف كبير)يمكن استخدام عقال أو نظارات بالتبادل.
سماعاتBeatsFit Pro سماعات أذن لاسلكية حقيقيةسماعات أذن لاسلكية بلوتوث مع أطراف يمكن التخلص منها.
MacBookProAppleM2 Max ، 16 بوصة ، 64 جيجابايترام كمبيوتر لإكمال تخطيط المسار والمحاكاة
SimNIBSAxel Thielscher (الجامعة التقنية في الدنمارك)الإصدار 4.0.0يمكن الوصول إليه في https://simnibs.github.io/simnibs/build/html.index.html
حقنة (حقناق)10 مل ، 60 ملتستخدم لإضافة جل الموجات فوق الصوتية الإضافي لملء الجيوب الهوائية.
محول الطاقةSonicconceptsH-317تشمل محولات الطاقة المدعومة الأخرى CTX_500 (NeuroFUS ، Sonicconcepts) ، عنصر واحد ، H-246 (Sonicconcepts) ، و Bsonix (Brainsonix)
فيلم محولالطاقة Sonicconceptsغشاء البولي يوريثينواجهة بين محول الطاقة والموضوع
هلام الموجات فوق الصوتيةالطول الموجيواضح جل الموجات فوق الصوتيةالوسيط.
ويندوز لاب توبايسرأسباير A717-71G ، انتل كور i7-7700HQ ، 16 جيجابايترام نظام يستخدم للتحكم في مكبر الصوت 128 قناة وتوليد الصوت من خلال سماعات الرأس
الموجه طابعة إصدار

المراجع

  1. Baek, H., Pahk, K. J., Kim, H. A review of low-intensity focused ultrasound for neuromodulation. Biomed Eng Lett. 7 (2), 135-142 (2017).
  2. Rezayat, E., Toostani, I. G. A review on brain stimulation using low intensity focused ultrasound. Basic Clin Neurosci. 7 (3), 187-194 (2016).
  3. Dell'Italia, J., Sanguinetti, J. L., Monti, M. M., Bystritsky, A., Reggente, N. Current state of potential mechanisms supporting low intensity focused ultrasound for neuromodulation. Front Hum Neurosci. 16, 872639(2022).
  4. Kim, H., et al. Suppression of EEG visual-evoked potentials in rats through neuromodulatory focused ultrasound. Neuroreport. 26 (4), 211-215 (2015).
  5. Yoon, K., et al. Effects of sonication parameters on transcranial focused ultrasound brain stimulation in an ovine model. PLoS One. 14 (10), e0224311(2019).
  6. Dallapiazza, R. F., et al. Non-invasive neuromodulation and thalamic mapping with low-intensity focused ultrasound. J Neurosurg. 128 (3), 875-884 (2018).
  7. Folloni, D., et al. Manipulation of subcortical and deep cortical activity in the primate brain using transcranial focused ultrasound stimulation. Neuron. 101 (6), 1109-1116 (2019).
  8. Gulick, D. W., Li, T., Kleim, J. A., Towe, B. C. Comparison of electrical and ultrasound neurostimulation in rat motor cortex. Ultrasound Med Biol. 43 (12), 2824-2833 (2017).
  9. King, R. L., Brown, J. R., Newsome, W. T., Pauly, K. B. Effective parameters for ultrasound-induced in vivo neurostimulation. Ultrasound Med Biol. 39 (2), 312-331 (2013).
  10. Yoo, S. S., et al. Focused ultrasound modulates region-specific brain activity. Neuroimage. 56 (3), 1267-1275 (2011).
  11. Kim, H. C., et al. Transcranial focused ultrasound modulates cortical and thalamic motor activity in awake sheep. Sci Rep. 11 (1), 19274(2021).
  12. Deffieux, T., et al. Low-intensity focused ultrasound modulates monkey visuomotor behavior. Curr Biol. 23 (23), 2430-2433 (2013).
  13. Munoz, F., et al. Long term study of motivational and cognitive effects of low-intensity focused ultrasound neuromodulation in the dorsal striatum of nonhuman primates. Brain Stimul. 15 (2), 360-372 (2022).
  14. Verhagen, L., et al. Offline impact of transcranial focused ultrasound on cortical activation in primates. ELife. 8, e40541(2019).
  15. Fomenko, A., et al. Systematic examination of low-intensity ultrasound parameters on human motor cortex excitability and behavior. ELife. 9, e54497(2020).
  16. Legon, W., Bansal, P., Tyshynsky, R., Ai, L., Mueller, J. K. Transcranial focused ultrasound neuromodulation of the human primary motor cortex. Sci Rep. 8 (1), 10007(2018).
  17. Legon, W., et al. Transcranial focused ultrasound modulates the activity of primary somatosensory cortex in humans. Nat Neurosci. 17 (2), 322-329 (2014).
  18. Legon, W., Ai, L., Bansal, P., Mueller, J. K. Neuromodulation with single-element transcranial focused ultrasound in human thalamus. Hum Brain Mapp. 39 (5), 1995-2006 (2018).
  19. Legon, W., et al. A retrospective qualitative report of symptoms and safety from transcranial focused ultrasound for neuromodulation in humans. Sci Rep. 10, 5573(2020).
  20. Forster, A., et al. Investigating the role of the right inferior frontal gyrus in control perception: A double-blind cross-over study using ultrasonic neuromodulation. Neuropsychologia. 187, 108589(2023).
  21. Forster, A., et al. Transcranial focused ultrasound modulates the emergence of learned helplessness via midline theta modification. J Affect Disord. 329, 273-284 (2023).
  22. Ziebell, P., et al. Inhibition of midfrontal theta with transcranial ultrasound explains greater approach versus withdrawal behavior in humans. Brain Stimul. 16 (5), 1278-1288 (2023).
  23. Kim, H. C., Lee, W., Weisholtz, D. S., Yoo, S. S. Transcranial focused ultrasound stimulation of cortical and thalamic somatosensory areas in human. PLoS One. 18 (7), e0288654(2023).
  24. Kim, Y. G., et al. Neuromodulation using transcranial focused ultrasound on the bilateral medial prefrontal cortex. J Clin Med. 11 (13), 3809(2022).
  25. Chu, Y. C., Lim, J., Chien, A., Chen, C. C., Wang, J. L. Activation of mechanosensitive ion channels by ultrasound. Ultrasound Med Biol. 48 (10), 1981-1994 (2022).
  26. Kubanek, J., et al. Ultrasound modulates ion channel currents. Sci Rep. 6 (1), 24170(2016).
  27. Prieto, M. L., Firouzi, K., Khuri-Yakub, B. T., Maduke, M. Activation of Piezo1 but not NaV1.2 channels by ultrasound at 43 MHz. Ultrasound Med Biol. 44 (6), 1217-1232 (2018).
  28. Quarato, C. M. I., et al. A review on biological effects of ultrasounds: Key messages for clinicians. Diagnostics. 13 (5), 855(2023).
  29. Nowicki, A. Safety of ultrasonic examinations; thermal and mechanical indices. Med Ultrason. 22 (2), 203(2020).
  30. Miller, D. L., et al. Overview of therapeutic ultrasound applications and safety considerations. J Ultrasound Med. 31 (4), 623-634 (2012).
  31. Aubry, J. F., et al. ITRUSST consensus on biophysical safety for transcranial ultrasonic stimulation. arXiv preprint arXiv. , 2311.05359(2023).
  32. Guo, H., et al. Ultrasound produces extensive brain activation via a cochlear pathway. Neuron. 98 (5), 1020-1030 (2018).
  33. Sato, T., Shapiro, M. G., Tsao, D. Y. Ultrasonic neuromodulation causes widespread cortical activation via an indirect auditory mechanism. Neuron. 98 (5), 1031-1041 (2018).
  34. Braun, V., Blackmore, J., Cleveland, R. O., Butler, C. R. Transcranial ultrasound stimulation in humans is associated with an auditory confound that can be effectively masked. Brain Stimul. 13 (6), 1527-1534 (2020).
  35. Martin, E., et al. ITRUSST consensus on standardised reporting for transcranial ultrasound stimulation. Brain Stimul. , S1935861X24000718(2024).
  36. Pichardo, S. BabelBrain: An open-source application for prospective modeling of transcranial focused ultrasound for neuromodulation applications. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 70 (7), 587-599 (2023).
  37. Khoshnevisan, A., Allahabadi, N. S. Neuronavigation: Principles, clinical applications and potential pitfalls. Iran J Psychiatry. 7 (2), 97-103 (2012).
  38. Xu, L., et al. Characterization of the targeting accuracy of a neuronavigation-guided transcranial fus system in vitro, in vivo, and in silico. IEEE Trans Biomed Eng. 70 (5), 1528-1538 (2023).
  39. Kuehn, B., et al. Sensor-based neuronavigation: Evaluation of a large continuous patient population. Clin Neurol Neurosurg. 110 (10), 1012-1019 (2008).
  40. Ambrosini, E., et al. StimTrack: An open-source software for manual transcranial magnetic stimulation coil positioning. J Neurosci Methods. 293, 97-104 (2018).
  41. Kop, B. R., et al. Auditory confounds can drive online effects of transcranial ultrasonic stimulation in humans. eLife. , (2024).
  42. Zadeh, A. K., et al. The effect of transcranial ultrasound pulse repetition frequency on sustained inhibition in the human primary motor cortex: A double-blind, sham-controlled study. Brain Stimul. 17 (2), 476-484 (2024).
  43. Mohammadjavadi, M., et al. Elimination of peripheral auditory pathway activation does not affect motor responses from ultrasound neuromodulation. Brain Stimul. 12 (4), 901-910 (2019).
  44. Johnstone, A., et al. A range of pulses commonly used for human transcranial ultrasound stimulation are clearly audible. Brain Stimul. 14 (5), 1353-1355 (2021).
  45. Zeng, K., et al. Induction of human motor cortex plasticity by theta burst transcranial ultrasound stimulation. Ann Neurol. 91 (2), 238-252 (2022).
  46. Lee, W., et al. Image-guided transcranial focused ultrasound stimulates human primary somatosensory cortex. Sci Rep. 5, 8743(2015).
  47. Ridding, M. C., Rothwell, J. C. Is there a future for therapeutic use of transcranial magnetic stimulation. Nat Rev Neurosci. 8 (7), 559-567 (2007).
  48. Nicolo, P., Ptak, R., Guggisberg, A. G. Variability of behavioural responses to transcranial magnetic stimulation: Origins and predictors. Neuropsychologia. 74, 137-144 (2015).
  49. Horvath, J. C., Carter, O., Forte, J. D. No significant effect of transcranial direct current stimulation (tDCS) found on simple motor reaction time comparing 15 different simulation protocols. Neuropsychologia. 91, 544-552 (2016).
  50. Horvath, J. C., Vogrin, S. J., Carter, O., Cook, M. J., Forte, J. D. Effects of a common transcranial direct current stimulation (tDCS) protocol on motor evoked potentials found to be highly variable within individuals over 9 testing sessions. Exp Brain Res. 234 (9), 2629-2642 (2016).
  51. Angla, C., Larrat, B., Gennisson, J., Chatillon, S. Transcranial ultrasound simulations: A review. Med Phys. 50 (2), 1051-1072 (2023).
  52. Miller, G. W., Eames, M., Snell, J., Aubry, J. Ultrashort echo-time MRI versus CT for skull aberration correction in MR-guided transcranial focused ultrasound: In vitro comparison on human calvaria. Med Phys. 42 (5), 2223-2233 (2015).
  53. Miscouridou, M., Pineda-Pardo, J. A., Stagg, C. J., Treeby, B. E., Stanziola, A. Classical and learned MR to pseudo-CT mappings for accurate transcranial ultrasound simulation. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 69 (10), 2896-2905 (2022).
  54. Pichardo, S., et al. A viscoelastic model for the prediction of transcranial ultrasound propagation: application for the estimation of shear acoustic properties in the human skull. Phys Med Biol. 62 (17), 6938-6962 (2017).
  55. Pichardo, S. ProteusMRIgHIFU/BABELVISCOFDTD: Software Library for FDTD of viscoelastic equation using a staggered grid arrangement with support for GPU and CPU backends. , (2024).
  56. Aubry, J. F., et al. Benchmark problems for transcranial ultrasound simulation: Intercomparison of compressional wave models. J Acoust Soc Am. 152 (2), 1003-1019 (2022).
  57. Pinton, G., et al. Attenuation, scattering, and absorption of ultrasound in the skull bone: Absorption of ultrasound in the skull bone. Med Phys. 39 (1), 299-307 (2011).
  58. Chaplin, V., et al. On the accuracy of optically tracked transducers for image-guided transcranial ultrasound. Int J Comput Assist Radiol Surg. 14 (8), 1317-1327 (2019).
  59. Wu, S. Y., et al. Efficient blood-brain barrier opening in primates with neuronavigation-guided ultrasound and real-time acoustic mapping. Sci Rep. 8 (1), 7978(2018).

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

خط أنابيب لتخطيط وتنفيذ تجارب التعديل العصبي بالموجات فوق الصوتية عبر الجمجمة في البشر
اتصل بنا
أوصِ بها للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

2026 © حقوق الطبع والنشر MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.