Name: 用于规划和执行人体经颅超声神经调控实验的管道 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-06-28T14:35:00.000+00:00
Duration: 7 min 52 s
Description: 学习使用开源工具规划人体经颅超声刺激实验，通过高分辨率MRI成像、靶点映射和声热参数模拟，实现深部脑结构神经调控。该方法为无创神经调控研究提供高效可及的技术方案。

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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。

High-Precision TUS: Planning and Execution with Acoustic and Thermal Simulations

作者声明无利益冲突。

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。

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）&#160;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）。

<table><tbody><tr><td>128通道放大器单元</td><td>Image Guided Therapy</td><td></td><td>该单元用于驱动 H-317 换能器</td></tr><tr><td>24通道头部线圈</td><td>General Electric</td><td></td><td></td></tr><tr><td>3D打印机</td><td>Raise3D</td><td>Pro2</td><td>线材直径为1.75 mm</td></tr><tr><td>3T MRI扫描仪</td><td>General Electric</td><td>Discovery 750 HD</td><td>MR控制台版本 DV26.0_R05_2008</td></tr><tr><td>BabelBrain</td><td>Samuel Pichardo (University of Calgary)</td><td>版本 0.3.0</td><td>可通过 https://github.com/ProteusMRIgHIFU/BabelBrain 获取。用于执行热学和声学模拟</td></tr><tr><td>Blender</td><td>Blender Foundation</td><td>版本 3.4.1</td><td>可通过 https://www.blender.org 获取。BabelBrain 会自动调用 Blender</td></tr><tr><td>Brainsight</td><td>Rogue Research</td><td>版本 2.5.2</td><td>用于靶点识别、路径规划以及TUS递送过程的执行</td></tr><tr><td>座椅及下颌/头部固定装置</td><td>Rogue Research</td><td></td><td>在TUS递送过程中使用，以确保受试者&amp;rsquo;头部稳定，实现精准定位</td></tr><tr><td>定制耦合锥体</td><td>University of Calgary 团队</td><td></td><td>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</td></tr><tr><td>dcm2niix</td><td>Chris Rorden (University of South Carolina)&amp;nbsp;</td><td>版本 1.0.20220720</td><td>可通过 https://github.com/rordenlab/dcm2niix/releases 获取。用于受试者MR图像的预处理</td></tr><tr><td>标记物及头带或眼镜</td><td>Brainsight, Rogue Research&amp;nbsp;</td><td>ST-1325（受试者追踪器），LCT-583（大线圈追踪器）</td><td>头带或眼镜可互换使用</td></tr><tr><td>耳机</td><td>Beats</td><td>Fit Pro 真无线耳塞</td><td>无线蓝牙耳塞，配备一次性耳塞套</td></tr><tr><td>MacBookPro</td><td>Apple</td><td>M2 Max, 16&amp;rdquo;, 64GB RAM</td><td>用于完成路径规划和模拟计算的计算机</td></tr><tr><td>SimNIBS</td><td>Axel Thielscher (Technical University of Denmark)</td><td>版本 4.0.0</td><td>可通过 https://simnibs.github.io/simnibs/build/html.index.html 获取</td></tr><tr><td>注射器</td><td></td><td>10 mL, 60 mL</td><td>用于添加额外的超声耦合凝胶以填充气隙</td></tr><tr><td>换能器</td><td>Sonicconcepts</td><td>H-317</td><td>其他支持的换能器包括 CTX_500（NeuroFUS, Sonicconcepts）、单元素 H-246（Sonicconcepts）和 Bsonix（Brainsonix）</td></tr><tr><td>换能器薄膜</td><td>Sonicconcepts</td><td>聚氨酯膜</td><td>换能器与受试者之间的界面</td></tr><tr><td>超声凝胶</td><td>Wavelength</td><td>透明超声凝胶</td><td>耦合介质</td></tr><tr><td>Windows笔记本电脑</td><td>Acer</td><td>Aspire A717-71G, Intel Core i7-7700HQ, 16 GB RAM</td><td>用于控制128通道放大器并通过耳机产生声音的系统</td></tr></tbody></table>

人类经颅超声神经调控实验的设计与实施流程

Pipeline for Planning and Execution of Transcranial Ultrasound Neuromodulation Experiments in Humans

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。

图7&#160;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。
<img alt="图7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66972/66972fig07.jpg" /> 
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66972/66972fig07large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

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。

经颅超声刺激（TUS）是一种新兴的非侵入性神经调控技术，能够调控皮层和皮层下结构……

我们的研究旨在深入了解经颅超声刺激在人体中产生可测量效应的详细机制，包括参数设定及其调节深部脑结构的能力。本方案简化了完成人体经颅超声刺激实验所需的规划步骤，具有高效、易用的特点，并采用开源且易于获取的规划工具。我们最近的研究结果揭示了经颅超声刺激中最佳参数选择对实现神经元抑制的影响。这将有助于设计和开展未来的人体实验，显著推动我们对这项技术的理解与进步。在完成高分辨率磁共振成像后，使用 dcm2niix 工具将 T1 加权、T2 加权和零回波时间（Zero Time Echo）的 DICOM 扫描文件从 DICOM 格式转换为 NIFTI 格式。使用 SimNIBS charm 工具，执行配准和组织掩膜提取。接着打开 Braighsight，点击“新建空白项目”，并加载受试者的 T1 加权 NIFTI 图像。单击“重建”选项卡，然后点击“新建重建”下拉菜单。在新窗口中，依次点击“皮肤”和“计算皮肤”。完成后，点击窗口左上角的“关闭”按钮。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”。接着通过拖动绿色框的边缘，在矢状面、冠状面和横断面上调整其位置，使其紧密包围整个脑部。滚动查看所有切片，确保无组织边缘重叠。单击“计算曲线”（Compute Curvilinear），并将剥离深度（Peel depth）调整为四毫米。然后在 Brainsight 中单击“标记点”（Landmarks）选项卡，接着单击“配置标记点”（Configure Landmarks）。将十字准线置于鼻尖处，在“名称”字段中将该解剖标志标记为 Nose。然后将十字准线置于鼻梁上方两眼之间的位置，将该解剖标志标记为 Nasion。接着将十字准线置于左耳处，将该解剖标志标记为 L Ear。然后将十字光标置于右耳位置，并标记该解剖标志为 R Ear。随后，点击 Targets 选项卡，再点击 Configure Targets。将十字光标置于目标位置，并使用屏幕右侧的角度切换按钮设置轨迹角度。选择所需的目标和轨迹后，点击新的下拉菜单并选择“轨迹”。要为目标命名，请在“名称”旁边的文本框中输入名称。点击“导出”以导出目标，并将其保存到相应的受试者文件夹中。打开 BabelBrain，选择进行声学和热学模拟所需的文件。要选择先前从 Brainsight 导出的文本文件，请点击“选择轨迹”（Select Trajectory），然后选择相应的受试者文件。点击“选择 SimNIBS”（Select SimNIBS）以选择之前创建的 SimNIBS 文件。单击选择 T1W，然后选择先前用于靶点和轨迹定位的 T1 加权图像。现在选择 real CT 以使用 CT 扫描图像，选择 ZTE 以使用 ZTE 扫描图像，或选择 NO 以使用 charm 工具生成的简化掩模。当使用 CT 或 ZTE 图像时，单击 Coreg 下拉菜单，然后选择 CT to MR。单击 Select，并从相应参与者的文件中选择对应的图像。单击“选择热循环文件”，然后选择描述实验超声参数（包括开启时长、关闭时长和占空比）的热循环文件。接着单击“换能器”旁边的下拉菜单，并选择实验所用的换能器。单击“计算后端”旁边的下拉菜单，选择运行模拟的计算机所使用的计算后端。输入所有信息后，点击“继续”以完成其余的模拟。现在选择换能器的超声频率以及每波长的适当采样点数，然后点击“计算规划掩模”。检查图像，确保皮肤、颅骨和脑组织的边界被准确识别。进行声学模拟时，单击“步骤2 AC模拟”标签页以打开。通过输入相应距离，调整锥体到焦点之间的距离。要运行模拟，请点击“计算场”按钮。调节Z轴偏转值，使十字线位于焦点中心。按上下箭头键或手动输入所需数值。然后点击“计算字段”。对于热仿真，点击“步骤3 热仿真”标签页，然后点击“计算热场”。完成基于所获取的 MRI 扫描图像的颅骨重建和模拟后，打开 Brainsight 软件，点击“打开现有项目”。选择在路径和靶点定位过程中创建并保存的 Brainsight 文件。点击“会话”以开始新的实验会话。单击下拉菜单，选择“新建”，然后选择“在线实验”。接着单击目标名称，再单击“添加下一步”以将目标添加到实验会话中，并进入“实验”窗口。单击“窗口”和“工具校准”。选择要使用的工具，然后点击重新校准。使用位于耳朵和眉毛上方的头带，将受试者追踪器固定在参与者的头部。接下来，在 Brainsight 中点击注册选项卡。将光标置于第一个标记点上，用双手稳定固定。然后点击“采样”，并前往下一个标记点。点击“验证”标签以验证受试者的配准。将探针轻轻放置在头皮的不同位置，并确保所有点的距离均小于三毫米。然后使用置于下颌托架和头部后方的稳定器固定受试者的头部，以防止移动。确保他们在整个实验过程中舒适地坐在椅子上。单击“执行”。使用机械臂沿选定轨迹将换能器定位到目标区域上方。

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