经颅超声刺激（TUS）是一种新兴的非侵入性神经调控技术，需要对声学和热效应进行 careful 规划。该方法描述了一种图像处理与超声模拟流程，可高效、便捷、简化地为人类经颅超声刺激实验提供实验前规划支持。
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摘要
摘要
经颅超声刺激（TUS）是一种新兴的非侵入性神经调控技术，能够高精度地调控皮层和皮层下结构。涉及人类受试者的实验需要精心规划声学和热效应模拟。这种规划对于校正颅骨对超声束形状和轨迹的干扰，以及确保TUS参数符合安全要求至关重要。需获取分辨率为1 mm各向同性的T1加权、T2加权及零回波时间（ZTE）磁共振成像（MRI）扫描图像（也可采用计算机断层X射线（CT）扫描）用于颅骨重建和模拟。靶点与路径映射通过神经导航平台完成。使用SimNIBS对颅骨、皮肤和脑组织进行初步分割。采用BabelBrain工具进行TUS模拟，该工具利用ZTE扫描生成颅骨的合成CT图像，并将其转换为声学特性参数。我们使用具有电子 steering 功能的相控阵超声换能器。通过调整Z方向steering以确保达到目标深度。规划工具也支持其他换能器配置。运行热效应模拟，以确保温度和机械指数符合美国食品药品监督管理局（FDA）推荐的人体TUS声学安全指南。在TUS施加过程中，机械臂借助无框架立体定位系统将换能器移动至指定位置。
引言
常用的非侵入性神经刺激技术包括经颅直流电刺激（tDCS）和经颅磁刺激（TMS）。然而，这两种技术的穿透深度有限，且精度较低1,2相比之下，经颅超声（TUS）是一种新兴的非侵入性技术，能够增强或抑制神经元活动3,4,5 以毫米级精度靶向皮层或皮层下结构6,7. 使用啮齿类动物的动物模型4,8,9，兔子10，绵羊5,11，猪6，以及非人灵长类动物7,12,
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方案
所有涉及人类受试者的研究方法均遵循加拿大三机构委员会关于涉及人类研究的伦理行为准则（Tri-Council Ethical Conduct for Research Involving Humans），研究方案经卡尔加里大学联合健康研究伦理委员会（Conjoint Health Research Ethics Board, CHREB）批准。所有受试者在参与前均签署知情同意书。纳入的人类受试者需为健康、右利手、年龄在18至40岁之间的成年人，且愿意并能够完成磁共振成像（MRI）扫描。排除标准包括：癫痫、情绪障碍或心血管疾病的家族史，耳部创伤，酒精或药物依赖，使用处方药物，体内金属植入物（包括起搏器），妊娠，心血管疾病，神经系统或精神疾病病史，无法与研究人员及研究团队沟通，以及法律无行为能力或限制行为能力。下述研究方案遵循ITRUSST关于经颅超声刺激（TUS）研究标准化报告的建议。35本研究中所使用的设备、软件及必要网络链接的详细信息列于下文 材料表.
1. 高分辨率磁共振成像
- 使用24通道头/颈线圈对受试者进行成像。
注意：也可使用机构可用的最佳头/颈线圈，足以获取解剖学磁共振图像。 - 采集分辨率为1 mm的T1加权和T2加权磁共振图像，以及零回波时间（ZTE）序列。
注意：建议在采集磁共振....
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结果
图7 展示了我们一项研究中的对比实验样本42，其中两名不同参与者采用了特定的超声参数（基波频率250 kHz，超声刺激持续时间120 s，脉冲重复频率（PRF）100 Hz，占空比10%，ISPPA为5 W/cm²）。在本研究中，对神经系统健康的受试者进行了分辨率为1 mm各向同性的T1加权、T2加权和ZTE MRI扫描。经颅磁刺激（TMS）靶向初级运动皮层（M1），以评估不同TUS PRF（10 Hz、100 Hz和1000 Hz）在TUS前后不同时间点对皮质脊髓兴奋性的影响（每个时间点进行30次单脉冲TMS测量，如图中各个数据点所示）。图7包含一次成功实验的结果，显示TUS后出现持续的抑制效应（图7A），同时也展示了另一名参与者未观察到显著效应的数据（图7B）。以往的TUS研究报道，部分参与者未表现出与超声刺激相关的显.......
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讨论
本方法中，通过受试者特异性模拟来预测和评估经颅超声刺激（TUS）作用于大脑时可能产生的热效应和机械效应。不同受试者的数据集必须保持独立并详细记录，因为使用错误的扫描图像或数据文件将导致模拟结果不准确。当收集多个受试者的扫描数据并进行集中规划时，务必确保图像和文件夹的正确标注，并在对文件进行分类和保存时谨慎操作。
为了准确进行模拟，必须对颅骨进行正确建模，以获得针对个体的声学和几何特性理解。因此，BabelBrain 需要完成 CT 或 ZTE 扫描；如果两者均不可用，BabelBrain 可使用通过 charm 工具获得的简化颅骨掩膜。CT 扫描提供了关于颅骨特征的最准确信息，可用于预测超声波在接触颅骨后在脑内的传播情况。这是通过利用颅骨的体素化信息实现的，但由于颅骨具有异质性，其骨体积的估算仍然难以准确预测51。然而，近年来，超短回波时间（TE）的 MRI 序列（如 ZTE 扫描）已被用于确定颅骨的声学特性并执行经颅超声（TUS）模拟。ZTE 图像中的骨组织像素分辨率和对比度不如 CT 图像高；但与仅基于 T1 加权和 T2 加权 .......
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披露
作者声明无利益冲突。
致谢
本工作部分得到了加拿大自然科学与工程研究理事会发现基金、INNOVAIT 计划、坎明医学研究基金、加拿大创新基金会（项目编号 36703）、霍奇基斯脑研究所 CAPRI 基金以及阿尔伯塔帕金森病协会资金的支持。GBP 感谢加拿大卫生研究院（FDN-143290）和阿尔伯塔省创新主席计划提供的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 128通道放大器单元 | Image Guided Therapy | 该单元用于驱动 H-317 换能器 | |
| 24通道头部线圈 | General Electric | ||
| 3D打印机 | Raise3D | Pro2 | 线材直径为1.75 mm |
| 3T MRI扫描仪 | General Electric | Discovery 750 HD | MR控制台版本 DV26.0_R05_2008 |
| BabelBrain | Samuel Pichardo (University of Calgary) | 版本 0.3.0 | 可通过 https://github.com/ProteusMRIgHIFU/BabelBrain 获取。用于执行热学和声学模拟 |
| Blender | Blender Foundation | 版本 3.4.1 | 可通过 https://www.blender.org 获取。BabelBrain 会自动调用 Blender |
| Brainsight | Rogue Research | 版本 2.5.2 | 用于靶点识别、路径规划以及TUS递送过程的执行 |
| 座椅及下颌/头部固定装置 | Rogue Research | 在TUS递送过程中使用，以确保受试者’头部稳定，实现精准定位 | |
| 定制耦合锥体 | University of Calgary 团队 | 采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）材料3D打印而成，仅适用于H-317换能器 | |
| dcm2niix | Chris Rorden (University of South Carolina) | 版本 1.0.20220720 | 可通过 https://github.com/rordenlab/dcm2niix/releases 获取。用于受试者MR图像的预处理 |
| 标记物及头带或眼镜 | Brainsight, Rogue Research | ST-1325（受试者追踪器），LCT-583（大线圈追踪器） | 头带或眼镜可互换使用 |
| 耳机 | Beats | Fit Pro 真无线耳塞 | 无线蓝牙耳塞，配备一次性耳塞套 |
| MacBookPro | Apple | M2 Max, 16”, 64GB RAM | 用于完成路径规划和模拟计算的计算机 |
| SimNIBS | Axel Thielscher (Technical University of Denmark) | 版本 4.0.0 | 可通过 https://simnibs.github.io/simnibs/build/html.index.html 获取 |
| 注射器 | 10 mL, 60 mL | 用于添加额外的超声耦合凝胶以填充气隙 | |
| 换能器 | Sonicconcepts | H-317 | 其他支持的换能器包括 CTX_500（NeuroFUS, Sonicconcepts）、单元素 H-246（Sonicconcepts）和 Bsonix（Brainsonix） |
| 换能器薄膜 | Sonicconcepts | 聚氨酯膜 | 换能器与受试者之间的界面 |
| 超声凝胶 | Wavelength | 透明超声凝胶 | 耦合介质 |
| Windows笔记本电脑 | Acer | Aspire A717-71G, Intel Core i7-7700HQ, 16 GB RAM | 用于控制128通道放大器并通过耳机产生声音的系统 |
参考文献
- Baek, H., Pahk, K. J., Kim, H. A review of low-intensity focused ultrasound for neuromodulation. Biomed Eng Lett. 7 (2), 135-142 (2017).
- Rezayat, E., Toostani, I. G. A review on brain stimulation using low intensity focused ultrasound. Basic Clin Neurosci.
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重印与许可
