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人类经颅超声神经调控实验的设计与实施流程

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DOI：

10.3791/66972

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2024年6月28日

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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

本文内容

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，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。

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7,12,13,14 已证明经颅超声刺激（TUS）的有效性和安全性。研究表明，靶向不同脑区可诱发肢体运动8 在大鼠和猪中的体感诱发电位（SSEPs）6以及视觉运动活动的变化12，非人灵长类动物的认知与动机决策13 除其他行为变化外，在人类中，经颅超声刺激（TUS）已被观察到可改变运动诱发电位（MEPs） 靶向初级运动皮层时在反应时间任务中的表现15,16 触觉辨别任务表现及体感诱发电位在靶向躯体感觉皮层时发生改变17 和感觉丘脑18组织学分析显示，猪接受经颅超声刺激（TUS）后未出现明显的或显微镜下的结构改变。6，绵羊5,11，兔子10和非人灵长类动物14，且未观察到与其他非侵入性神经刺激技术显著不同的副作用19.

经颅超声刺激（TUS）利用脉冲式低强度聚焦超声，频率介于200 kHz至700 kHz之间，以产生短暂的神经调节效应。通常在体（in situ）的空间峰值脉冲平均强度（Isppa）为10 W/cm2或更低，人体研究中报道的占空比（超声开启时间的百分比）范围为0.5%至70%20,21,22,23,24。尽管TUS神经调节的机制被认为主要涉及对脂质膜的机械扰动，从而导致离子通道开放25,26,27，但可能的热效应和空化效应也不可忽视。这些效应通过机械指数（MI）和热指数（TI）进行评估。MI用于描述TUS可能引发的与空化相关的生物效应，而TI则用于描述超声应用后组织内潜在的温度升高28,29。此外，改变频率和输入强度也会引起MI和TI的变化。较高频率具有更好的空间分辨率，并降低机械生物效应的发生概率；然而，其在组织中的吸收更强，从而增加温度升高的风险28。相反，在相同强度下，较低频率会提高MI。同样，增加强度通常会增强机械和热生物效应的程度30。因此，在实施所有TUS参数之前，必须进行周密的规划和模拟。

规划经颅超声刺激（TUS）实验需要确定目标区域和感兴趣路径，并进行热学与声学模拟。模拟有助于优化TUS的机械效应，并减轻其对组织产生的热效应。这需要理解对颅骨加热的预测、超声在焦点处的压力振幅、焦点校正，以及颅骨和皮肤内的其他加热情况。充分的模拟可确保焦点准确到达目标区域，并遵循国际经颅超声刺激安全与标准联盟（ITRUSST）推荐的生物物理安全指南中规定的超声使用安全参数31，这些参数基于美国食品药品监督管理局（FDA）和加拿大卫生部的建议。近期研究还指出，TUS在动物和人类中均伴随有听觉混杂效应32,33,34，即TUS刺激可激活大脑中的听觉通路从而引发反应32,33,34。在啮齿类动物中，已采用切断听神经32、移除耳蜗液体32或化学性致聋33等方法来减弱这些效应。在人类中，通过耳机给予听觉音调已被有效用于掩盖TUS产生的听觉噪声，从而控制TUS诱发的听觉活动混杂因素34。这凸显了在假刺激条件下必须控制听觉噪声的重要性，相关措施应在实验方案的规划、设计与实施过程中予以纳入。

本文介绍了一种在人体中开展经颅超声神经调控实验所需完成的适当步骤，包括准备阶段（步骤1、步骤2）、规划（步骤3）、模拟（步骤4）以及经颅超声刺激（TUS）递送（步骤5）。

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

  1. 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。
  2. 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：建议在采集磁共振图像时，受试者不要佩戴包耳式耳机，因为这可能影响图像重建，并使后续的规划和实施步骤变得困难。建议受试者仅佩戴耳塞以满足磁共振安全要求。
    1. 对于T1加权成像，采用三维反转恢复准备的快速扰相梯度回波（FSPGR）序列，参数如下：重复时间（TR）= 8.4 ms，回波时间（TE）= 3.2 ms，反转时间（TI）= 650 ms，翻转角为10度，视野为256 mm × 256 mm × 188 mm，矩阵大小为256 × 256 × 188，相位编码方向的GRAPPA（ARC）因子为2，矢状斜位定向以近似对齐AC-PC线。
      注意：总扫描时间为5分21秒。
    2. 对于T2加权成像，采用三维快速自旋回波（FSE）序列，参数如下：TR = 3000 ms，TE = 60–90 ms，回波链长度为130，视野为256 mm × 225 mm × 188 mm，矩阵大小为256 × 256 × 188，矢状斜位定向以近似对齐AC-PC轴。在相位编码和层面方向均采用GRAPPA（ARC）因子2。
      注意：总扫描时间为3分58秒。
    3. 对于ZTE图像，采用各向同性的三维ZTE扫描，设置如下：TR = 698 ms，TE = 16 µs，翻转角为1度，接收带宽为62.5 kHz，平均次数 = 3.5，视野为256 mm × 256 mm × 256 mm，矩阵大小为256 × 256 × 256。
      注意：总扫描时间为5分23秒。
      注意：必须在完成磁共振成像后，才能开始经颅超声（TUS）的规划。

2. 参试者图像的预处理

  1. 使用 dcm2niix 工具将 T1 加权、T2 加权和 ZTE 的 DICOM 扫描文件从 DICOM 格式转换为 Nifti 格式。在终端窗口中执行以下命令：dcm2niix <DICOM 扫描文件路径>。
    注意：dcm2niix 工具可在 GitHub 上获取（见材料表）。BabelBrain 工具会对被试者的图像进行共配准，以适应不同日期采集的图像。如果 T1 加权图像不是各向同性的，则会将其重采样为 1 mm 各向同性体素；但 CT/ZTE 图像不会进行此处理。相反，模拟所用的掩膜会根据每波长像素数（PPW）的最终分辨率进行重采样。无需额外的共配准或对齐步骤。
  2. 使用 SimNIBS 的 charm 工具执行共配准和组织掩膜提取。在终端窗口中执行以下命令：charm <ID> <T1 加权 Nifti 文件路径> <T2 加权 Nifti 文件路径> --forceqform，其中 <ID> 为用于标识的字符串。此时，实验规划可暂停，并可在之后继续进行。
    注意：生成的文件将保存在一个名为 m2m <ID> 的子目录中，该目录将在后续规划阶段中使用。使用 charm 工具对图像进行预处理对于组织分割至关重要，因为这是使用 BabelBrain 工具所必需的36。

3. 轨迹规划

  1. 打开 Brainsight，点击 新建空白项目，并加载在步骤 2.1 中生成的受试者 T1 加权 Nifti 图像。
    注意：如果使用的是 Brainsight v2.5.3 之前的版本，可选择“新建空白项目”或“新建 SimNIBS 项目”。如果使用的是 Brainsight v2.5.3 或更高版本，则 Brainsight 与 BabelBrain 之间已集成，强烈建议点击“新建 SimNIBS 项目”；但两种选项均可完成后续规划步骤。“新建空白项目”需要加载 T1 加权图像，而“新建 SimNIBS 项目”需要加载一个可直接读取 T1 加权图像的 .msh 文件。其余所有功能和步骤均保持一致。
  2. 点击 叠加层，然后点击 配置叠加层 以创建并查看叠加图像。点击 添加 以选择要叠加的文件。
    注意：如果目标无法在 T1 加权图像上可视化，则必须首先在共配准的 T2 加权图像上进行定位（使 T1 加权和 T2 加权图像的坐标一致），然后将坐标转移至 T1 加权图像以进行后续规划步骤。步骤 2.2 中的 charm 工具会在 m2m <ID>/T2_reg.nii.gz 文件路径中生成共配准的 T2 加权图像。
  3. 关闭叠加层部分，点击 目标 选项卡，然后点击 配置目标。点击 蓝色信息 按钮以调整叠加层的透明度、颜色和阈值，以便对图像进行比较。
    注意：此操作可用于可视化共配准的 Nifti 图像，应结合使用以观察声学模拟结果如何与目标区域叠加。
  4. 点击 重建 选项卡，然后点击 新建重建… 下拉菜单。选择 皮肤，随后在新窗口中点击 计算皮肤。完成后，点击窗口左上角的 关闭 按钮。
  5. 在“重建”选项卡中，点击 新建重建… 下拉菜单，然后选择 全脑曲线重建。
    1. 通过拖动绿色框的边缘，分别调整矢状面（图 1A）、冠状面（图 1B）和横断面（图 1C）图像中的每个框，使线条紧密包围大脑（图 1）。
    2. 滚动浏览所有切片，确保组织边缘无重叠。点击 计算曲线重建，并将剥离深度调整为 4 mm（图 1D）。
      注意：全脑曲线重建可提供大脑皮层的三维重建，支持逐层剥离以观察不同深度。该功能有助于经颅磁刺激（TMS）线圈在大脑上的精确定位和一致性放置，从而准确定位感兴趣区域。
  6. 在 Brainsight 中点击 标记点 选项卡，然后点击 配置标记点。
    1. 将十字光标（光标）置于鼻尖处，在“名称：”字段中将该标记点标注为“Nose”（图 2A）。将十字光标置于两眼之间、鼻梁上方，并将该标记点标注为“Nasion”（图 2A）。
    2. 将十字光标置于左耳处，并将标记点标注为“L Ear”（图 2B）。将十字光标置于右耳处，并将标记点标注为“R Ear”（图 2C）。
  7. 点击 目标 选项卡，使用十字光标（光标）定位感兴趣的目标区域。
    1. 将十字光标（光标）置于目标位置，并使用屏幕右侧的角度切换按钮设置轨迹角度。
    2. 选定目标位置和轨迹后，点击 新建 下拉菜单，选择 轨迹。在“名称：”旁边的文本框中输入目标名称。
    3. 通过点击 导出… 导出目标，并将其保存至相应的受试者文件夹中。文件保存后，规划可暂时中止，实验可在之后继续进行。
      注意：该目标将在后续步骤中用于完成热效应和声学模拟。

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图1：在Brainsight中创建全脑曲面重建图像。（A）调整方框至矢状位MR图像边缘。（B）调整方框至冠状位MR图像边缘。（C）调整方框至横断位MR图像边缘。（D）全脑曲面重建图像，剥离深度为4 mm。请点击此处查看该图的放大版本。

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图 2：皮肤重建和 MR 图像上的标记点位置。（A）鼻部和鼻根部标记点的放置。（B）左耳标记点的放置。（C）右耳标记点的放置。请点击此处查看该图的放大版本。

4. 使用 BabelBrain 进行模拟

注意：有关使用 BabelBrain 进行仿真的详细信息，请参阅 BabelBrain 手册： https://proteusmrighifu.github.io/BabelBrain/index.html。

  1. 打开 BabelBrain 并选择进行声学和热学模拟所需的文件。
    注意：本研究使用相控阵换能器；然而，其他换能器也完全兼容该规划软件。该程序可对单一阵元、CTX_500、H-317、H-246及其他换能器完成仿真。在以下方法中，将选用H-317作为目标换能器。
    1. 单击以选择在步骤 3.7.3 中从 Brainsight 导出的 txt 文件 选择轨迹… 并选择合适的参与者文件。点击 选择 SimNIBS… 选择在步骤 2 中创建的 SimNIBS 文件（m2m_folder 名称）。单击 选择 T1W… 并选择步骤2.1中先前用于靶点和轨迹定位生成的T1加权图像。
    2. 下拉菜单中的 "使用 CT？" 标记，选择 真实CT 如果使用CT扫描， 中兴通讯 如果使用ZTE扫描，或 一氧化氮 如果仅提供T1加权和T2加权图像，则使用charm工具生成的简化掩膜。当使用CT或ZTE图像时，点击 校正。 下拉菜单，随后是 CT 到 MR. 点击 选择 并从相应参与者的文件中选择对应的图像。
    3. 点击 "选择热循环程序 …" 并选择描述实验超声参数（包括开启时长、关闭时长和占空比）的热循环程序文件。
      注意：详细信息可参见 BabelBrain 的使用手册： https://proteusmrighifu.github.io/BabelBrain/index.html。配置文件示例见 https://github.com/ProteusMRIgHIFU/BabelBrain/tree/main/Profiles。
    4. 点击旁边的下拉菜单 "传感器" 并选择用于实验的换能器。点击旁边的下拉菜单 "计算后端" 并选择运行模拟的计算机的计算后端。输入所有信息后，点击 继续 完成其余模拟。
  2. 子步骤 A：计算掩膜。
    1. 选择换能器的超声频率和每波长采样点数（PPW）。
      注意：对于大多数情况，6 PPW 已足够。
    2. 保持归一化的ZTE范围和亨氏单位（HU）不变。
      注意：如果使用真实的CT，则仅显示HU阈值。如果没有提供ZTE或CT扫描，此项将不存在。
    3. 点击 计算规划掩膜检查图像，确保皮肤、颅骨和脑组织的边界被准确识别。
      注意：若存在任何差异，请调整归一化的ZTE范围和/或HU阈值。
  3. 子步骤 B：声学模拟。单击 步骤 2 - 交流模拟 按 Tab 键打开。
    注意：此选项卡的界面会因所选换能器的不同而有所差异。以下内容专用于 H-317 换能器。
    1. 通过输入适当的距离值，调整锥体到焦点的距离，以反映从锥体表面到目标的距离。
      注意：由实验中所使用的物理锥体决定。
    2. 点击以执行模拟 计算字段 按钮
    3. 调整Z轴转向（mm）值，使十字线（指示目标位置）位于焦点中心图3）。按压 上箭头或下箭头 或手动输入所需数值，然后点击 计算字段.
      注意：正值将使焦点向脑内更深部位移动，而负值将使焦点向表层移动。
    4. 如果焦点位置偏离预定目标的横向位置，请调整X/Y机械位。Z向机械位保持不变。单击 计算字段.
      注意：Z 机械坐标将在 4.3.1 节中根据距锥体的距离重新计算。若在完成计算后需调整 Z 方向控制、X/Y 机械坐标或超过目标点的最大深度，则必须重新计算声学模拟文件。点击 计算字段 并选择 是 重新计算。选择 无 重新加载现有文件。
  4. 子步骤 C：热模拟。单击 步骤3 - 热模拟 标签，然后单击 计算热场. 评估机械和热力模拟（图 4以确保其符合国际治疗性超声学会（ITRUSST）推荐的人体受试者声学指南31 机械指数（MI）在软组织中 ≤1.9；温升 ≤2 °C，热剂量≤0.25 CEM43，暴露时间限制为1.5特斯拉下80分钟 < 颅脑热指数（TIC）≤ 2.0，持续40分钟；2.0 < TIC ≤ 2.5，2.5 时持续 10 分钟 < TIC ≤ 3.0，3.0 时为 160 秒 < TIC ≤ 4.0，4.0 时持续 40 秒 < TIC ≤ 5.0 时为 5 秒，5.0 时为 10 秒 < TIC ≤ 6.0
    注意：BabelBrain 通过求解生物热传导方程来估算温度升高36在极少数情况下，可能会出现异常的高温体素，此时应分析MR图像，以判断是否存在可解释异常温度升高的解剖学特征。
    1. 调节 Isppa 通过点击 上箭头或下箭头 除Isppa（W/cm2）框或手动输入大于0.1的数值，以观察参数随不同强度的变化情况。
      注意：所有强度、温度变化和机械指数的汇总可导出为 CSV 文件以供参考。该软件会计算在水条件下所需的强度（Isppa （在水中）需要施加以达到理想强度的量 原位.
    2. 点击 MTB，MTS 和 MTC 使用界面底部的按钮查看大脑、皮肤和颅骨中温度最高的切片。热模拟步骤完成后，模拟即告结束。
      注意：文件将自动保存在与T1-w图像相同的位置。
      ​注意：以特定后缀结尾的声学文件 <…FullElasticSolution_Sub_NORM.nii.gz> 可在Brainsight中加载，以在T1空间中可视化声场叠加。将包含仅水条件的文件（带有中缀） "水" 在文件名中包含组织存在条件的文件（文件名中无插入符）和组织缺失条件的文件（文件名中包含插入符）。按照步骤3.1之后的备注中的步骤添加叠加图像。完成热模拟步骤后，仿真过程即告结束，实验可暂停，直至超声热疗（TUS）递送阶段开始。

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图 3：使用 BabelBrain 进行声学模拟。请点击此处查看此图的放大版本。

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图 4：使用 BabelBrain 进行热模拟。 请点击此处查看此图的放大版本。

5. 经颅超声递送疗程

  1. 打开 Brainsight 并点击 打开现有项目选择在轨迹和靶点定位过程中创建并保存的 Brainsight 文件。
  2. 点击 会话 开始新的实验。点击 下拉 并选择 新，随后 在线会议. 点击 靶标名称 随后 添加，以及 下一步 将目标添加至实验会话，并继续进入实验操作窗口。
    注意：如果使用与规划时不同的计算机进行经颅超声刺激（TUS）递送，Brainsight 将要求选择相应的 T1 加权图像。此时，将弹出一个新窗口，提示您选择关联的 T1加权参与者图像 从他们的参与者档案中。
  3. 点击 窗口，以及 工具校准，然后选择要使用的工具，接着 重新校准.
    注意：此步骤必须对换能器以及实验过程中使用的所有其他工具（如经颅磁刺激线圈）进行。
    1. 将大线圈定位器和校准块固定到换能器上。确保摄像头能够看到这两个工具上的标记点。单击 开始校准倒计时 重新校准。
      注意：保存校准参数可确保当天实验过程中校准状态保持不变。若未执行此操作且计算机关闭，则设备需要重新校准。
  4. 根据实验要求的设置步骤安装传感器。在安装前取下传感器上的追踪器，以免损坏。
    注意：所述设置适用于配备定制耦合锥的 H-317 换能器。
    1. 根据需要组装锥形头，将换能器薄膜置于锥形头与端盖之间。使用螺钉、垫圈和螺母将耦合锥形头固定到换能器的法兰上，确保所有部件紧固，无泄漏。
    2. 用去离子水填充换能器，并将泵的管路连接到换能器上，连接标有 "在" 至 "结束" 以及 "结束" 到 "在". 按压的同时堵住注水孔 "引流" 打开泵以释放压力。
    3. 将换能器倒置，使薄膜上的气泡聚集并隔离，然后向上旋转，使其通过标有标签的换能器管排出 "结束"重复此步骤直至所有可见气泡被完全去除。将传感器放置到位，使其 "结束" 将管子向前倾斜并置于最高点，保持泵运行30分钟。
    4. 将换能器倒置，以确认所有气泡均已清除。若仍有残留，将气泡隔离至薄膜处，并像之前一样旋转换能器，确保气泡从 "结束" 试管。重复操作直至所有气泡完全排出。
    5. 关闭泵，拆下软管，并将换能器锁定在中立位置。将追踪器重新连接至换能器，然后进行受试者的准备工作。
  5. 使用眼镜或置于耳部上方和眉毛上方的头带，将受试者追踪器固定在参与者的头部图5），或轻量级粘附追踪器。确保标记物朝向正确，使其能够被相机清晰捕捉，并在换能器移动过程中或到达最终位置后不会被遮挡或碰撞。
    1. 将摄像头置于受试者前方，使其能够看到受试者追踪器和指示器。
      注意：如果不可见，屏幕左下角的指示器将显示为红色。也可通过输入以下内容进行验证 "北极星" Brainsight 上的标签
  6. 点击 注册 在Brainsight中点击标签。将指针置于步骤3.6中设定的全部四个解剖标志点上，双手稳定指针，然后点击 样本 & 跳转到下一个地标.
    注意：头带或眼镜必须始终紧密固定在受试者头部，且受试者追踪器不得发生移动。若出现移动情况，需重新进行注册。若在完成注册后，为适应换能器移动而必须旋转标记点，则需重新执行注册。
  7. 点击 验证 按制表符以验证参与者注册信息。将指针轻轻放置在头皮不同位置，并确保所有点的距离均小于3 mm。
    注意：专为经颅磁刺激（TMS）开发的商用神经导航系统目前正被用于经颅超声刺激（TUS）的人体实验。手持式换能器校准可接受的平移误差为3 mm。37，因为它与目标精度一致38,39 以及其他神经导航系统403 mm 的数值已嵌入Brainsight神经导航软件中。
    1. 若存在任何大于 3 mm 的点，则点击 添加 单击按钮以添加额外的标记点，最多可添加三个点。若需要超过三个点才能实现小于 3 mm 的一致验证，则需重新执行配准。
      注意：为了提高配准的成功率，建议在采集MR图像时让受试者不要佩戴头戴式耳机，因为耳机可能影响图像重建并使配准变得困难。在点击之前，需谨慎地将指针尽可能靠近解剖标志点 样本 & 跳转到下一个标记，并用双手稳定指针。验证可确保头皮表面所有点的平均值低于阈值。在头皮上所有随机位置均低于3 mm阈值之前，不得继续操作。
  8. 使用下巴托和置于头部后方的稳定器固定受试者的头部，以防止移动（图5确保他们在整个实验过程中舒适地坐在椅子上。
  9. 点击 执行使用机械臂沿选定轨迹将换能器定位在目标区域上方。
    注意：务必事先练习并熟悉机械臂各部件的运动方式，以准确到达目标位置。成功定位机械臂的关键在于理解其活动性，并熟悉其相对于头部方位的运动方式，因为这在很大程度上取决于目标位置的具体地点。
    1. 使用靶心窗口上的十字准线以实现正确的定位和角度（图6）。调整平移和旋转圆圈，使其均位于十字准线上，并参考精度读数以进行验证。
    2. 沿受试者头发的自然分界线分开头发，并将超声耦合剂梳入发丝中，以确保头发内无气泡。若需要较大面积的耦合，可将超声耦合剂涂抹于探头薄膜上。使用注射器将额外的超声耦合剂注入残留的气泡区域，以填满所有空隙。
    3. 通过观察十字线是否位于目标周围方框的中央，将换能器降至适当高度（图6这将指示何时达到合适的目标深度。
  10. 一个定制的Python脚本利用第4步模拟的结果，对128通道放大器单元进行编程，并通过耳机生成声音（https://github.com/ProteusMRIgHIFU/TUSApp）。若进行在线实验和/或双盲实验，需确保通过耳机播放掩蔽音频34,41 或在脉冲持续期间逐渐增加和减少刺激42,43,44 以减少潜在听觉混杂效应的方法。
    注意：在此步骤中，若使用市售设备（如 CTX-500 换能器），请根据在水条件下模拟所得的强度及其他参数（PRF、持续时间、占空比）进行设定。H-317 换能器需使用专用脚本驱动，因此本提交中省略该步骤。
    1. 在 MATLAB 中生成掩蔽音频，于经颅超声刺激（TUS）开始时播放。假刺激期间的声音由以下成分组合而成：频率为 250 kHz 的连续正弦波、频率为 100 Hz 的方波（采样率为 48 kHz），并叠加随机噪声，以尽可能模拟换能器产生的声音。在 TUS 实际刺激期间，耳机中仅播放随机噪声，因为受试者同时也会听到换能器发出的声音。
  11. 完成经颅超声刺激（TUS）递送后，在进行任何后续实验操作之前，从受试者头部移除换能器、凝胶和追踪器。
  12. 为清洁TUS设备，需先将追踪器从换能器上取下，以防损坏。通过拆下换能器顶部的塞子并将其倒置，排出内部水分。取下耦合锥并将其拆解，使各部件自然风干。
    1. 将换能器恢复至中立位置，并确保所有臂组件在90度时完全锁紧˚ 用于储存，直至下一次经颅超声刺激（TUS）实验会话。

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图5：用于神经导航的标记点。 带有标记点的眼镜（左）和头带（右），用于受试者追踪。受试者头部通过颏托及头后方的稳定装置固定。请点击此处查看此图的放大版本。

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图6：经颅超声刺激（TUS）过程中针对初级运动皮层（M1）靶点进行靶区定位的Brainsight神经导航界面。 旋转和位移指示器可指导实验人员将换能器置于头皮的正确位置，并提示何时达到目标轨迹角度。靶点定位准确性指示当前位移和旋转方向与靶点的接近程度，可用于微调移动。深度指示器显示焦点位置的深度，应据此将换能器调节至适当高度。请点击此处查看该图的放大版本。

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著效应45,46。类似结果也在使用TMS的研究47,48和tDCS的研究49,50中被观察到，表明无创脑刺激（NIBS）技术并不总是产生预期效果。这凸显了在人体中精心设计和实施TUS实验的必要性，应采用本文所述的方案以最大程度提高实验成功的可能性。

Zadeh 等人的研究42强调了经颅超声刺激（TUS）的不同效应，表明10 Hz和100 Hz的脉冲重复频率（PRF）可诱导持久的抑制效应，而1000 Hz PRF则仅产生可忽略的影响。重要的是，该研究证明100 Hz PRF效果最为显著，可实现超过60分钟的运动诱发电位（MEPs）抑制，相比之下，10 Hz PRF仅能实现30分钟的抑制。也可采用其他方法评估TUS效应，例如测量体感诱发电位（SSEPs）或任务表现，但每种方法均需对结果进行独特的解释。

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图7：经颅磁刺激（TMS）靶向初级运动皮层（M1），用于评估不同经颅超声脉冲重复频率（PRF）对皮质脊髓兴奋性的影响。 经颅超声（TUS）以250 kHz的基础频率、120 s的照射持续时间、100 Hz的脉冲重复频率（PRF）、10%的占空比以及5 W/cm2的ISPPA进行。每个时间点记录30次试验，如各个圆点所示。结果显示了TUS暴露后5分钟、30分钟和60分钟时归一化运动诱发电位（MEP）幅值中位数的变化情况。误差线表示每个时间点试验结果的四分位距。（A）显示成功实验结果的受试者，表现出持续的抑制效应。（B）显示无显著效应的受试者。请点击此处查看该图的放大版本。

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 MRI 获得的简化掩膜相比，ZTE 图像在 TUS 模拟中仍能更准确地估计加热效应52，其预测结果与 CT 扫描相似53。在模拟中使用 ZTE 扫描可避免不必要的辐射暴露，并省去获取 X 射线 CT 图像所需的额外时间，因为 ZTE 序列可直接添加至原始 MRI 扫描流程中。然而，ZTE 协议目前尚未成为大多数 MRI 扫描仪的标准配置，仍需进一步研究以改进基于 ZTE 的后处理方法，使其适用于 TUS 建模。如果既无 CT 也无 ZTE 图像可用，BabelBrain 所采用的 charm 工具可通过 T1 加权和 T2 加权图像生成简化掩膜，以预测颅骨特征。比较使用 CT 与简化掩膜所进行的模拟发现，在靶点引导（1.00 mm ± 1.3 mm）和机械重定位（x 方向 0.2 mm ± 0.4 mm；y 方向 0.1 mm ± 0.5 mm）方面差异极小，但在强度分布上略有不同（焦点长度相差 6% ± 8%；焦点宽度相差 2.7% ± 2%；焦点体积相差 10.4% ± 16%；相对于 CT，简化掩膜的峰值压力差异为 -0.5% ± 15%）36。这表明 CT 能提供更精确的模拟结果；然而，若无法获取 CT 或 ZTE 扫描，使用简化掩膜也足以完成人类经颅超声实验所需的模拟。

声学特性成像方法仍然是一个必要的研究领域，因为从CT和MR图像预测声速和衰减仍需要更深入的理解和简化的操作流程。因此，模拟预测结果与实际热效应或机械效应之间可能存在偏差，需对此保持谨慎。BabelBrain中的声学效应建模采用开源的BabelViscoFDTD54,55库实现，该库支持对线性压缩波和剪切波传播进行建模。该模型已在焦点位置、尺寸和幅度方面与其他多种模型进行了验证，焦点压力差异小于10%，焦点定位偏差小于1 mm56。因此，声学模拟结果与其他模拟模型具有一致性。热效应预测更为困难，且尚未经过实验验证，因为磁共振测温无法在颅骨内进行，且预期的温度变化非常微小，这带来了不确定性来源。BabelBrain中采用的热建模方法在不同研究中保持一致，通过求解生物热传导方程（BHTE）来模拟颅骨加热过程，涵盖热扩散、灌注效应和声功率的影响36,51。基于其他已发表文献中的衰减和吸收模型所估算的温升结果，被用于预测经颅超声（TUS）作用下颅骨内的热效应57，这是目前模拟颅骨加热的最佳替代方案。如方法部分所述，用户需设定超声持续时间、超声关闭时间、占空比以及脑组织条件下的目标空间峰值脉冲平均强度，安全参数将根据所选参数进行计算。因此，用户必须仔细检查所有拟使用的参数，确保其符合安全要求。多种用于将换能器定位在目标区域上方的神经导航系统已被报道具有约3 mm的目标配准误差38,58,59。然而，根据所用频率和目标区域大小的不同，即使存在3 mm的误差，焦点区域仍可能足够大以覆盖目标。尽管这可能构成一定局限性，但由于立体定向定位方法具有侵入性，当前导航系统仍相较其他替代方案具有更大优势。

BabelBrain 简化了在人类中完成经颅超声（TUS）实验所需的规划步骤，因其高效、易于使用，且是迄今为止唯一可公开获取的开源规划工具。这使得已发表文献中的实验方法具有透明性，因为所使用的脚本均可公开访问。该方法完成了数据准备和图像处理步骤，无需使用自定义脚本或任何外部协作即可运行模拟。因此，它消除了实验人员面临的主要障碍，使其能够直接完成规划和模拟，从而使更多实验室能够成功开展 TUS 实验。除了用于实验的前瞻性规划外，该方法在基于空化效应的聚焦超声（FUS）治疗规划中也具有潜在应用价值36，例如用于打开血脑屏障59。总体而言，该方法为在人类中规划和实施 TUS 实验以及推动 TUS 在临床环境中的应用提供了一种高效且流程化的解决方案。

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。

材料

本文使用的材料清单
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Raise3DPro2线材直径为1.75 mm
3T MRI扫描仪General ElectricDiscovery 750 HDMR控制台版本 DV26.0_R05_2008
BabelBrainSamuel 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
BlenderBlender Foundation版本 3.4.1可通过 https://www.blender.org 获取。BabelBrain 会自动调用 Blender
BrainsightRogue 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
dcm2niixChris 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BeatsFit Pro 真无线耳塞无线蓝牙耳塞，配备一次性耳塞套
MacBookProAppleM2 Max, 16”, 64GB RAM用于完成路径规划和模拟计算的计算机
SimNIBSAxel 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SonicconceptsH-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AcerAspire 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

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