探索性临床人体研究中经颅超声刺激的方法学方案及注意事项

我们的神经调控与中风康复实验室致力于采用多种神经调控技术来促进中风后的功能恢复，包括运动功能的恢复。本项目特别采用低强度经颅超声刺激——一种新型的非侵入性脑刺激工具，用于调节中风患者大脑运动皮层的兴奋性，从而促进运动学习。首先，准备一个装有脱气去离子水的水箱，以防止对水听器造成潜在损害。

将超声换能器固定在水箱的支架上，并将水听器安装到三轴定位系统上。将水听器连接至示波器，然后连接针尖及其电缆。只有在水听器完全浸入水中后，才可开启其电源。

使用信号发生器驱动超声换能器。然后利用三轴定位系统将水听器探头置于超声换能器的近似焦点区域。记录每个位置的示波器读数，以获得声压分布，并记录对应焦点区域的水听器位置。

通过施加不同的输入电压，评估超声换能器在焦点处的发射灵敏度。连接经颅超声刺激硬件并启动示波器记录。打开示波器。

启动设备并调整垂直和水平轴至感兴趣的量程。将放大器的主电源开关拨至“开”位置。将放大器的输出功率调节至零。

将两个函数发生器均设置为所需的波形，并确保在每个脉冲持续时间内添加斜坡。现在按下函数发生器上的输出按钮。使用调节旋钮将放大器输出调至100%，并监视增益显示。

按下放大器电源按钮以启动其输出。在示波器上确认驱动信号波形，并让驱动系统运行15分钟以稳定输出。检查驱动信号波形上每个脉冲持续时间的起始和结束处是否存在斜坡变化。

将放大器输出调至零。将换能器完全浸入水中，使其出射面朝上并位于水面下方约一英寸处。然后将放大器输出重新调至100%，观察 ramping 是否成功。

现在将神经导航工具追踪器安装到换能器支架上。在软件中，进入“窗口”和“工具校准”界面，点击“新建校准”。

输入名称并选择正确的工具跟踪器。将带有跟踪器的探头紧贴校准块，使参考指示针接触探头出射平面的中心，并与该平面垂直。单击“开始校准倒计时”。

保持稳定五秒钟，如有必要可重复操作，直至成功。然后关闭“编辑校准”和“工具校准”窗口。当受试者准备接受经颅超声刺激时，按下放大器电源按钮以关闭其输出。

将示波器从放大器上断开，并将换能器连接到放大器输出端。如果使用基于模拟的目标，则将目标加载至神经导航软件中。在“会话”选项卡中，打开新建下拉菜单，选择在线会话。

在“靶点”选项卡下，单击 Trajectory-x-mod 靶点，然后按“添加”将其加入当前操作。在“执行”窗口中调出以靶点为中心的环形工具视图或以靶点为中心的靶标视图。将驱动器设置为正确的 TUS 换能器，并在左上方的“采样靶点”列表中选择正确的靶点。

梳理受试者的头发，暴露经颅超声换能器放置部位的头皮，并形成一条前后方向的分界线。沿分界线涂抹脱气的超声耦合凝胶。在两侧分别约1.5厘米处再创建一至三条分界线，并重复相同操作。

最后，返回初始的分隔线并重复该过程四次。现在，将TUS换能器固定在受试者头部，并使用靶心视图将其与目标对齐。调整换能器，使距离、倾斜和旋转偏差均在操作限值范围内最小化。

如果需要进行安全监测，将热电偶导线插入靠近头皮的超声耦合剂中。使用纸质胶带将热电偶导线固定在头部，以防止移动。按下放大器的电源按钮以启动输出并开始经颅超声刺激（TUS）。

同时按下神经导航软件上的“立即采样”按钮，以记录初始换能器位置。持续监测靶心视图中的三项对准指标。如果已安装，使用热电偶导线监测头皮温度。

完成经颅超声刺激（TUS）后，按下放大器电源按钮以停止输出。取下换能器及受试者头部佩戴的所有设备。检查头皮是否有发红迹象，并询问受试者是否存在任何不适或不良反应。

若无任何问题报告或已解决相关问题后，轻轻擦去头皮上的超声耦合剂。在神经导航窗口中点击“完成”，然后选择“文件”并点击“保存项目”。在会话列表中选择当前会话，然后点击“查看”。

在“会话回顾”窗口中，从“导出”下拉菜单中选择脑区位点文本文件。确保已选择“方向”，并将“对齐”设置为“无”。根据需要配置其他导出设置，然后单击“保存”以导出刺激数据。

基于模拟的靶向实现了满意的结果，其中声学焦点到达了预期的皮层刺激区域。在基于模拟的靶向过程中，由于声学焦点与预期刺激靶点之间存在错位，需要进行额外迭代的一种情况。将“距离发射器出平面至皮肤”参数调整为更接近实际的数值，以校正模拟界面中的可视化比例问题。

记录到清晰的运动诱发电位，表明经颅磁刺激、线圈放置位置和方向良好。观察到一个可能不代表运动诱发电位的波形。在刺激器最大输出的52%水平下成功确定了1毫伏的运动阈值，在该水平下获得了五个阳性反应和五个阴性反应。

由于连续出现而非交替的阳性和阴性反应，在刺激器最大输出的87%时记录到可能无明确结论的MT一毫伏测定结果。获得了换能器驱动信号稳定且均匀的示波器读数，表明设备功能正常。通过神经导航，实现了物理换能器放置位置与预定义目标之间的良好对准。

观察到换能器放置位置不准确，表明需要进行调整以对准目标。我们确立了经颅超声刺激（TUS）在卒中患者中的安全性和有效强度，结果显示运动皮层的TUS可增强运动学习能力和皮层兴奋性。目前尚无专注于经颅超声刺激在神经系统疾病成人中应用的方法学文章。

本方案旨在解决这一空白。我们希望该方案能够减少方法学上的变异性，提高未来人类超声研究的可靠性和可重复性。